ДВУХПРОХОДНЫЙ НЕУСТОЙЧИВЫЙ ТЕЛЕСКОПИЧЕСКИЙ РЕЗОНАТОР ЛАЗЕРА Советский патент 2006 года по МПК H01S3/08 

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано в мощных газовых лазерах.

Известен неустойчивый телескопический резонатор с вращением поля, содержащий выпуклое и вогнутое зеркала и два двугранных уголковых отражателя, позволяющий осуществить частичную компенсацию аберраций. Однако он имеет большое количество зеркал, что приводит к увеличению суммарных аберраций, связанных с формой зеркал, и увеличению расходимости излучения. В этом резонаторе ребра уголковых отражателей находятся на оптической оси, что также ухудшает расходимость излучения.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является двухпроходный неустойчивый телескопический резонатор, содержащий выпуклое и вогнутое зеркала и оптический элемент связи, представляющий собой двугранный уголковый отражатель, обеспечивающий двухпроходность схемы. Это устройство обеспечивает частичную компенсацию аберраций нечетного порядка только в одном направлении, связанном с ориентацией двугранного уголкового отражателя, что уменьшает расходимость излучения только в одном направлении.

[Kellen P.F., Mattsson A.C., Ahouse D.R., Yoder M.J., Opt. Engineering, 1979, v.18, p.340-344].

Цель изобретения - уменьшение расходимости излучения, формируемого резонатором, путем компенсации аберраций нечетного порядка.

Указанная цель достигается тем, что в известном устройстве, содержащем выпуклое и вогнутое зеркала, расположенные отражающей поверхностью в одном направлении так, что нормали к центрам зеркал, являющиеся их оптическими осями, параллельны, и оптический элемент связи, обеспечивающий двухпроходность схемы, последний выполнен в виде трехгранного уголкового отражателя, обращенного отражающими поверхностями в направлении выпуклого и вогнутого зеркал, и представляющего собой систему трех взаимно перпендикулярных зеркал, ось симметрии которого лежит в плоскости, определяемой оптическими осями выпуклого и вогнутого зеркал, и равноудалена от них, причем ни одного из ребер уголкового отражателя не лежит в этой плоскости.

Такой резонатор обеспечивает компенсацию крупномасштабных аберраций нечетного порядка за счет эффекта "переворачивания" сечения пучка трехгранным уголковым отражателем.

Симметричная ориентация уголкового отражателя относительно плоскости оптических осей выпуклого и вогнутого зеркал, когда плоскость, проходящая черед ось симметрии уголкового отражателя и одно из его ребер, перпендикулярна плоскости оптических осей, обеспечивает наибольшую удаленность оптической оси резонатора от ребер уголкового отражателя, что исключает внесение дополнительных искажений в приосевую область резонатора, ответственную за начальную стадию формирования излучения. (В.Е.Шерстобитов. Угловая расходимость излучения проточных газовых лазеров. Известия АН СССР сер. Физическая т.46, 1982, №10, с.1905-1914).

На фиг.1 изображена схема предлагаемого резонатора. На фиг.2 изображено прохождение расходящейся волны от оптической линии, эквивалентной двухпроходному неустойчивому телескопическому резонатору с трехгранным уголковым отражателем со слабо неоднородной средой.

В двухпроходном неустойчивом телескопическом резонаторе вогнутое 1 и выпуклое 2 зеркала расположены отражающей поверхностью в одном направлении таким образом, что нормали к центрам зеркал, являющиеся их оптическими осями, параллельны. Оптический элемент связи, обеспечивающий двухпроходность схемы, выполнен в виде трехгранного уголкового отражателя 3. Он представляет собой систему трех взаимно перпендикулярных зеркал и ориентирован отражающими поверхностями в направлении выпуклого 2 и вогнутого 1 зеркал. Ось симметрии уголкового отражателя 3 лежит в плоскости, определяемой оптическими осями вогнутого 1 и выпуклого 2 зеркал и равноудалена от них.

Наибольшая удаленность оптической оси резонатора от ребер уголкового отражателя 3 обеспечивается при его симметричной ориентации относительно плоскости оптических осей выпуклого 2 и вогнутого 1 зеркал, когда плоскость, проходящая через ось симметрии уголкового отражателя и одно из его ребер перпендикулярна ей.

В мощных газовых лазерах предлагаемый резонатор ориентируется так, чтобы направление газового потока совпадало с плоскостью оптических осей вогнутого 1 и выпуклого 2 зеркал. Разряд реализуется в направлении, перпендикулярном этой плоскости.

Двухпроходный неустойчивый телескопический резонатор в лазере работает следующим образом.

Генерируемое излучение, распространяющееся от вогнутого зеркала 1 в направлении выпуклого зеркала 2, представляет собой параллельный пучок. При отражении от уголкового отражателя 3 происходит "переворачивание" сечения пучка излучения и пучок вновь направляется в активную среду параллельно направлению прихода на уголковый отражатель 3, но без перекрытия пучков. После отражения от выпуклого зеркала 2 распространяется расходящийся пучок, уголковым отражателем 3 сечение пучка вновь переворачивается и пучок направляется в вогнутому зеркалу 1. После отражения от него пучок излучения становится вновь параллельным, что обеспечивает обратную связь в лазере. Часть излучения, приходящая мимо выпуклого зеркала представляет собой долю полезных потерь резонатора, являющихся выходным излучением лазера.

