Лазерное устройство с кольцеобразным распределением интенсивности излучения (варианты) и способ управления потоком его излучения

Изобретение относится к электронной технике, квантовой электронике, к лазерным устройствам и способам формирования потоков лазерного излучения с высокой плотностью энергии на значительном удалении от лазера. Устройство содержит коаксиально расположенные полый цилиндрический активный элемент, систему накачки, отражатель с максимальным отражением и отражатель с частичным отражением, торцевая поверхность активного элемента со стороны отражателя с частичным отражением выполнена в виде усеченной конической поверхности, образующая которой составляет с главной оптической осью лазерного устройства угол α. Отражатель представляет собой тело вращения, ограниченное двумя наружными коническими поверхностями. Образующая второй наружной конической поверхности отражателя с частичным отражением составляет с главной оптической осью лазерного устройства угол β. Способ управления потоком излучения включает возбуждение его активного элемента, регулирование диаметра сечения потока лазерного излучения. Технический результат- получение мощного потока лазерного излучения с высокой плотностью энергии в сечении и малой угловой расходимостью. 3 н. и 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к электронной технике, квантовой электронике, более конкретно к лазерным устройствам и способам формирования потоков лазерного излучения с высокой плотностью энергии на значительном удалении от лазера.

Такие устройства должны обеспечивать одновременное достижение высокой мощности, минимального сечения пучка и достаточно узкой диаграммы направленности, что является сложной технической проблемой.

Известны мощные лазерные устройства с цилиндрическими полыми активными элементами, в которых источник накачки расположен внутри и/или снаружи полого цилиндрического активного элемента. Это позволяет существенно повысить энергию генерируемого лазерного излучения за счет улучшения условий охлаждения.

Наиболее близкими к предлагаемым по технической сущности являются лазерное устройство с кольцеобразным распределением интенсивности излучения в сечении и способ управления потоком его лазерного излучения (патент РФ №2035099, H01S 3/08, 3/091). Суть известных устройства и способа заключается в возбуждении оптическим излучением системы возбуждения его полого цилиндрического плоскопараллельного активного элемента с плоскопараллельными торцами.

Недостатком известного лазерного устройства с кольцеобразным распределением интенсивности излучения и способа управления потоком этого излучения является то, что при плоскопараллельной конструкции резонатора они не позволяют минимизировать сечение поля излучения одновременно с уменьшением расходимости излучения и таким образом не дают возможности достижения высокой плотности энергии лазерного излучения на значительном удалении от лазера.

Недостатком известного лазерного устройства является также использование большой толщины стенки активного элемента, что приводит к появлению неоднородностей излучения и к дополнительным потерям излучения.

В настоящем изобретении решается задача получения мощного потока лазерного излучения с высокой плотностью энергии в сечении и малой угловой расходимостью.

Поставленная задача решается тем, что в лазерном устройстве с кольцеобразным распределением интенсивности излучения, содержащем коаксиально расположенные полый цилиндрический активный элемент, систему накачки, отражатель с максимальным отражением и отражатель с частичным отражением, обеспечивающим необходимую обратную связь в резонаторе и частичный выход излучения лазерного устройства из резонатора, торцевая поверхность активного элемента со стороны отражателя с частичным отражением выполнена в виде усеченной конической поверхности, образующая которой составляет с главной оптической осью лазерного устройства угол α, значение которого выбирается равным упомянутый отражатель с частичным отражением представляет собой тело вращения, ограниченное по крайней мере двумя наружными коническими поверхностями, образующая одной из них, обращенной к активному элементу, составляет с главной оптической осью лазерного устройства угол γ, значение которого выбирается равным диаметр D₁ большего основания этой наружной конической поверхности удовлетворяет соотношению

а образующая второй наружной конической поверхности отражателя с частичным отражением составляет с главной оптической осью лазерного устройства угол β, удовлетворяющий соотношению

где n - показатель преломления материала активного элемента лазера,

n₁ - показатель преломления материала тела вращения отражателя с частичным отражением,

D - диаметр внешней цилиндрической поверхности активного элемента,

Z - расстояние от линии пересечения внешней цилиндрической поверхности активного элемента и конической поверхности его выходного торца до большего основания обращенной к активному элементу наружной конической поверхности отражателя с частичным отражением.

