лазер

Формула изобретения

Лазер, содержащий резонатор, образованный двумя зеркалами, расположенные между ними два активных элемента с наведенной положительной линзовостью, причем ее фокусное расстояние не превышает длину резонатора, и диафрагму, размер которой не превышает размера сечения активной среды, отличающийся тем, что элементы резонатора расположены на таких расстояниях друг от друга, что образуют неустойчивый резонатор, диафрагма расположена между активным элементом и зеркалом, наклонена к оси резонатора, выполнена в виде выводного зеркала, причем размер диафрагмы удовлетворяет условию:

a > k(l₁+l₂)/d_o,

где к 7 эмпирический коэффициент;

- длина волны излучения лазера;

l₁ расстояние между диафрагмой и ближайшим зеркалом;

l₂ расстояние между диафрагмой и ближайшим активным элементом;

d₀ размер сечения ближайшего к диафрагме активного элемента.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть применено при разработке лазеров с малой угловой расходимостью излучения и высокой средней мощностью.

Известен лазер с неустойчивым резонатором отрицательной ветви [1] обеспечивающий малую угловую расходимость излучения вследствие низкой чувствительности к внутрирезонаторным аберрациям. Недостатками лазера являются неравномерное распределение излучения по активной среде, наличие фокусировки в среде, ухудшение параметров выходного излучения при использовании активных сред с сильной наведенной линзовостью, фокусное расстояние которой не превышает длину резонатора.

Известен лазер с кольцевым неустойчивым резонатором [2] включающим наклоненное к оси резонатора выводное зеркало с центральным отверстием, размер которого не превышает размера сечения активной среды. Лазер формирует выходной пучок с малой расходимостью, поскольку наружный размер пучка на выходе в М раз (где М увеличение резонатора) превышает размер сечения активной среды. Недостатками лазера являются обусловленные кольцевой схемой построения резонатора необходимость развязки встречных пучков излучения и большое количество элементов резонатора, а также увеличение расходимости выходного излучения при сильной наведенной линзовости в активной среде.

Известен лазер с самофильтрующим неустойчивым резонатором [3] включающий два зеркала и наклоненную к оси резонатора диафрагму, размер которой не превышает размера сечения активной среды, выполненную в виде выводного зеркала. В случае однородной активной среды или активной среды со слабой наведенной линзовостью лазер обеспечивает малую расходимость выходного излучения и достаточно высокую энергетическую эффективность. Недостатками лазера являются неравномерное распределение по активной среде и резкое ухудшение параметров выходного излучения при использовании неоднородных активных сред с сильной наведенной линзовостью из-за увеличения пассивных потерь в резонаторе в процессе угловой фильтрации излучения.

Известен лазер [4] содержащий один активный элемент с сильной наведенной линзовостью, фокусное расстояние которой не превышает длину резонатора, и неустойчивый резонатор. Достоинствами лазера являются малая угловая расходимость выходного излучения и высокая энергетическая эффективность. Однако, недостатком данного лазера является невысокий уровень выходной мощности излучения, определяемый применением в лазере лишь одного активного элемента.

Известен лазер ЛТН-103 [5] содержащий два активных элемента с сильной наведенной линзовостью, фокусное расстояние которой не превышает длину резонатора, и диафрагму, размер которой не превышает размера сечения активной среды, расположенные в резонаторе, образованном двумя зеркалами. Лазер обеспечивает малую угловую расходимость излучения вследствие одномодового режима генерации в устойчивом резонаторе.

Недостатком лазера является низкая энергетическая эффективность, обусловленная большими потерями на диафрагме при селекции низшей поперечной моды и плохим заполнением активной среды излучением низшей моды.

Техническая задача изобретения увеличение выходной мощности лазера при обеспечении малой угловой расходимости излучения.

Поставленная цель достигается использованием в изобретении двух активных элементов с наведенной линзовостью в качестве оптических элементов неустойчивого резонатора, причем фокусное расстояние наведенной линзовости не превышает длину резонатора; расположением диафрагмы между активным элементом и зеркалом, наклоном ее к оси резонатора, использованием диафрагмы в качестве выводного зеркала и расположением элементов резонатора на таких расстояниях друг от друга, что элементы образуют в совокупности неустойчивый резонатор, причем размер диафрагмы a удовлетворяет условию

d_o> a > K(l₁+l₂)/d_o,

где длина волны излучения лазера,

k эмпирический коэффициент,

l₁ расстояние между диафрагмой и ближайшим зеркалом,

l₂ расстояние между диафрагмой и ближайшим активным элементом,

d₀ размер сечения ближайшего к диафрагме активного элемента.

В известных технических решениях [1] [2] и [3] отличающихся наличием выводного зеркала и неустойчивой конфигурацией резонатора, обеспечивается высокая энергетическая эффективность и малая угловая расходимость только при использовании активной среды, не обладающей в процессе генерации линзовостью с фокусным расстоянием, меньшим длины резонатора.

В лазере, описанном в [4] выходная мощность невелика из-за невозможности использования более одного активного элемента. Непосредственная установка в оптическую схему лазера друг за другом двух активных элементов приводит к искажению требуемой неустойчивой конфигурации резонатора и, как следствие, к ухудшению угловой расходимости, к фокусировке излучения в активной среде и к падению энергетической эффективности лазера из-за неоптимальной засветки активной среды.

Предлагаемое техническое решение обладает существенным отличием от прототипа, описанного в [5] где выходная мощность невелика из-за больших потерь на диафрагме, используемой для селекции низшей поперечной моды, и плохого заполнения активной среды излучением низшей моды в устойчивом резонаторе. Увеличение диаметра селектирующей диафрагмы в устойчивом резонаторе приводит к увеличению выходной мощности, но одновременно резко возрастает угловая расходимость выходного излучения вследствие выхода в генерацию более высоких мод.