Компенсация аберраций нечетного порядка, а, следовательно, уменьшение расходимости излучения обеспечивается оптической схемой резонатора.

Так как переворачивание сечения пучка происходит относительно оси симметрии трехгранного уголкового отражателя, то будут частично компенсироваться все аберрации нечетного порядка.

Анализ прохождения основной расходящейся волны по оптической линии, эквивалентной предлагаемому резонатору (см. фиг.2), для случая, когда неоднородности распределены равномерно по всей длине резонатора и показатель преломления активной среды n может быть представлен в виде

где х - поперечная координата, позволяет получить основные зависимости, иллюстрирующие частичную компенсацию аберраций нечетных порядков,

n₀ - показатель преломления активной среды на оптической оси.

Длина оптического пути по оси на участке длиной L

где L - длина активной среды.

АВСДЕFGH - внеосевой луч, заканчивающийся в точке А с поперечной координатой (-x), тогда

точки А и В имеют координату (-x),

точки С Д Е имеют координату (x),

точка

точка

точка

где М - увеличение резонатора.

Длина оптического пути между точками А и В с учетом знака координаты:

Разность оптических длин путей на этом участке:

Длина участка СД:

Длина участка EF:

Для участка GH:

Суммарная разность хода внеосевого и осевого луча: на одном полном обходе резонатора:

Суммарная разность хода внеосевых и осевых лучей за все обходы резонатора будет:

Заменив в последней формуле

получаем окончательное выражение для суммарной разности хода за все обходы резонатора:

где

α_k - аберрационные коэффициенты, их величины показывают, во сколько раз данный тип неоднородности проявляется сильнее в неустойчивом резонаторе, чем в одноходовых усилителях.

Анализ выражений для α_k показывает, что при нечетных значениях K в прямом ходе, то есть когда генерируемое излучение представляет собой параллельный пучок, нечетные аберрации компенсируются полностью, а в наклонном пучке лишь частично, (компенсацию аберраций нечетного порядка в накленном пучке характеризуют первые два слагаемых в выражении (11)).

Таким образом, за полный обход резонатора аберрации нечетных порядков частично компенсируются. Причиной этого является "перевертывание" пучка трехгранным уголковым отражателем относительно оси симметрии этого отражателя, в результате чего каждый внеосевой луч проходит попеременно зоны то с большим, то с меньшим показателем преломления.

К преимуществам этого резонатора следует отнести также и то, что кроме компенсации волновых аберраций нечетного порядка будет компенсироваться, и довольно часто, имеющая место в электроионизационных лазерах клиновидность распределения коэффициента усиления в активной среде в направлении анод-катод.

Таким образом, использование двухпроходного неустойчивого телескопического резонатора в лазере обеспечивает уменьшение расходимости излучения и выравнивание распределения интенсивности по сечению выходного излучения лазера.

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано в мощных газовых лазерах. Сущность: резонатор содержит выпуклое и вогнутое зеркала, отражающие поверхности которых обращены в одну сторону, и оптический элемент связи. Оптические оси зеркал, проходящие через их центры, параллельны между собой. При этом оптический элемент связи выполнен в виде трехгранного уголкового отражателя, установленного отражающими поверхностями в сторону отражающих поверхностей выпуклого и вогнутого зеркал. Ось симметрии уголкового отражателя расположена в плоскости оптических осей выпуклого и вогнутого зеркал и равноудалена от каждой из них, а его ребра выполнены вне этой плоскости. Кроме того, плоскость проходящая через одно из ребер и ось симметрии уголкового отражателя перпендикулярна плоскости оптических осей выпуклого и вогнутого зеркал. Технический результат: уменьшение расходимости излучения за счет компенсации аберрации нечетного порядка. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Двухпроходный неустойчивый телескопический резонатор лазера, содержащий выпуклое и вогнутое зеркала, отражающие поверхности которых обращены в одну сторону, и оптические оси зеркал, проходящие через их центры, параллельны между собой, и оптический элемент связи, отличающийся тем, что, с целью уменьшения расходимости излучения за счет компенсации аберраций нечетного порядка, оптический элемент связи выполнен в виде трехгранного уголкового отражателя, установленного отражающими поверхностями в сторону отражающих поверхностей выпуклого и вогнутого зеркал, ось симметрии которого расположена в плоскости оптических осей выпуклого и вогнутого зеркал и равноудалена от каждой из них, причем ребра уголкового отражателя выполнены вне этой плоскости.2. Двухпроходный неустойчивый телескопический резонатор лазера по п.1, отличающийся тем, что плоскость, проходящая через одно из ребер и ось симметрии уголкового отражателя, перпендикулярна плоскости оптических осей выпуклого и вогнутого зеркал.