Лазер Советский патент 1993 года по МПК H01S3/08 

Изобретение относится к лазерной технике, в частности к неустойчивым резонаторам оптических квантовых генераторов с вращением поля.

Целью изобретения является увеличение яркости пучка лазерного излучения,

Сущность изобретения заключается в том, что резонатор выполняется телескопическим при наличии вогнутого зеркала, расположенного с противоположной выпуклому зеркалу стороны активной среды, и разделения сферических зеркал и уголковых отражателей. При этом излучение более полно заполняет объем активной среды и выходит из резонатора в виде параллельного пучка.

Для вращения поля и компенсации астигматизма сферических зеркал в резонаторе используются двугранные (девяностоградусные)уголковые отражатели, что позволяет эффективно компенсировать азимутальные неоднородности показателя преломления и коэффициента усиления активной среды. Выпуклое и вогнутое зеркало расположены по оси резонатора от уголковых отражателей. Одно или оба зеркала располагаются наклонно (под углом отличным от nil между поверхностью зеркала и осью резонатора) по отношению к оси резонатора. Каждое наклонное зеркало расположено по оси резонатора между уголковым отражателем и другим зеркалом, т. е. после каждого наклонного зеркала по оси резонатора расположен двугранный уголковый отражатель.

Ребро двугранного уголкового отражателя, расположенного по оси резонатора после наклонного зеркала, ориентирован о

00

NJ 2

под углом л/4 относительно сигиттальной и меридиальной плоскости отраженного от этого зеркала осевого пучка, т. е. перпендикулярно оси резонатора и повернуто относительно плоскостей. Такая ориентация двугранного уголкового отражателя относительно зеркала, позволяет компенсировать астигматизм, идущего в обратную сторону от зеркала пучка, путем смены местами (поворота на девяносто градусов) сагиттальной и меридиальной плоскости после отражения пучка от двугранного уголкового отражателя и вторичного отражения его от наклонного зеркала.

Взаимные развороты выпуклого и вогнутого зеркал, со своими уголковыми отражателями, вокруг центральной части оси резонатора (лежащей между выпуклым и вогнутым зеркалом) позволяют вращать поле в резонаторе на любой оптимальный угол. Фокусы оптических систем выпуклое зеркало - двугранный уголковый отражатель и вогнутое зеркало - двугранный уголковый отражатель, совпадают.

Двугранный уголковый отражатель, расположенный по оси резонатора после наклонного зеркала, помещен с противоположной этому зеркалу стороны активной среды. Такое расположение отражателя позволяет уменьшить величину удельных не активных потерь в резонаторе, возникающих за счет поглощения излучения на отражающих поверхностях. При этом полнее компенсируется астигматизм, так как в такой конструкции меньше угол паде- ния пучка на наклонное сферическое зеркало. За счет увеличения числа проходов излучения по активной среде возрастает оптимальный коэффициент увеличения резонатора, т. е. уменьшается чувствительность резонатора к неоднородностям, улучшается расходимость, что наряду с увеличением энергетической эффективности, приводит к росту яркости излучения.

Вывод излучения в виде параллельного пучка позволяет создать многосекционный резонатор, состоящий из нескольких резонаторов с параллельными осями выходящего излучения.

Использование многосекционного резонатора позволяет увеличить яркость излучения за счет уменьшения величины неоднородности активной среды в пределах каждой секции, т. е. уменьшения расходимости пучка. При наличии внешней формирующей оптики яркость излучения возрастает также за счет увеличения кратности телескопа, при тех же размерах обь- ектива, поскольку многосекционный резонатор с взаимно прилегающими ком-

пактными выходными аппертурами(т. е. при плотной группировке компактных выводов каждой секции) позволяет получить более компактный выходной пучок, чем односек5 ционный резонатор.

Компактный вывод излучения из резонатора осуществляется либо фигурной отражающей пластиной, расположенной внутри резонатора, либо через фигурный вырез в

Ю выпуклом зеркале. Фигурный вырез производится в секторе с вершиной на оси резонатора (в проекции на плоскость перпендикулярную оси) и углом сектора, равном углу вращения поля за один проход

15 по резонатору. При этом остается невырезанной в секторе прилегающая к оси часть зеркала - выступ, а остальная часть зеркала, лежащая в секторе, удаляется, образуя компактную выходную аппертуру. Граница вы20 ступа имеет форму, подобную форме границы активной среды в этом секторе. Размер выступа в каждом радиальном направлении пропорционален размеру активной среды в секторе и определяется

25 коэффициентом увеличения резонатора М. При кольцевом выводе (вращение поля на 2л), размер выступа (выпуклого зеркала) меньше размера активной среды в М2 раз,

30

при вращении поля на л /2 и компактном выводе размер выступа меньше размера активной среды в секторе в М раз, при вращении поля на л: /2 и компактном выводе размер выступа меньше размера активной среды в секторе в м 1 раз.