Поставленная задача решается также тем, что отражатель с частичным отражением представляет собой тело вращения, ограниченное по крайней мере двумя упомянутыми наружными коническими поверхностями и соединяющей их внутренней гладкой конической поверхностью, образующая которой составляет с главной оптической осью лазерного устройства угол θ, удовлетворяющий соотношению

диаметр D₂ меньшего основания этой внутренней конической поверхности удовлетворяет соотношению 0<D₂<D₁, где D₁ - диаметр большего основания наружной конической поверхности отражателя с частичным отражением.

Поставленная задача решается тем, что в лазерном устройстве с кольцеобразным распределением интенсивности излучения, содержащем коаксиально расположенные полый цилиндрический активный элемент, систему накачки, отражатель с максимальным отражением и отражатель с частичным отражением, обеспечивающим необходимую обратную связь в резонаторе и частичный выход из резонатора излучения лазерного устройства, торцевая поверхность активного элемента со стороны отражателя с частичным отражением выполнена в виде усеченной конической поверхности, образующая которой составляет с главной оптической осью лазерного устройства угол α, значение которого выбирается равным упомянутый отражатель с частичным отражением представляет собой тело вращения, ограниченное по крайней мере двумя наружными коническими поверхностями, образующая одной из них, обращенной к активному элементу, составляет с главной оптической осью лазерного устройства угол γ, значение которого выбирается равным диаметр D₁ большего основания этой наружной конической поверхности удовлетворяет соотношению

а образующая второй наружной конической поверхности отражателя с частичным отражением составляет с главной оптической осью лазерного устройства угол β, удовлетворяющий соотношению

где n - показатель преломления материала активного элемента лазера,

n₁ - показатель преломления материала тела вращения отражателя с частичным отражением,

D - диаметр внешней цилиндрической поверхности активного элемента,

Z - расстояние от линии пересечения внешней цилиндрической поверхности активного элемента и конической поверхности его выходного торца до большего основания обращенной к активному элементу наружной конической поверхности отражателя с частичным отражением.

Поставленная задача решается также тем, что толщина стенки активного элемента Δ выбирается в пределах:

где D - диаметр внешней цилиндрической поверхности активного элемента.

Поставленная задача решается тем, что в способе управления потоком излучения лазерного устройства с кольцеобразным распределением интенсивности излучения, включающем возбуждение его активного элемента системой накачки, регулирование диаметра сечения потока лазерного излучения осуществляют перемещением отражателя с частичным отражением вдоль оси лазерного устройства, при этом расстояние Z от линии пересечения внешней цилиндрической поверхности активного элемента и конической поверхности его выходного торца до большего основания наружной конической поверхности отражателя с частичным отражением, обращенной к активному элементу, изменяют в пределах

где D - диаметр внешней цилиндрической поверхности активного элемента лазера,

D₁ - диаметр большего основания обращенной к активному элементу наружной конической поверхности отражателя с частичным отражением,

Δ - толщина стенки активного элемента лазера,

n - показатель преломления материала активного элемента,

n₁ - показатель преломления материала тела вращения отражателя с частичным отражением.

Сущность изобретения поясняется фиг.1, 2, 3.

На фиг.1 схематически изображено в разрезе предлагаемое лазерное устройство согласно варианту 1 формулы изобретения, где:

1 - полый цилиндрический активный элемент лазерного устройства,

2 - система накачки,

3 - отражатель с максимальным отражением,

4 - отражатель с частичным отражением,

5 - коническая поверхность выходного торца активного элемента,

6 - первая наружная коническая поверхность отражателя с частичным отражением, обращенная к активному элементу,

7 - вторая наружная коническая поверхность отражателя с частичным отражением.

На фиг.2 схематически изображено в разрезе предлагаемое лазерное устройство согласно варианту 2 формулы изобретения, где:

1 - полый цилиндрический активный элемент лазерного устройства,

2 - система накачки,

3 - отражатель с максимальным отражением,

4 - отражатель с частичным отражением,

5 - коническая поверхность выходного торца активного элемента,

6 - первая наружная коническая поверхность отражателя с частичным отражением, обращенная к активному элементу,

7 - вторая наружная коническая поверхность отражателя с частичным отражением.

