Многолучевой лазер

 

Сущность изобретения: в лазере узел связи выполнен в виде устройства ввода-вывода поверхностных электромагнитных волн, пространственно ограниченные структуры которого размещены по оптическим осям секций активного элемента. Узел связи может быть выполнен в виде зеркала связи с линейными дифракционными структурами. 4 з. п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к лазерной технике, в частности, к многоканальным лазерным системам и может использоваться при создании технологических лазеров. Целью изобретения является повышение мощности генерации лазера. В качестве устройств ввода-вывода ПЭВ могут быть взяты элементы с использованием геометрии нарушенного полного внутреннего отражения (например, Отто, Кретчмана) или диафрагменного метода возбуждения ПЭВ. Дифракционно-решеточная структура для ввода-вывода ПЭВ может быть выполнена непосредственно на внутренней поверхности глухого металлического зеркала общего резонатора лазера. При этом зеркало является одновременно и отражающим и осуществляющим функцию оптической связи секций активного элемента. Дифракционно-решеточная структура может быть размещена на наружной поверхности глухого частично-прозрачного зеркала общего резонатора, выполненной в виде слоистой металло-диэлектрической структуры с использованием оптически тонкого слоя металла для увеличения длины распространения ПЭВ. На фиг.1 приведено схематическое изображение предложенного устройства с нормальным расположением зеркала связи, использованного при создании многолучевого волноводного СО₂-лазера (на примере конкретного выполнения) и содержащего секции 1 активного элемента, оптические оси О-О' которых параллельны друг другу, выходное 2 и частично-прозрачное глухое 3 зеркала резонатора, установленное за глухим зеркалом резонатора зеркало 4 связи, с нанесенными на нем пространственно-ограниченными дифракционными структурами 5, размещенными по оптическим осям О-О' секций активного элемента и служащими для ввода-вывода ПЭВ. На фиг. 2 представлена принципиальная схема лазера с дополнительным глухим зеркалом, где зеркало 4 связи расположено под углом 0^о< Θ <90<SUP>о На фиг. 3 изображена схема расположения дифракционных структур при линейной а и объемной б компановках секций активного элемента лазера. В случае линейного расположения секций активного элемента (фиг.3а), пространственно-ограниченные дифракционные структуры выполняются в виде параллельных линейных решеток, направление векторов g_i которых совпадает с прямой 7-7', вдоль которой расположены структуры. При этом максимальная эффективность связи будет достигаться при Е_i g_i, где Е_i вектор электрического поля излучения 1-й секции активного элемента, т.е. при использовании р-поляризованного излучения. При объемной компановке секций активного элемента лазера центры областей дифракционных структур располагаются (см. фиг.3б) на пересечении двух групп взаимно-параллельных прямых (8-8' и 9-9'), образующих между собой острый угол α= 2arcsin(sin Θ /Reη, а направление векторов g_i решеток дифракционных структур выбирается параллельным биссектрисе острого угла α. Для возбуждения ПЭВ в данном случае используется s-поляризованное излучение. Идеей изобретения является следующее. Для того, чтобы практически устранить зависимость фазовой синхронизации секций активного элемента от расстояния между глухим зеркалом резонатора и зеркалом связи и, чтобы особенно важно, от коэффициента отражения глухого зеркала для геометрического смещения падающего и отраженного лучей, с целью оптической завязки секций активного элемента, используется промежуточное преобразование излучения в ПЭВ и обратно. Для этого на поверхности металлического зеркала, на границе раздела которого с воздухом возможно распространение ПЭВ, в геометрических областях падения света от секций активного элемента выполнены ограниченные дифракционно-решеточные структуры. В зависимости от положения элементов связи и компановки секций активного элемента период наносимой решетки выбирается из условий: dλ /Re η при размещении зеркала связи по нормали к оптической оси и линейном расположении секций активного элемента; d= λ /(Re η +sin Θ ) при размещении зеркала связи под углом Θ к оптической оси и линейном расположении секций активного элемента; d= λ /(Re² η-sin² Θ)^1/2 при размещении зеркала связи под углом Θ к оптической оси и объемной компановке секций активного элемента. Здесь λ длина волны генерации лазера; Re η действительная часть комплексного показателя преломления границы раздела для ПЭВ. Выполнение узла связи в виде устройства ввода-вывода ПЭВ позволяет снять "пороговое" ограничение назначение коэффициента отражения глухого зеркала резонатора (R_n ≅ 0,48 в примере конкретного выполнения устройства-прототипа) и, используя глухое зеркало с коэффициентом отражения близким к максимальному, существенно повысить мощность генерации лазера. Устройство работает следующим образом. В секциях 1 активного элемента, наполненных газовой смесью СО₂:N₂:He:Xe и герметизированных окнами, установленными под углом Брюстера, возбуждается емкостный разряд и создается инверсная населенность. За счет когерентного усиления в результате индуцированных квантовых переходов в каждой секции активного элемента возникает когерентное линейно-поляризованное излучение. При этом часть излучения через глухое, частично прозрачное зеркало 3 попадает на дифракционные решетки 5 и на металлическом зеркале 4 связи генерируется ПЭВ. Поскольку дифракционные решетки, служащие для ввода и вывода излучения (соответственно, преобразования лазерного излучения в ПЭВ и обратно), выполнены с периодом d=λ /Re η обеспечивающим резонансный угол ввода и вывода ПЭВ равным нулю, то между секциями активного элемента происходит взаимный обмен излучением. Доля излучения, попадающего из одной секции в соседнюю через зеркало 4 связи, составляет единицы процентов, что достаточно для установления во всех секциях активного элемента общего типа колебаний, т.