На фиг.1 показана оптическая схема лазера; на фиг.2 оптическая схема лазера с плоскими зеркалами и ход краевого луча; на фиг. 3 -оптическая схема телескопического неустойчивого резонатора с ходом краевого луча.

На фиг. 1 приведена оптическая схема предложенного лазера, включающего активные элементы 1, 2 с сильными наведенными фокусирующими линзами с фокусными расстояниями, не превышающими длину резонатора, зеркала резонатора 3, 4 и наклоненное к оси резонатора выводное зеркало 5 с центральным отверстием. Все элементы расположены таким образом, что образуют линейный неустойчивый резонатор.

Лазер работает следующим образом.

Часть светового пучка, падающего со стороны зеркала 3 на выводное зеркало 5, отражается от последнего и выводится из резонатора, поскольку выводное зеркало наклонено к оси резонатора. Прошедший через отверстие в зеркале 5 пучок усиливается и фокусируется активными элементами 1, 2, отражается от зеркала 4 и снова проходит через элементы 1,2 в обратном направлении. Затем пучок через отверстие в зеркале 5 распространяется к зеркалу 3, отражается от него и вновь падает на зеркало 5. После этого цикл обхода излучения по резонатору повторяется. Элементы лазера расположены на таких расстояниях друг от друга, что образуют в совокупности неустойчивый резонатор с необходимым увеличением М. Поперечный размер выходного пучка, падающего на выводное зеркало 5, в раз больше отверстия в выводном зеркале, причем это увеличение формируется при проходе излучения на участке резонатора от отверстия в зеркале 5 до зеркала 3 и обратно. Зеркало 5 с отверстием, размер которого не превышает поперечного размера активного элемента 1 и удовлетворяет условию:

a > K(l₁+l₂)/d_o,

где длина волны излучения лазера,

k эмпирический коэффициент,

l₁ расстояние между диафрагмой 5 и зеркалом 3,

l₂ расстояние между диафрагмой 5 и активным элементом 1,

d₀ размер сечения активного элемента 1,

является апертурной диафрагмой на участке резонатора от зеркала 5 до зеркала 4. При этом прошедший через отверстие пучок, распространяющийся в сторону зеркала 4 и обратно, оптимально заполняет объем активных элементов 1, 2.

Если размер отверстия в зеркале 5 превышает поперечный размер активного элемента 1, то возникают дополнительные потери излучения на оправе активного элемента 1, приводящие к снижению выходной мощности лазера.

Если размер отверстия в зеркале 5 не удовлетворяет условию a > K(l₁+l₂)/d_o, то возникают дополнительные потери излучения на диафрагме при распространении сходящегося пучка от активного элемента 1 к зеркалу 5, также приводящие к снижению выходной мощности лазера. Выражение, стоящее в правой части условия для a определяет минимальный размер сечения сходящегося пучка, распространяющегося от активного элемента 1 в сторону зеркала 5. Этот размер обратно пропорционален размеру сечения активного элемента 1 d₀ и прямо пропорционален длине волны излучения и расстоянию l между плоскостью наилучшей фокусировки и активным элементом. (Плоскость наилучшей фокусировки в данном лазере расположена между зеркалами 3 и 5. Наибольшее возможное расстояние от плоскости наилучшей фокусировки до активного элемента 1 равно l l₁+l₂. ). Кроме этих параметров на размер сечения пучка в перетяжке влияет исходное оптическое качество активных элементов 1 и 2, аберрации линз, наведенных накачкой в активных элементах 1 и 2 и чувствительность резонатора к внутрирезонаторным аберрациям. Влияние этих факторов выражается эмпирическим коэффициентом K, значение которого по результатам экспериментов оказалось равным K=7.

Выходная мощность лазера увеличивается из-за эффективного заполнения активной среды излучения основной моды и отсутствия дополнительных пассивных потерь в резонаторе.

Малая угловая расходимость выходного излучения обеспечивается работой лазера на основной поперечной моде, низкой чувствительностью неустойчивого резонатора к внутрирезонаторным аберрациям, а также увеличением поперечного размера выходного пучка в раз по отношению к поперечному размеру активного элемента.

На фиг.2 показан ход краевого луча в конкретном резонаторе, образованном линзами 1 и 2, наведенными в активных элементах лазера, плоскими полностью отражающими зеркалами 3 и 4 и вогнутым сферическим выводным зеркалом 5. В данной схеме расстояние l₂=f₁, a l₄=f₂, радиус кривизны сферического выводного зеркала выбирается из условия обеспечения необходимой кривизны фронта выходного излучения лазера.

Необходимое увеличение М резонатора реализуется, если расстояние между главными плоскостями линз 1 и 2 l₃ равно:

l₃= f₁+f₂-f²₁(M-1)²/4Ml_i,

где f₁, f₂ фокусное расстояния наведенных линз в активных элементах 1 и 2 соответственно;

l₁ расстояние между зеркалом 3 и выводным зеркалом 5.

На фиг. 3 показан ход краевого луча в одном из конкретных вариантов реализации лазера, включающем активные элементы 1 и 2, сферические зеркала 3 и 4 и частично пропускающее выводное зеркало 5. Расстояние между активным элементом 1 и зеркалом 3 равно f₁+f₃, между элементами 1 и 2 - f₂+f₁, и между элементом 2 и зеркалом 4 f₂+f₄, где f₁, f₂, f₃ и f₄ фокусные расстояния элементов 1,2 и зеркал 3,4 соответственно. Расстояние между выводным зеркалом 5 и зеркалом 3 не превышает 2f₃. Увеличение резонатора M -f₄/f₃, и образуемый неустойчивый резонатор является телескопическим.