На фиг.3 схематически изображено в разрезе предлагаемое лазерное устройство, где:

1 - полый цилиндрический активный элемент лазерного устройства,

2 - система накачки,

3 - отражатель с максимальным отражением,

4 - отражатель с частичным отражением,

5 - коническая поверхность выходного торца активного элемента,

6 - первая наружная коническая поверхность отражателя с частичным отражением, обращенная к активному элементу,

7 - вторая наружная коническая поверхность отражателя с частичным отражением,

8 - внутренняя коническая поверхность отражателя с частичным отражением,

α - угол между образующей усеченной конической поверхности торца активного элемента лазера со стороны отражателя с частичным отражением и главной оптической осью лазерного устройства,

γ - угол между образующей наружной конической поверхности отражателя с частичным отражением, обращенной к активному элементу лазера, и главной оптической осью лазерного устройства.

Лазерное устройство включает в себя полый цилиндрический активный элемент 1, расположенную внутри активного элемента систему 2, отражатель с максимальным отражением 3, отражатель с частичным отражением 4. Торец активного элемента 1, обращенный к отражателю 4 с частичным отражением, представляет собой усеченную коническую поверхность 5. Отражатель с частичным отражением 4 ограничен первой 6 и второй 7 наружными поверхностями (фиг.1, 2, 3), а также может быть ограничен дополнительно внутренней конической поверхностью 8 (фиг.3).

Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом. Система накачки 2 возбуждает генерацию лазерного излучения в цилиндрическом активном элементе 1. Излучение, выходящее через коническую поверхность выходного торца 5 активного элемента 1 лазерного устройства, образующая которой составляет с главной оптической осью лазерного устройства угол α, равный преломляется и попадает под прямым углом на первую наружную коническую поверхность 6 отражателя 4 с частичным отражением, угол γ между образующей которой и главной оптической осью лазерного устройства составляет При этом компонента данного излучения, поляризованная в плоскости, проходящей через ось лазерного устройства, не испытывает потерь на границе активного элемента, поэтому в силу более низких внутрирезонаторных потерь генерация в лазере осуществляется именно с такой радиальной поляризацией. Излучение лазера проходит через первую наружную поверхность 6 отражателя 4 с частичным отражением, а затем, преломляясь на его второй наружной конической поверхности 7, образующая которой составляет с главной оптической осью лазерного устройства угол β, удовлетворяющий соотношению

в первом варианте устройства

или

во втором варианте устройства,

выходит параллельно оптической оси лазера, при этом диаметр лазерного пучка на выходе из отражателя 4 с частичным отражением становится значительно меньше диаметра активного элемента 1.

Выбор диаметра D₁ большего основания обращенной к активному элементу наружной конической поверхности 6 отражателя 4 с частичным отражением в соответствии с соотношением

позволяет избежать дополнительных потерь излучения активного элемента на краю отражателя 4 с частичным отражением.

Благодаря предложенному в настоящем изобретении техническому решению одновременно обеспечиваются уменьшение внутрирезонаторных потерь, формирование радиально поляризованного электромагнитного излучения, увеличение выходной мощности излучения, а также уменьшение сечения и достижение параллельности лазерного пучка.

Выбор толщины Δ стенки активного элемента 1 из соотношения позволяет повысить выходную мощность лазера и уменьшить его расходимость за счет того, что при такой толщине стенки уменьшаются возникающие при высоких уровнях накачки термомеханические напряжения в кристалле. Благодаря этому уменьшаются температурно-рефрактивные градиенты и оптические неоднородности, исключающие волновой фронт генерируемого излучения, вносящие дополнительные потери излучения, снижающие мощность лазера и расширяющие модовый состав лазерного излучения, что приводит к ухудшению диаграммы направленности лазера.

