Способ формирования трубчатого потока лазерного излучения с радиальной поляризацией и устройство для его осуществления
Владельцы патента RU 2774664:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук (ФИАН) (RU)
Изобретение относится к лазерной технике. Его использование для формирования трубчатого потока лазерного излучения с радиальной поляризацией позволяет получить технический результат в виде упрощения конструкции. Способ формирования трубчатого потока лазерного излучения с радиальной поляризацией реализуется в устройстве, содержащем: твердотельный активный элемент лазера в виде полого тонкостенного круглого цилиндра, торцы которого выполнены конусообразными под углом Брюстера относительно плоскости, перпендикулярной продольной оси этого цилиндра; непрозрачное зеркало, выполненное такой формы и установленное с одной стороны от активного элемента на таком расстоянии, чтобы генерируемый активным элементом луч по меньшей мере одной продольной моды имел полное отражение от части непрозрачного зеркала; выходное зеркало в виде плоско-вогнутого аксикона, одна поверхность которого выполнена конусообразной под углом Брюстера относительно плоскости, перпендикулярной продольной оси аксикона; при этом выходное зеркало установлено с другой стороны от активного элемента на одной с ним продольной оси на таком расстоянии, чтобы луч по меньшей мере одной продольной моды выходил из выходного зеркала по направлению, параллельному продольной оси. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 4 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к лазерной технике, а конкретно к способу формирования трубчатого потока лазерного излучения с радиальной поляризацией и к устройству для его осуществления.
Уровень техники
Известны различные технические решения, обеспечивающие получение трубчатого потока лазерного излучения с радиальной поляризацией.
Известен способ формирования пучка мощного излучения СО2 лазера с радиальной поляризацией (В.Г. Низьев, В.П. Якунин, Н.Г. Туркин. Генерация поляризационно-неоднородных мод в мощном CO2-лазере // Квантовая электроника, 39, №6, (2009), стр. 505), при котором внутрь резонатора с целью селекции мод по типу поляризации (получение радиально-поляризованного потока лазерного излучения) устанавливают плоское дифракционное зеркало с осесимметричным радиальным периодическим рельефом на его поверхности в виде повторяющихся радиальных борозд прямоугольного профиля с параметрами: шаг 12 мкм, ширина вершины (плато) 5,2 мкм, ширина впадины 4,8 мкм, высота вершины 0,65 мкм. Это техническое решение пригодно для формирования излучения с длиной волны 10,6 мкм и больше, поскольку отмеченный периодический радиальный осесимметричный рельеф имеет шаг 12 мкм на поверхности дифракционного зеркала и формируется методом фотолитографии и химического травления, либо (в особых случаях) методом алмазного точения (строгания), что неприменимо для излучения с длиной волны порядка 1 мкм и менее. Формирование рельефа для излучения с меньшей длиной волны методом фотолитографии возможно, однако потребует увеличения технологических затрат и более точного и сложного оборудования.
В заявке на изобретение Китая №101552425 (опубл. 07.10.2009) описан лазер для выведения радиально поляризованного светового пучка, в котором между непрозрачным и выходным зеркалами, образующими резонатор, размещены активная лазерная среда и осевое зеркало с поверхностью, наклоненной под углом, составляющим удвоенный угол, дополнительный к углу Брюстера. Это техническое решение достаточно сложно.
В заявке на изобретение Китая №105024268 (опубл. 04.11.2015) представлено устройство для генерирования радиально поляризованного светового пучка, в котором активная лазерная среда выполнена на красителе, а одно из зеркал резонатора имеет вид двустороннего конуса, обеспечивающего полное внутреннее отражение луча от усеченного конического основания, при этом образующая конуса, обращенного к выходному зеркалу, наклонена к продольной оси под углом Брюстера. Данное устройство имеет ограниченное применение вследствие использования активной лазерной среды с красителем.
В патенте США №5359622 (опубл. 25.10.1994) раскрыт лазерный резонатор с радиальной поляризацией, между непрозрачным и выходным зеркалами которого находится активная лазерная среда и воронкообразный пропускающий элемент с поверхностью под углом Брюстера, коническая вершина которого обращена к активной лазерной среде, а основание конуса направлено на выходное зеркало. Это техническое решение, выбранное в качестве ближайшего аналога, также достаточно сложно.
