Лазер

 

Использование: в лазерной технике, в твердотельных импульсных лазерах, а также в технологическом оборудовании, системах связи, научных исследованиях и других областях. Сущность: лазер содержит активный элемент с диаметром D и плоские зеркала глухое и выходное, дополнительное сферическое вогнутое зеркало с зеркальным участком диаметром d в центре зеркала , расположенное на расстоянии R/2 от выходного зеркала, в котором выполнено центральное отверстие диаметром d1. При условии D di d2 и соотношениях, связывающих конструктивные размеры с фокусным расстоянием эквивалентной термической линзы активного элемента, реализуются генерация и двухпроходовоеусиление излучения при минимальной его расходимости. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 Н 01 $3/08

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4856517/25 (22) 01.08,90 (46) 23.10.92. Бюл. N 39 (71) Научно-исследовательский институт

"Полюс" (72) Г,М.Кузнецов (56) Бирнабаум Дж. Оптические квантовые генераторы.— M.: Сов. радио, 1967, с. 167.

Авторское свидетельство

¹ 11448899552299,, кКл, Н 01 S 3/05, 1988. (54) ЛАЗЕР (57) Использование: в лазерной технике, в твердотельных импульсных лазерах, а также в технологическом оборудовании, системах связи, научных исследованиях и других

Изобретение относится к области лазерной техники, точнее, к твердотельным импульсным лазерам и может быть использовано в технологическом оборудовании, системах связи, научных исследованиях и других областях.

Известны лазеры, содержащие устойчивый оптический резонатор из двух зеркал и размещенный между ними активный элемент.

Недостатком подобных простейших систем является ограниченная яркость излучения, связанная либо с широким угловым спектром многомодовой генерации, либо с малым объемом использования активной среды в случае селекции поперечных мод.

Увеличению яркости способствует использование части объема активного элемента для выделения пучка света, близкого к одномодовому, а затем усиление его после

». Ж,, 1771026 А1 областях. Сущность: лазер содержит активный элемент с диаметром 0 и плоские зеркала глухое и выходное, дополнительное сферическое вогнутое зеркало с зеркальным участком диаметром d в центре зеркала, расположенное на расстоянии R/2 от выходного зеркала, в котором выполнено центральное отверстие диаметром d1. При условии 0 d1 > d и соотношениях, связывающих конструктивные размеры с фокусным расстоянием эквивалентной термической линзы активного элемента, реализуются генерация и двухпроходовое усиление излучения при минимальной его расходимости. 1 ил. расширения в остальной части того же активного элемента.

Однако КПД такого лазера и энергетика его выходного излучения относительно малы в связи с потерями на используемых оптических элементах, малой эффективностью однопроходового усилителя, сложностью юстировки.

Целью изобретения является увеличение КПД и энергетической яркости излучения.

- Указанная цель достигается тем, что лазер, включающий активный элемент диаметром О и устойчивый оптический резонатор в виде плоскихд глухого и выходного зеркал, снабжен сферическим вогнутым глухим зеркалом, выполненным на прозрачной, просветленной с обеих сторон выпукло-вогнутой подложке с радиусом кривизны R рабочих поверхностей и зеркаль1771026 . ным покрытием на центральном участке ди- аметром d, удовлетворяющим условию б.<

О, выходное зеркало выполнено на плоскопараллельной прозрачной и просветленной с обеих сторон подложке с центральным отверстием диаметром di, удовлетворяющим условию 01 < d, и, соосным с отверстием, полупрозрачным зеркальным покрытием диаметром d, при этом сферическое зеркало расположено по направлению выходного излучения из резонатора íà расстоянии, от его выходного зеркала и последнее расположено от ближайшей к нему главной плоскости термической линзы активного элемента с фокусным расстоянием

DR

fT на расстоянии ll = fT — —, э глухое зеркало резонатора лазера расположено от другой главной плоскости термической линзы активного элемента на расстоянии Iz = f

dfT D R — — при соблюдении условий fT «

RD о

21т Dd1>d.

Схема предлагаемого устройства представлена на чертеже.

Лазер содержит активный элемент.1, выходное зеркало резонатора 2, глухое зер.кало резонатора 3, сферическое зеркало 4.

Кроме этого, дополнительно указаны: зеркальная область 5 сферического зеркала, полупрозрачная область 6 выходного зеркала резонатора того же диаметра и отверстие

7 диаметром d< е этом зеркале.

Лазер работает следующим образом.

При создании инверсной населенности в активном элементе 1 задающий генератор лазера, оптический резонатор которого включает глухое 3 и выходное 2 плоские зеркала, излучает когерентный световой пучок, поперечное сечение которого представляет собой кольцо с внешним и. внутренним диаметрами б и d>. Периферийная (наиболее обширная) область активного элемента не принимает участия в генерации, т.к. вся рабочая поверхность зеркала 2 вне эоны 7 просветлена, поэтому добротность этой части. значительно ниже приосевой зоны диаметром d, Выходное излучение генератора с малой расходимостью, присущей резонатору с плоскими зеркалами, попадает на зеркальную область 5 сферического вогнутого зеркала 4, радиус кривизны которого равен R. Расположение этого элемента на расстоянии — от зеркала 2 обеспечивает

2 фокусировку отраженного излучения с перетяжкой в отверстии 7, диаметр d> которого должен быть, очевидно. больше размера этой перетяжки (ц). Зв зеркалом 2 происАй ходит.расфокусировка светового пучка, который проходит дважды активный элемент, постепенно заполняя всю его апертуру. На выходе излучение с кольцеобразной структурой поля (внешний и внутренний диаметры равны, соответственно, 0 и d) проходит через просветленные части подложек зеркал.2.и 4. При этом волновой фронт этого светового пучка остается неизменным, т.к.

