Неустойчивый многопроходный резонатор сверхзвукового химического кислород-йодного лазера

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано при создании сверхзвуковых химических кислород-йодных лазеров различного назначения. Резонатор состоит из двух софокусных оконечных зеркал, четного числа промежуточных зеркал и активной среды. Активная среда размещена между промежуточными зеркалами. Вогнутое входное и выпуклое выходное оконечные зеркала выполнены сферическими. Промежуточные зеркала выполнены плоскими. Размеры промежуточных зеркал выполнены с размерами, кратными апертуре. Технический результат - повышение энергетической эффективности резонатора за счет улучшения энергосъема с активной среды и повышение интенсивности излучения, повышение усиления и равномерности усиления излучения по активной среде и в выходной апертуре при сохранении низкой чувствительности резонатора к разъюстировкам. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано при создании сверхзвуковых химических кислород-йодных лазеров различного назначения, геометрия активной среды которых требует применения многопроходных резонаторов.

Известен неустойчивый многопроходный телескопический резонатор, содержащий оконечные зеркала, одно из которых выпуклое, а другое - вогнутое (Ананьев Ю.А. Оптические резонаторы и лазерные пучки. М: Наука, 1990, с.207).

Недостатком данного резонатора является высокая чувствительность к разъюстировкам зеркал.

Указанный недостаток устранен в известном неустойчивом многопроходном лазерном резонаторе, содержащем два оконечных вогнутых зеркала и четное число промежуточных зеркал с радиусом кривизны длиннофокусного оконечного зеркала, установленных софокусно друг с другом и оконечными зеркалами (Патент РФ №2029422, МПК 6 H 01 S 3/08, «Неустойчивый многопроходный лазерный резонатор»).

Однако рассмотренный неустойчивый многопроходный резонатор обладает недостаточностью и неравномерностью усиления вниз по потоку активной среды. Эти недостатки обусловлены размерами активной среды, которые определяются высотой плоского соплового блока лазера и протяженностью активной среды от среза соплового блока до точки, в которой усиление слабого сигнала равно нулю. Это приводит к снижению энергосъема с активной среды, а также к неравномерному распределению интенсивности излучения в выходной апертуре.

Задачей изобретения является повышение энергетической эффективности резонатора за счет улучшения энергосъема с активной среды и, как следствие, повышение интенсивности излучения, повышение усиления и равномерности усиления излучения по активной среде и в выходной апертуре при сохранении низкой чувствительности резонатора к разъюстировкам.

Технический результат поставленной задачи достигается тем, что в неустойчивом многопроходном резонаторе сверхзвукового химического кислород-йодного лазера, состоящем из двух софокусных оконечных зеркал, четного числа промежуточных зеркал и активной среды, размещенной между ними, предлагается оконечные зеркала, вогнутое входное и выпуклое выходное, выполнить сферическими, а промежуточные зеркала выполнить плоскими и установить с возможностью создания общего числа проходов излучения в активной среде К=N_x×N_y=(2m+1)×N_y, где N_x=(2m+1) при m=1, 2, 3... - нечетное число проходов излучения, отраженного от плоских зеркал, вдоль потока активной среды; N_y=1, 2, 3... - число проходов излучения, отраженного от плоских зеркал, поперек потока активной среды. Промежуточные зеркала могут быть выполнены в виде двухзеркальных уголковых отражателей, образованных парой плоских зеркал, соединенных между собой под углом 90° градусов. Размеры плоских зеркал кратны размеру требуемой апертуры. Промежуточные зеркала в виде двухзеркальных уголковых отражателей могут быть установлены ребрами перпендикулярно потоку активной среды для обеспечения проходов излучения вдоль направления потока активной среды, а для обеспечения проходов излучения поперек направления активной среды ребра двухзеркальных уголковых отражателей устанавливают параллельно направлению потока активной среды.

На фиг.1 представлена схема неустойчивого многопроходного резонатора сверхзвукового химического кислород-йодного лазера для m=1, N_y=2, K=6

На фиг.2 - схема активной среды после плоского соплового блока лазера.

На фиг.3 - распределение интенсивности лазерного излучения в плоскости выходного зеркала резонатора и распределение коэффициента усиления активной среды в плоскости параллельной выходному зеркалу и проходящей через середину активной среды.

Неустойчивый многопроходный резонатор сверхзвукового химического кислород-йодного лазера (фиг.1) содержит входное полностью отражающее вогнутое сферическое зеркало 1, три двухзеркальных уголковых отражателя 2, 3, 4, каждый из которых представляет собой два полностью отражающих плоских зеркала, соединенных между собой под углом 90° градусов, и выходное сферическое выпуклое зеркало 5. Плоские зеркала диэлектрические с интерференционными покрытиями, имеющими высокий коэффициент отражения на рабочей длине волны, что практически исключает нагрев зеркал и их термическую деформацию.

Разработка схемы и расчет предлагаемого резонатора осуществлялись с использованием математического моделирования по известным программам.

В результате на фиг.1 представлена схема неустойчивого многопроходного резонатора, где штрихпунктирной линией показано сечение плоского соплового блока, из которого истекает поток активной среды. Размеры активной среды (фиг.2) H=L_y и L_x соответствуют размерам сечения плоского соплового блока. Размер активной среды вдоль потока L_x, а поперек потока - L_y. Количество и положение плоских зеркал или образованных из них двухзеркальных уголковых отражателей согласуется с распределением усиления в резонаторе.