В устройстве, изображенном на фиг.2, излучение лазера проходит через первую наружную поверхность 6 отражателя 4 с частичным отражением и затем претерпевает полное внутреннее отражение на внутренней конической поверхности 8, диаметр D₂ меньшего основания которой удовлетворяет соотношению 0<D₂<D₁, а образующая этой внутренней конической поверхности 8 составляет с главной оптической осью лазерного устройства угол θ, удовлетворяющий соотношению

после чего, преломляясь на его второй наружной конической поверхности 7, образующая которой составляет с главной оптической осью лазерного устройства угол β, удовлетворяющий соотношению

в первом варианте устройства

или

во втором варианте устройства,

выходит параллельно оптической оси лазера. При этом угол падения лазерного излучения на вторую коническую поверхность оказывается равным углу Брюстера при любых значениях n₁ и n₂, и оно выходит через эту поверхность без потерь, что способствует повышению выходной энергии, а также долговечности предлагаемого лазерного устройства.

Предлагаемый способ управления потоком излучения лазерного устройства с кольцеобразным распределением интенсивности излучения осуществляют следующим образом.

С помощью системы накачки 2 возбуждают генерацию лазерного излучения в цилиндрическом активном элементе 1 и, перемещая отражатель 4 с частичным отражением вдоль главной оси лазерного устройства по направлению к активному элементу 1 таким образом, чтобы расстояние Z изменялось в пределах

изменяют в значительных пределах диаметр выходящего из лазерного устройства потока лазерного излучения без дополнительных потерь его мощности.

Ниже приведены конкретные примеры осуществления предлагаемого способа.

Пример 1. В лазере с кольцевой формой активной среды, с длиной волны λ=1,06 мкм, с показателем преломления активного элемента n=1,55 и показателем преломления отражателя с частичным отражением n₁=n=1,55 выбирают значение внешнего диаметра активного элемента равным D=50 мм, значение диаметра большего основания наружной конической поверхности отражателя с частичным отражением равным D₁=50 мм и значение толщины стенки активного элемента лазера равным Δ=5 мм. Для регулирования изменения потока излучения лазера изменяют расстояние между активным элементом и отражателем с частичным отражением в пределах 14,5<Z<58,7 мм, при этом внешний диаметр выходного пучка излучения лазера изменялся в пределах от 4 до 27 мм, а внутренний диаметр выходного пучка излучения лазера изменялся в пределах от 0 до 23 мм.

Пример 2. В лазере с кольцевой формой активной среды, с длиной волны λ=1,06 мкм, с показателем преломления активного элемента n=1,55 и показателем преломления отражателя с частичным отражением n₁=1,76 выбирают значение внешнего диаметра активного элемента равным D=50 мм, значение диаметра большего основания наружной конической поверхности отражателя с частичным отражением равным D₁=50 мм и значение толщины стенки активного элемента лазера равным Δ=5 мм. Для регулирования изменения потока излучения лазера изменяют расстояние между активным элементом и отражателем с частичным отражением в пределах 14,5<Z<58,7 мм, при этом внешний диаметр выходного пучка излучения лазера изменялся в пределах от 7 до 29 мм, а внутренний диаметр выходного пучка излучения лазера изменялся в пределах от 3 до 25 мм.

Таким образом, предлагаемые лазерное устройство с кольцеобразным распределением интенсивности излучения и способ управления потоком этого излучения дают возможность обеспечить высокую плотность энергии в параллельном пучке лазерного излучения, а также управление диаметром этого пучка, обеспечивая при этом снижение потерь излучения в устройстве.

Предлагаемое лазерное устройство формирует поток радиально поляризованного излучения, что может быть важно для сверхострой фокусировки лазерного пучка, например, при использовании предлагаемого устройства в системах растровой оптической микроскопии и прецизионной обработки.