е. режима работы многолучевого лазера как одного пространственно когерентного источника. В случае нормального расположения зеркала 4 связи на пути р-поляризованного пучка на резонансной решетке возбуждаются две противоположные по направлению распространения ПЭВ, и осуществляется более однородная (по всем секциям активного элемента) оптическая связь. Если использовать зеркало 4 связи, установленное под углом Θ к оси резонатора с периодом дифракционно-решеточной структуры равным d= λ (Re η -sin Θ ), то ПЭВ будет распространяться лишь в одном направлении. Две ПЭВ, распространяющиеся в противоположных направлениях и обеспечивающие при этом эффективную оптическую связь, можно получить, устанавливая на пути р-поляризованного пучка, отраженного от зеркала 4, по нормали к нему дополнительное глухое зеркало 6. Отраженный от зеркала 6 пучок будет на зеркале 4 связи возбуждать ПЭВ, распространяющуюся в противоположном направлении. Если использовать зеркало 4 связи, установленное под углом Θ к оси резонатор с дифракционно-решеточными элементами, выполненными по схеме фиг.3б с периодом d= λ (Re² η -sin Θ)^1/2, можно обеспечить оптическую связь секций активного элемента, центры поперечных сечений которых не расположены на одной прямой (вариант объемной компановки); при этом для возбуждения ПЭВ, распространяющихся под некоторым углом друг относительно друга, следует использовать s-поляризованное излучение. В данном варианте также необходимо дополнительное зеркало 6 для получения ПЭВ, распространяющихся в противоположных направлениях. В иных случаях неодномерной компановки секций в поперечном сечении можно использовать дифракционные элементы в виде ограниченных кольцевых структур, либо в виде пространственно наложенных дифракционно-решеточных структур различной ориентации и периодов, зависящих от видов компановки. Величина оптической связи между секциями активного элемент в рассмотренных случаях может регулироваться следующими путями: изменением поляризации излучения (можно для каждой секции в отдельности) относительно вектора решетки дифракционной структуры; глубиной штриха решетки; изменением глубины штриха решетки вдоль поверхности зеркала; варьированием коэффициента пропускания зеркала резонатора. Экспериментальные исследования проводились на многолучевом СО₂-лазере с высококочастотной накачкой. Активный элемент состоял из пяти керамических секций с диаметром волновода 2 мм, длиной 400 мм и окном Брюстера из ZnSe. Секции располагались линейно с шагом ≈ 10 мм и были установлены в общем резонаторе с зеркалами в виде плоскопараллельных пластин из ZnSe с диэлектрическими покрытиями и коэффициентами отражения 90% и 97,5% соответственно. В качестве рабочей среды использовались газовая смесь СО₂:N₂:He:Xe в соотношении 1: 1: 5:33. Распределение интенсивности поля регистрировалось путем сканирования луча по фотоприемникам с помощью вращающегося зеркала. Качественно структура излучения в дальней зоне наблюдалась по прожиганию эмульсии фотопленки, расположенной в фокальной плоскости линзы. Были реализованы независимый и когерентный режимы работы лазера. При независимой работе секций активного элемента наблюдалось простое "арифметическое" сложение интенсивностей всех секций, а излучение лазера представляло собой набор некогерентных между собой лазерных пучков. Установка непосредственно за глухим зеркалом резонатора дополнительного зеркала связи, представляющего собой пленку золота толщиной 0,15 мкм на полированной подложке из суперинвара с нанесенными соосно секциям активного элемента идентичными дифракционными решетками с периодом d=10,58 мкм и глубиной штриха рельефа ≈0,08 мкм, обеспечила когерентную работу всех пяти секций волноводного лазера при уровне выходной мощности ≈32 Вт. Когерентный режим работы всех секций активного элемента подтверждался наличием интерференционной картины излучения в дальней зоне (фокальном пятне излучения). Благодаря выполнению дополнительного зеркала связи в виде пространственно ограниченных дифракционных структур с выбранным периодом и размещению его вне резонатора (за глухим частично прозрачным зеркалом) возможна независимая от требований фазировки оптимизация резонатора из условия получения максимальной мощности генерации. При этом обеспечивается надежная фазовая синхронизация большого числа волноводных секций активной среды практически без увеличения габаритов многолучевого лазера, а для стабилизации частоты лазера могут быть использованы известные простейшие системы автоматической подстройки частоты.