Гипотетически разделим активную среду на секции сечением l_х×l_у, соответствующим размерам апертуры. Для заданного количества проходов вдоль потока активной среды N_x=2m+1, при m=1, 2, 3... размер одной секции вдоль потока активной среды l_x=L_x/N_x=L_x/(2m+1). Количество проходов в направлении поперек потока активной среды N_y=L_y/l_у×(2m+1), где l_y=L_y/N_y. Так как l_х/l_y≈1, то N_y=1, 2, 3... (Полученное при расчете значение N_y необходимо округлить до ближайшего целого). Количество промежуточных плоских зеркал четное и равно 2(N_x×N_y-1), размеры плоских зеркал кратны заданной апертуре. Общее количество проходов излучения в активной среде К=N_x×N_y=(2m+1)×N_y, где N_x=(2m+1) при m=1, 2, 3... - нечетное число проходов излучения, отраженного от плоских зеркал, вдоль потока активной среды; N_y=1, 2, 3... - число проходов излучения, отраженного от плоских зеркал, поперек потока активной среды. Нечетное число проходов излучения вдоль потока активной среды, в которой коэффициент усиления вниз по потоку уменьшается, компенсирует это уменьшение и выравнивает интенсивность излучения (фиг.3).

Радиусы кривизны сферических зеркал соответствуют условию конфокальности резонатора:

R_вх=2L(M/M-1); R_вых=2L/M-1, где

R_вх - радиус входного вогнутого глухого зеркала 1,

R_вых - радиус выходного выпуклого зеркала 5, L -суммарная длина резонатора (L=6L, где L - расстояние между плоскостями зеркал),

М - коэффициент увеличения резонатора (подбирается исходя из требуемых выходных характеристик лазера).

Неустойчивый многопроходный резонатор сверхзвукового химического кислород-йодного лазера работает следующим образом

Активная среда химического кислород-йодного лазера (смесь паров йода, азота и кислорода) после плоского соплового блока проходит между зеркалами (фиг.1) со скоростью, в несколько раз превышающей скорость звука. Оптический путь излучения света лазера внутри резонатора - линия 6 - состоит из следующих отрезков. Световой пучок, отраженный от входного сферического, вогнутого зеркала 1, проходит по активной среде, отражается от граней двухзеркального уголкового отражателя 2 с переворотом пучка, проходит по активной среде, отражается от граней двухзеркального уголкового отражателя 3 с переворотом пучка, проходит по активной среде, отражается от граней двухзеркального уголкового отражателя 4 с переворотом пучка, проходит по активной среде, отражается от граней двухзеркального уголкового отражателя 3 с переворотом пучка, проходит по активной среде, отражается от граней двухзеркального уголкового отражателя 2 с переворотом пучка, проходит по активной среде к сферическому выпуклому выходному зеркалу 5. При этом возбужденные атомы йода излучают кванты света (фотоны) с длиной волны 1.315 мкм. Те фотоны, которые движутся вдоль оптической оси резонатора, многократно отражаются от зеркал, двигаясь по вышеописанному пути внутри резонатора, возвращаясь каждый раз в активную среду (за исключением тех, которые покидают резонатор через выходное зеркало). В активной среде фотоны взаимодействуют с возбужденными частицами йода, вызывая вынужденное излучение теми новых фотонов. То есть свет внутри резонатора лавинообразно усиливается. Прокачка активной среды через резонатор обеспечивает приток все новых возбужденных частиц и поддержание лазерного излучения. Часть излучения выходит из резонатора, а часть возвращается к зеркалу 1, проходя по резонатору в обратной последовательности.

Использование предлагаемого неустойчивого многопроходного резонатора в сверхзвуковых химических кислород-йодных лазерах за счет повышения его энергетической эффективности (улучшения энергосъема с активной среды) позволяет передавать лучевую энергию на значительные расстояния, как в свободном пространстве, так и через оптический световод, то есть в ситуациях, когда необходима высокая яркость лазерного излучения.

1. Неустойчивый многопроходный резонатор сверхзвукового химического кислород-йодного лазера, состоящий из двух софокусных оконечных зеркал, четного числа промежуточных зеркал и активной среды, размещенной между ними, отличающийся тем, что оконечные зеркала, вогнутое входное и выпуклое выходное, выполнены сферическими, а промежуточные зеркала выполнены плоскими с размерами, кратными апертуре, и установлены с возможностью создания общего числа проходов излучения в активной среде K=N_X·N_Y=(2m+1)·N_Y, где N_X=(2m+1) при m=1, 2, 3... - нечетное число проходов излучения, отраженного от плоских зеркал, вдоль потока активной среды; N_Y=1, 2, 3... - число проходов излучения, отраженного от плоских зеркал, поперек потока активной среды.

2. Неустойчивый многопроходный резонатор по п.1, отличающийся тем, что промежуточные зеркала выполнены в виде двухзеркальных уголковых отражателей, образованных парой плоских зеркал, соединенных между собой под углом 90°.

3. Неустойчивый многопроходный резонатор по п.2, отличающийся тем, что промежуточные зеркала в виде двухзеркальных уголковых отражателей установлены ребрами перпендикулярно потоку активной среды для обеспечения проходов излучения вдоль направления потока активной среды, а для обеспечения проходов излучения поперек направления активной среды ребра двухзеркальных уголковых отражателей установлены параллельно направлению потока активной среды.