10 подложки указанных элементов выполнены с нейтральным мениском (одна из них плоскопараллельная, другая — выпукло-вогнутая с одинаковыми радиусами кривизны поверхностей). Выбор расстояний И и 4 от

15 главных плоскостей эквивалентной термической линзы активного элемента до, соответственно, выходного и глухого зеркал резонатора определяется необходимостью компенсации этой термической линзы с

20 целью формирования пучкз с минимальной расходимостью.

Для нахождения величины I1 и 12 можно воспользоваться матричным преобразованием световых пучков. Оптическая матрица

25 передачи от.плоскости выходного зеркала 2 через активный, элемент 1 с термической линзой f, зеркало 3 и снова активный элемент 1 к главной плоскости его линзы описывается следующим образом:

- -1 01 - 1 O1

1 — — I> +2lz ——

212 1 2

fg fò

35 2 2lg I> Ii 2 ()

-+ — — — +(1 — — )(1 - — ) тт f2 тт тт ти

Условие компенсации сферической составляющей расходимости излучения, выходя40 щего из активного элемента с внешним диаметром D определяется s геометрическом приближении из уравнений:

"Я-И "

45 где a = . Как показывает практика. указанное приближение в данном случае вполне оправдано и не приводит к сколь-нибудь существенным ошибкам. Подставляя элементы матрицы M в уравнения (2) и решая

50 их, получим

11-,—,1з-,— —,. (3)

R0 d

2d R0

Условия, I> > 0 и 1з > 0 дают дополнительно область возможных значений параметров R, d,0:

ft«d < 2, DR . (4) при которых возможна компенсация термической линзы активного элемента. Кроме

1771.026 этого, во избежание возможного понижения nopora сзмовоэбуждения лазере при высоком коэффициенте усиления, необходимо, чтобы лучи, возвращающиеся от зеркала 4 к отверстию 7 под углами, большими ат = (угловой размер этого отверстия), гбт

R не попадали после двойного прохода активного элемента на зеркальную область 6 диаметром d. Используя матричную оптику, можно вывести выражение, .соответствую-. щее указанному условию," (11(1 — — )(1 — — ) — +1т -212- — т — )х

1т 212 I) 21тb тт тт тт т

„2 т, (5)

Подставляя в уравнение (5) значения I> и 4 из уравнений (3), получим простое неравенство: Dd» б .

Предлагаемый лазер может быть использован как в режиме свободной генерации, так и в режиме модулированной добротности, В последнем случае между активным элементом 1 и глухим зеркалом 3 необходимо поместить оптический затвор

{например, электрооптический или фототропный) с диаметром апертуры, не меньшим О. Затвор здесь работает не только по указанному назначению, но и в качестве оптической развязки, служащей для подавления самовозбуждения усилительного тракта.

Необходимо отметить также и то, что поскольку.в лазере генерация и двухпроходовое усиление происходит на одной и той же поляризации излучения, удобно использовать в качестве активного элемента эффективные зниэотропные кристаллы; например, ортоалюминат иттрия, коэффициент усиления которого. существенно зависит от поляризации проходящего через него излучения.

В качестве примера можно привести конструктивные параметры твердотельного импульсного лазера на АИ: Nd . удовлетворяющего перечисленным существенным признакам. Для активного элемента АИ: Nd 10 100 мм (Р - 10 мм), диаметра зеркальной части зеркал 2 и 4 д - 3 мм, диаметра отверстия 7 d1 1 мм и радиуса сферического зеркала R - 300 мм имеем: а = - 0,02 рад (1,15 ), — - 100 см. От2d R0

Р . d сюда следует, что условие (4) выполняется

5 для средней мощности накачки, соответствующей установлению термических линз активного элемента с фокусами в диапазоне бт

50 — 100 см. При этом длины плечей резонатора меняются: I> — от 0 до 50 см, Ь вЂ” от 50

t0 см до О, э общая длина резонатора лазера от зеркала 4 до зеркала 3 в диапазоне 45-70 см, Кэк нетрудно видеть, условие (6) при подстановке в него указанных выше значений также выполняется, 15 Формула изобретения

Лазер, включающий активный элемент диаметром 0 и устойчивый оптический резонатор в виде плоских глухого и выходного зеркал; отличающийся тем, что, с целью

20 увеличения КПД и энергетической яркости излучения,,он снабжен сферическим вогнутым глухим зеркалом, выполненным на прозрачной просветленной с обеих сторон выпукло-вогнутой подложке с радиусом кри25 виэны R рабочих поверхностей и зеркальным покрытием на центральном участке диаметром б, удовлетворяющим условию d

< Р, выходное зеркало выполнено на плоскопараллельной прозрачной и просветлен30 ной собеих сторон подложке сцентральным отверстием диаметром d>, удовлетворяющим условию бт < d, и соосным с отверстием полупрозрачным зеркальным покрытием диаметром d, при этом сферическое зеркало

35 расположено по направлению выходного излучения из резонатора нэ расстоянии R/2 от его выходного зеркала, последнее распо ложено от ближайшей к нему главной плоскости термической линзы активного

40 элемента с фокусным расстоянием f> на расО В стоянии I> - f> — —, з глухое зеркало

2d резонатора лазера расположено от другой главной плоскости термиче45 ской линзы активного элемента на рассто1З янии Ig fg — — при соблюдении условий

R -0

2f>,Об1 б.

1771026

Составитель Г. Кузнецов

Техред М.Моргентал Корректор д, мотыль

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 3275 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5