1. Лазерное устройство с кольцеобразным распределением интенсивности излучения, содержащее коаксиально расположенные полый цилиндрический активный элемент, систему накачки, отражатель с максимальным отражением и отражатель с частичным отражением, обеспечивающим необходимую обратную связь в резонаторе и частичный выход из резонатора излучения лазерного устройства, отличающееся тем, что торцевая поверхность активного элемента со стороны отражателя с частичным отражением выполнена в виде усеченной гладкой конической поверхности, образующая которой составляет с главной оптической осью лазерного устройства угол α, значение которого выбирается равным упомянутый отражатель с частичным отражением представляет собой тело вращения, ограниченное по крайней мере двумя гладкими наружными коническими поверхностями, образующая одной из которых, обращенной к активному элементу, составляет с главной оптической осью лазерного устройства угол γ, значение которого выбирается равным диаметр D₁ большего основания этой наружной конической поверхности удовлетворяет соотношению

а образующая второй наружной конической поверхности отражателя с частичным отражением составляет с главной оптической осью лазерного устройства угол β, удовлетворяющий соотношению

где n - показатель преломления материала активного элемента лазера,

n₁ - показатель преломления материала тела вращения отражателя с частичным отражением,

D - диаметр внешней цилиндрической поверхности активного элемента,

Z - расстояние от линии пересечения внешней цилиндрической поверхности активного элемента и конической поверхности его выходного торца до большего основания наружной конической поверхности отражателя с частичным отражением, обращенной к активному элементу.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что толщина Δ стенки его активного элемента выбирается из соотношения

Δ≤0,1·D,

где D - диаметр внешней цилиндрической поверхности активного элемента.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что отражатель с частичным отражением представляет собой тело вращения, ограниченное по крайней мере двумя упомянутыми наружными коническими поверхностями и соединяющей их внутренней гладкой конической поверхностью, образующая которой составляет с главной оптической осью лазерного устройства угол θ, удовлетворяющий соотношению

диаметр D₂ меньшего основания этой внутренней конической поверхности удовлетворяет соотношению 0<D₂<D₁, где D₁ - диаметр большего основания наружной конической поверхности отражателя с частичным отражением.

4. Лазерное устройство с кольцеобразным распределением интенсивности излучения, содержащее коаксиально расположенные полый цилиндрический активный элемент, систему накачки, отражатель с максимальным отражением и отражатель с частичным отражением, обеспечивающим необходимую обратную связь в резонаторе и частичный выход из резонатора излучения лазерного устройства, отличающееся тем, что торцевая поверхность активного элемента со стороны отражателя с частичным отражением выполнена в виде усеченной гладкой конической поверхности, образующая которой составляет с главной оптической осью лазерного устройства угол α, значение которого выбирается равным упомянутый отражатель с частичным отражением представляет собой тело вращения, ограниченное по крайней мере двумя гладкими наружными коническими поверхностями, образующая одной из которых, обращенной к активному элементу, составляет с главной оптической осью лазерного устройства угол γ, значение которого выбирается равным диаметр D₁ большего основания этой наружной конической поверхности удовлетворяет соотношению

а образующая второй наружной конической поверхности отражателя с частичным отражением составляет с главной оптической осью лазерного устройства угол β, удовлетворяющий соотношению

где n - показатель преломления материала активного элемента,

n₁ - показатель преломления материала тела вращения отражателя с частичным отражением,

D - диаметр внешней цилиндрической поверхности активного элемента,

Z - расстояние от линии пересечения внешней цилиндрической поверхности активного элемента и конической поверхности его выходного торца до большего основания наружной конической поверхности отражателя с частичным отражением, обращенной к активному элементу.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что толщина Δ стенки его активного элемента выбирается из соотношения

Δ≤0,1·D,

где D - диаметр внешней цилиндрической поверхности активного элемента.

6. Способ управления потоком излучения лазерного устройства с кольцеобразным распределением интенсивности излучения, включающий возбуждение активного элемента системой накачки, отличающийся тем, что регулирование диаметра сечения потока лазерного излучения осуществляют перемещением отражателя с частичным отражением вдоль главной оси лазерного устройства, при этом расстояние Z от линии пересечения внешней цилиндрической поверхности активного элемента и конической поверхности его выходного торца до большего основания обращенной к активному элементу наружной конической поверхности отражателя с частичным отражением изменяют в пределах

где D - диаметр внешней цилиндрической поверхности активного элемента лазера,

D₁ - диаметр большего основания обращенной к активному элементу наружной конической поверхности отражателя с частичным отражением,

Δ - толщина стенки активного элемента лазера,

n - показатель преломления материала активного элемента,

n₁ - показатель преломления материала тела вращения отражателя с частичным отражением.