Раскрытие изобретения
Задачей, решаемой настоящим изобретением, является расширение арсенала технических средств для достижения технического результата в виде упрощения конструкции. Для решения указанной задачи и достижения отмеченного технического результата в первом объекте по настоящему изобретению предложен способ формирования трубчатого потока лазерного излучения с радиальной поляризацией, в котором: обеспечивают твердотельный активный элемент лазера в виде полого тонкостенного круглого цилиндра, торцы которого выполняют конусообразными под углом Брюстера относительно образующей цилиндра; выполняют непрозрачное зеркало такой формы и устанавливают его с одной стороны от активного элемента на таком расстоянии, чтобы генерируемый активным элементом луч по меньшей мере одной продольной моды имел полное отражение от части непрозрачного зеркала; выполняют выходное зеркало в виде плосковогнутого аксикона, одна поверхность которого выполнена конусообразной под углом Брюстера относительно продольной оси аксикона; устанавливают выходное зеркало с другой стороны от активного элемента на одной с ним продольной оси на таком расстоянии, чтобы луч по меньшей мере одной продольной моды выходил из выходного зеркала по направлению, параллельному продольной оси.
Особенность способа по первому объекту настоящего изобретения состоит в том, что конусообразные торцы активного элемента выполняют обращенными в противоположные стороны, а непрозрачное зеркало выполняют сферическим и устанавливают его выпуклостью к активному элементу на таком расстоянии от него, чтобы обеспечить полное отражение луча единственной продольной моды.
Другая особенность способа по первому объекту настоящего изобретения состоит в том, что конусообразные торцы активного элемента выполняют обращенными в одну и ту же сторону, а непрозрачное зеркало выполняют тороидальным и устанавливают его со стороны активного элемента, конусообразный торец которой выполнен воронкообразным, на таком расстоянии от него, чтобы обеспечить полное отражение луча единственной продольной моды.
Наконец, еще одна особенность способа по первому объекту настоящего изобретения состоит в том, что конусообразные торцы активного элемента выполняют обращенными в противоположные стороны, а непрозрачное зеркало выполняют коническим и устанавливают его выпуклостью к активному элементу на таком расстоянии от него, чтобы обеспечить полное отражение лучей не менее двух продольных мод.
Для решения той же задачи и достижения того же технического результата во втором объекте по настоящему изобретению предложено устройство для формирования трубчатого потока лазерного излучения с радиальной поляризацией, содержащее: твердотельный активный элемент лазера в виде полого тонкостенного круглого цилиндра, торцы которого выполнены конусообразными под углом Брюстера относительно образующей цилиндра; непрозрачное зеркало, выполненное такой формы и установленное с одной стороны от активного элемента на таком расстоянии, чтобы генерируемый активным элементом луч по меньшей мере одной продольной моды имел полное отражение от части непрозрачного зеркала; выходное зеркало в виде плоско-вогнутого аксикона, одна поверхность которого выполнена конусообразной под углом Брюстера относительно продольной оси аксикона; при этом выходное зеркало установлено с другой стороны от активного элемента на одной с ним продольной оси на таком расстоянии, чтобы луч по меньшей мере одной продольной моды выходил из выходного зеркала по направлению, параллельному продольной оси.
Особенность устройства по второму объекту настоящего изобретения состоит в том, что конусообразные торцы активного элемента обращены в противоположные стороны, а непрозрачное зеркало выполнено сферическим и установлено выпуклостью к активному элементу на таком расстоянии от него, чтобы обеспечить полное отражение луча единственной продольной моды.
Другая особенность устройства по второму объекту настоящего изобретения состоит в том, что конусообразные торцы активного элемента обращены в одну и ту же сторону, а непрозрачное зеркало выполнено тороидальным и установлено со стороны активного элемента, конусообразный торец которой выполнен воронкообразным4 на таком расстоянии от него, чтобы обеспечить полное отражение луча единственной продольной моды.
Наконец, еще одна особенность устройства по второму объекту настоящего изобретения состоит в том, что конусообразные торцы активного элемента обращены в противоположные стороны, а непрозрачное зеркало выполнено коническим и установлено выпуклостью к активному элементу на таком расстоянии от него, чтобы обеспечить полное отражение лучей не менее двух продольных мод.
