Способ уменьшения расходимости лазерного пучка лазеров с кольцевой формой активной среды

Изобретение относится к электронной технике, к способам формирования лазерного пучка лазеров с кольцевой формой активной среды. Способ включает формирование распределения усиления по сечению активной среды с кольцеобразным распределением превышения усиления над потерями в резонаторе. Соотношение внешнего d_внеш и внутреннего d_внутр диаметров границ области превышения усиления над потерями по сечению пучка в резонаторе выбирают в пределах: 2,21<d_внеш/d_внутр<2,61. Технический результат - уменьшение расходимости лазерного излучения при минимальных потерях мощности выходного излучения и без существенного усложнения конструкции резонатора. 1 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к электронной технике, более конкретно к способам формирования лазерного пучка лазеров с кольцевой формой активной среды.

Диаграмма направленности лазерного излучения или, другими словами, угловое распределение интенсивности лазерного излучения определяется, в первую очередь, модовым составом излучения. Но даже в режиме низшей поперечной моды существует дифракционная расходимость лазерного излучения, которая определяется длиной волны излучения, поперечным размером активной области или апертуры диафрагмы, ограничивающей лазерный пучок. Дифракционная расходимость лазерного излучения ограничивает дальность его распространения, приводит к потерям излучения при вводе в различные оптические системы и т.д.

Известны способы уменьшения расходимости лазерных пучков, связанные с применением внешних или неустойчивых резонаторов, позволяющих выделить основную моду генерируемого излучения. Недостатком таких способов является усложнение конструкции резонатора, потери выходной мощности излучения и пр. Для уменьшения дифракционной расходимости лазерного пучка обычно увеличивают его поперечный размер или апертуру, что приводит к значительному уменьшению плотности мощности излучения [Ораевский А.Н. Гауссовы пучки и оптические резонаторы. М., Изд. МИФИ, 1988, с.88; Ананьев Ю.А. Оптические резонаторы и проблемы расходимости лазерного излучения. М., Наука, 1979].

Наиболее близким предлагаемому является способ уменьшения расходимости лазерного пучка лазеров с кольцевой формой активной среды, в котором расходимость уменьшают путем увеличения потерь для всех высших мод [Патент РФ №2035099, H 01 S 3/08, 3/091]. Но при этом способе растут потери и для низшей моды, то есть эффективность работы такого лазера снижается. Кроме того, таким образом можно снизить расходимость генерируемого пучка лазерного излучения только до уровня дифракционной расходимости низшей моды ТЕМоо, которая определяется длиной волны и сечением пучка. Такой уровень расходимости является достаточно большим и ограничивает область использования лазеров с кольцевой формой активной среды. Кроме того, повышение потерь в таких лазерах приводит к необходимости для достижения необходимой энергетики дополнительно повышать энергию накачки, что приводит к дополнительному повышению градиентов температур в активной области, что в свою очередь приводит к повышению расходимости и снижению долговечности таких лазеров.

В настоящем изобретении решается задача уменьшения расходимости лазерного излучения при минимальных потерях мощности выходного излучения и без существенного усложнения конструкции резонатора.

Указанная задача решается тем, что способ уменьшения расходимости лазеров с кольцевой формой активной среды включает формирование распределения усиления по сечению активной среды с кольцеообразным распределением превышения усиления над потерями в резонаторе, при этом соотношение диаметров внешней d_внеш и внутренней d_внутр границ области превышения усиления над потерями выбирают в пределах:

2,21<d_внешн/d_внутр<2,61

Задача решается тем, что соотношение внешнего d_внеш и внутреннего d_внутр диаметров границ области превышения усиления над потерями по сечению пучка в резонаторе выбирают равным:

d_внешн/d_внутр<2,41

В случае, когда указанное соотношение стремится к значению 2,41, лазерное излучение сформированного пучка имеет наименьшую дифракционную расходимость. Например, для случая, когда соотношение d_внешн/d_внутр=2,4142 дифракционная расходимость такого пучка составляет 0,4·λ/d_внешн, что значительно меньше, чем у гауссова пучка, 0,65·λ/d_внешн, и плоской волны 1,22·λ/d_внешн, где λ - длина волны излучения. При изменении соотношения d_внешн/d_внутр от значения, приведенного в формуле изобретения, характеристики сформированного пучка лазерного излучения ухудшаются: при увеличении указанного соотношения распределение интенсивности оптического поля стремится к гауссову распределению, а при уменьшении указанного соотношения увеличиваются дифракционные потери.

Ниже приведены конкретные примеры реализации предлагаемого способа формирования лазерного пучка лазеров с кольцевой формой активной среды

Пример 1. В лазере с кольцевой формой активной среды с длиной волны излучения 1,06 мкм формируют превышение усиления над потерями в резонаторе в области, соотношение внутреннего и внешнего диаметра которой равно 2,4142. Расходимость излучения лазера составила 2,12×10^-5 радиан (0,0012 градуса).

Пример 2. В лазере с кольцевой формой активной среды с длиной волны излучения 1,06 мкм формируют превышение усиления над потерями в резонаторе в области, соотношение внутреннего и внешнего диаметра которой равно 2,3. Расходимость излучения лазера составила 3,1×10^-5 радиан (0,0018 градуса).

Пример 3. В лазере с кольцевой формой активной среды с длиной волны излучения 1,06 мкм формируют превышение усиления над потерями в резонаторе в области, соотношение внутреннего и внешнего диаметра которой равно 2,15. Расходимость излучения лазера составила 3,8×10^-5 радиан (0,0022 градуса).

Пример 4. В лазере с кольцевой формой активной среды с длиной волны излучения 1,06 мкм формируют превышение усиления над потерями в резонаторе в области, соотношение внутреннего и внешнего диаметра которой равно 3,0. Расходимость излучения лазера составила 3,37×10^-5 радиан (0,002 градуса).

Приведенные примеры показывают, что реализация способа уменьшения расходимости лазера с кольцевой формой активной среды позволяет уменьшить в полтора-два раза расходимость излучения по сравнению с известными техническими решениями. При этом не происходит увеличение потерь в резонаторе такого лазера.

Предлагаемый способ уменьшения расходимости лазера с кольцевой формой активной среды найдет широкое применение в системах, обеспечивающих возможность фокусирования мощных лазерных пучков на значительном удалении от лазеров.

1. Способ уменьшения расходимости лазерного пучка лазеров с кольцевой формой активной среды, включающий формирование распределения усиления по сечению активной среды с кольцеобразным распределением превышения усиления над потерями в резонаторе, при этом соотношение диаметров внешней d_внеш и внутренней d_внутр границ области превышения усиления над потерями выбирают в пределах

2,21<d_внеш/d_внутр<2,61.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что соотношение диаметров внешней d_внеш и внутренней d_внутр границ области превышения усиления над потерями пучка в резонаторе выбирают равным

d_внеш/d_внутр=2,41.