35 На фиг. 1 изображен телескопический резонатор с вращением поля на л, где а) - вид спереди; б) - вид сбоку; в) - сечение выходящего пучка; на фиг. 2 - двухсекционный телескопический резонатор с вращени40 ем поля на ж /2, где а) - вид спереди; б) - вид сверху; в) - сечение выходящего пучка; на фиг. 3 - четырехсекционный телескопический резонатор с вращением поля на п, где а) - вид спереди; 6) - вид сверх у; в) 45 сечение выходящего пучка; на фиг. 4 - четырехсекционный телескопический резонатор с вращением поля на п /2, где а) -- вид спереди; б) - вид сверху; в) - сечение выходящего пучка.

50 На фиг. 1 -- 4 представлены конструкции резонаторов с различными формами выходных аппертур, для прямоугольного сечения . активной среды с вертикальной и горизонтальной осью симметрии и соотношением

55 сторон (в сечении) 1:2, т. е. раззмером ах 2ах х L, где а) - размер меньшей стороны; L - длина активной среды.

На фиг. 1 изображен телескопический резонаторе вращением поля нал:, содержащий выпуклое зеркало (1), вогнутое зеркало 2, уголковый отражатель 3 и компактную выходную аппертуру. Излучение выходит из резонатора через фигурный вырез (выходную аппертуру) в выпуклом зеркале. Выпуклое зеркало расположено перпендикулярно оптической оси резонатора, проходящей по центру активной среды. Вогнутое зеркало расположено под углом к оси резонатора, при этом ось резонатора, между вогнутым зеркалом и уголковым отражателем, срстав- ляет угол л: /4 с вертикалью (или горизонталью). Проекция ребра уголкового отражателя на вогнутое зеркало, по оси резонатора, на виде спереди, вертикальна. После отражения от вогнутого зеркала и уголкового отражателя правый пучок, падавший на зеркало, идет слева, а левый справа, т. е. пучок оборачивается вокруг вертикали. При генерации, часть идущего к выходной аппертуре пучка отражают от выступа выпуклого зеркала 4 назад, затем этот расходящийся пучок при отражениях на вогнутом зеркале и уголковом отражателе оборачивают вокруг вертикальной оси на противоположную выступу сторону выпуклого зеркала и коллимируют (делают параллельным). После отражения от выпуклого зеркала пучок вторично расширяется, кол- лимируется и поворачивается вогнутым зеркалом и уголковым отражателем на сторону выступа, мимо которого и выходит из резонатора часть излучения. Сечение выходящего пучка при этом вписано в квадрат размером эха. Радиусы кривизны выпуклого и вогнутого зеркал соответственно составляют:

D21 D .. 6V2l

Квып - Reom. и М

М -1

М -1

.

где I - расстояние между зеркалами резонатора; М - коэффициент увеличение резонатора.

На. фиг. 2 изображен двухсекционный телескопический резонатор с вращением поля на л /2, содержащий в каждой секции выпуклое 1, вогнутое 2 зеркало, уголковый отражатель выпуклого зеркала 3, уголковый .отражатель вогнутого зеркала 4 и компактную выходную аппертуру. Зеркала наклонены к оси резонатора под углом л /4, при этом ось резонатора между выпуклым зеркалом и его уголковым отражателем расположена вертикально, а между вогнутым зеркалом и его уголковым отражателем - под углом л: /4 к вертикали. (Центральная часть оси между выпуклым и вогнутым зеркалом расположена горизонтально). Проекция ребра уголкового отражателя выпуклого

зеркала 3, на поверхность выпуклого зеркала, расположена по диагонали зеркала, про- ходящей через выступ 5 и выходную аппертуру.

5Проекция ребра уголкового отражателя вогнутого зеркала, на поверхность вогнутого зеркала, на виде спереди, расположена вертикально. При генерации часть излучения, идущего к выходной аплертуре, отра10 жают выступом выпуклого зеркала в уголковый отражатель, где его оборачивают вокруг диагонали, проходящей через выступ; вторично отражают от выпуклого зеркала и расходящийся пучок направляют к

1.5 вогнутому зеркалу. Отражая от вогнутого зеркала и уголкового отражателя излучение оборачивают вокруг вертикали и коллимируют.

При этом пучок, в виде квадрата увели20 ченного размера направляют на выпуклое зеркало с противоположной относительно вертикали стороны выступа (6). Совершив еще один проход по резонатору, пучок увеличивается и оказывается сверху 7, т. е. при

5 каждом проходе по резонатору пучок увеличивается и поворачивается на п /2 вокруг центральной части оси резонатора, пока не дойдет до выходной аппертуры, где часть пучка выходит из резонатора, а часть воз5 вращается назад.

Сечение выходящего из двух секций пучка вписано в прямоугольник с соотношением сторон 1 ; 2 и размером а/2 х а, Радиусы кривизны выпуклого и вогнутого зеркал

,о 6V2I AQ соответственно составляют: НВып м f ,

V..

где I - расстояние между зеркалами резона- 5 тора, М - коэффициент увеличения резонатора..