Формула изобретения

1. МНОГОЛУЧЕВОЙ ЛАЗЕР, включающий размещенные между зеркалами резонатора секции активного элемента, оптические оси которых параллельны друг другу и узел связи, отличающийся тем, что, с целью повышения мощности генерации, узел связи выполнен в виде устройства ввода-вывода поверхностных электромагнитных волн, пространственно-ограниченные структуры которого размещены по оптическим осям секций активного элемента. 2. Лазер по п.1, отличающийся тем, что, с целью уменьшения габаритов, узел связи выполнен в виде зеркала связи, установленного по нормали к оптическим осям секций активного элемента, с линейными дифракционными структурами для ввода-вывода поверхностных электромагнитных волн с периодом d = λ/Reη, где λ - длина волны генерации лазера; Reη - действительная часть комплексного показателя преломления границы раздела для поверхностной электромагнитной волны, при этом направление векторов решеток дифракционных структур совпадает с прямой, вдоль которой расположены структуры. 3. Лазер по п.1, отличающийся тем, что с целью повышения технологичности изготовления, узел связи выполнен в виде зеркала связи, установленного под углом q к оптическим осям секций активного элемента, выбранным из условия Θ < 90°, и дополнительного глухого зеркала, оптически связанного с зеркалом связи, при этом зеркало связи выполнено в виде дифракционных структур для ввода-вывода поверхностных электромагнитных волн, а угол между нормалями к зеркалу связи и дополнительному глухому зеркалу равен Θ.
4. Лазер по пп.1, 3, отличающийся тем, что зеркало связи выполнено в виде линейных дифракционных структур с периодом
d = λ/Reη+sinΘ,
где λ - длина волны генерации лазера;
Reη - действительная часть комплексного показателя преломления границы раздела для поверхностных электромагнитных волн,
при этом направление векторов решеток дифракционных структур совпадает с прямой, вдоль которой расположены структуры. 5. Лазер по пп.1, 3, отличающийся тем, что центры областей дифракционных структур расположены на пересечении двух групп взаимопараллельных прямых, острый угол между которыми равен
a = arcsin(sinΘ/Reη),
период дифракционных структур равен

где λ - длина волны генерации лазера;
Reη - действительная часть комплексного показателя преломления границы раздела для поверхностных электромагнитных волн,
а направление векторов решеток дифракционных структур совпадает с биссектрисой острого угла между пересекающимися прямыми.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Номер и год публикации бюллетеня: 10-2002

Извещение опубликовано: 10.04.2002        

---