На фиг. 3 изображен четырехсекцион- ный телескопический резонатор с вращени0 ем поля на п , содержащий в каждой секции выпуклое зеркало 1, вогнутое зеркало 2, уголковый отражатель выпуклого зеркала 3, уголковый отражатель вогнутого зеркала 4 и компактную выходную аппертуру. В каждой

5 секции уголковые отражатели расположены С противоположной своему зеркалу стороны активной среды. Ось резонатора целиком лежит в горизонтальной плоскости. Проекция ребра уголкового отражателя выпуклого зеркала, на выпуклое зеркало расположена по диагонали зеркала, проходящей через выступ. Проекция ребра уголкового отража- теля вогнутого зеркала на вогнутое зеркало,

зеркало, проходит по диагонали, перпендикулярной диагонали, проходящей через выступ.

При генерации часть пучка, идущего к выходной anneptype, отражают выступом выпуклого зеркала в уголковый отражатель, где его оборачивают вокруг диагонали зеркала, проходящей через выступ и выходную аппертуру(причем здесь, при вторичном отражении от выпуклого зеркала, часть излучения теряется, проходя мимо выступа) и расходящуюся часть отраженного пучка направляют к вогнутому зеркалу. Отражая от вогнутого зеркала и его уголкового отражателя, пучок оборачивают вокруг второй диагонали на сторону выступа, мимо которого часть излучения выходит из резонатора, и коллимируют его. Сечение выходящего из четырех секций пучка представляет собой крест, и вписано в квадрат размером а/ПГ х х а/(1Г. Радиусы кривизны выпуклого и вогнутого зеркал соответственно составляют:

вают вокруг диагонали, проходящей через выступ, вторично отражают от выпуклого зеркала (часть излучения теряется, проходя мимо выступа) и расходящийся пучок направляют на вогнутое зеркало. Отражая от вогнутого зеркала и его уголкового отражателя, пучок излучения оборачивают вокруг вертикали и коллимируют.

При этом пучок оказывается повернут

на п /2 относительно выступа выпуклого зеркала вокруг центральной части оси резонатора. После четырех проходов по резонатору, часть увеличенного пучка выходит из резонатора, а часть отражается от выступа

и возвращается в резонатор. Сечение выходящего из четырех секций пучка представляет собой крест и вписано в квадрат размером а/2 х а/2, т. е. этот пучок из четырех вариантов резонаторов наиболее компактен, Радиусы кривизны выпуклого-и вогнутого зеркал соответственно составляют

Использование: квантовая электроника, мощные газовые лазеры. Сущность изобретения: лазер содержит активную среду, выпуклое и вогнутое зеркала, размещенные по обе стороны активной среды. Одно из зеркал или оба установлены наклонно к оптической оси. После наклонного зеркала по оптической оси установлен двугранный уголковый отражатель с ребром, ориентированным под углом я/4 относительно сагиттальной и меридиональной плоскости отраженного от зеркала осевого пучка. Лазер снабжен несколькими резонаторами с параллельными оптическими осями и взаимно перпендикулярными компактными апертурами. 1 з,п. ф-лы, 4 ил. W Ј

ЙВЫП- i

R,

вогн

(sUor-Dfl jгде I - расстояние между зеркалами и уголковыми отражателями; М - коэффициент увеличения резонатора.

На фиг. 4 изображен четырехсекцион- ный телескопический резонатор с вращением поля на п /2, содержащий выпуклое зеркало (1), вогнутое зеркало 2, уголковый отражатель выпуклого зеркала 3, уголковый отражатель вогнутого зеркала 4 и компакт- ную выходную аппертуру. В каждом резонаторе двугранные отражатели расположены с противоположной своему зеркалу стороны активной среды. Ось резонатора между выпуклым зеркалом и его уголковым отражате- лем, а также между выпуклым и вогнутым зеркалом, лежит в горизонтальной плоскости. Ось резонатора между вогнутым зеркалом .и его уголковым отражателем лежим в плоскости, проходящей через центральную часть оси резонатора и образующую угол я/4 между вертикальной и горизонтальной плоскостью. Проекция ребра уголкового отражателя выпуклого зеркала на выпуклое зеркало расположена по диагонали зерка- ла, проходящей через выступ. Проекция ребра уголкового отражателя вогнутого зеркала на вогнутое зеркало на виде спереди расположена вертикально. При генерации часть пучка, идущего к выходной аппертуре, отражают выступом выпуклого зеркала в уголковый отражатель, оборачи5

R

0 5 0 5 0 5

ВЫП.Л

41

Явогн.();

№-1 VYM-,1 где I - расстояние между зеркалами и уголковыми отражателями; М - коэффициент увеличения резонатора.

При неоднородной активной среде телескопический резонатор с вращением поля позволяет получить на выходе параллельный пучок лазерного излучения высокой яркости с различными удобными для применения формами сечений выходящего пучка.

Формул а из обретения

2. Лазер по п. 1,отличающийся тем, что он снабжен несколькими резонаторами, охватывающими активную среду, с параллельными оптическими осями и взаимно прилегающими выходными апертурами.