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение иллюстрируются приложенными чертежами, на которых одинаковые элементы обозначены одними и теми же ссылочными позициями.
На Фиг. 1 приведен вид в разрезе активного элемента лазера, используемого в настоящем изобретении.
На Фиг. 2-4 показано расположение и форма непрозрачного и выходного зеркал относительно активного элемента лазера в первом-третьем возможных вариантах осуществления настоящего изобретения.
Подробное описание вариантов осуществления
Для некоторых экспериментальных исследований и прикладных применений в области лазерной техники требуются полые (трубчатые) пучки лазерного излучения. При этом для наиболее эффективного воздействия пучка на материал его поляризация должна быть радиальной (патент РФ №2156528, опубл. 20.09.2000). Одновременно предъявляются специальные требования к модовому составу пучков в зависимости от применения. В частности, для некоторых приложений пучок излучения должен иметь ограниченное количество продольных мод (Н.В. Купреев, П.А. Михеев, А.А. Шепеленко. Генерация одномодового излучения в широкоапертурном неустойчивом резонаторе с полупрозрачным выходным зеркалом и внутрирезонаторным астигматизмом // Квантовая электроника, 23, №4, (1996), стр. 356), а для других целей пучок должен иметь увеличенное количество мод (М.В. Осипов, А.Н. Стародуб, С.И. Федотов, Л.П. Феоктистов. Лазеры для ЛТС с контролируемой функцией взаимной когерентности // Препринт ФИАН, №35, 2002).
Настоящее изобретение сделано в расчете на удовлетворение всех указанных требований. Основой обоих объектов настоящего изобретения является твердотельный активный элемент лазера, выполненный в виде полого тонкостенного круглого цилиндра. Как условно показано на Фиг. 1, активный элемент 1 лазера имеет форму полого круглого цилиндра, внешний вид которого приведен на нижней половине Фиг. 1, а вид в разрезе - на верхней половине того же чертежа. Далее по тексту ссылочная позиция 1 может относиться как к выражению «активный элемент», так и к эквивалентному ему термину «цилиндр».
Торцевые стороны 2 и 3 активного элемента 1 выполнены конусообразными под углом αБр Брюстера относительно плоскости, перпендикулярной продольной оси 4 этого цилиндра. Как показано далее, конусообразные торцевые стороны 2 и 3 цилиндра 1 могут быть обе обращены наружу, т.е. в противоположных направлениях, а могут быть обращены в одном направлении, когда один конусообразный торец (2 или 3) имеет форму воронки. На Фиг. 1 более тонкой линией 5 показан луч, проходящий в стенке цилиндра 1 параллельно его продольной оси 4.
Специалистам понятно, что используемый в данном описании термин «тонкостенный» в отношении активного элемента (цилиндра) 1 характеризует такой цилиндр, толщина стенки которого во много раз меньше его диаметра (внешнего или внутреннего). Материалом твердотельного активного элемента 1 может быть неодимовое стекло либо профильный монокристалл алюминий-иттриевого граната; пригодно и любое иное активное вещество, в котором под действием соответствующего излучения накачки генерируются фотоны. При этом материал активного элемента 1 прозрачен для используемого излучения накачки, как это имеет место и в вышеприведенных аналогах.
Описанный твердотельный активный элемент лазера («лазерная среда»), выполненный в виде круглого полого тонкостенного цилиндра 1, размещают между образующими резонаторную полость лазера непрозрачным и выходным зеркалами, выполненными в виде тел вращения с осевой симметрией, продольные оси которых совпадают с продольной осью 4 активного элемента 1. Выходное зеркало 7 (на Фиг. 2-4) во всех вариантах осуществления имеет вид плоско-вогнутого аксикона, поверхность одной стороны которого выполнена конусообразной (воронкообразной) под углом αБр Брюстера относительно плоскости, перпендикулярной продольной оси этого аксикона. Поверхность другой стороны аксикона выполнена плоской перпендикулярно его продольной оси и покрыта слоем металла (как правило, серебра, либо соответствующей композицией из нескольких слоев неметаллических веществ) для обеспечения частичного отражения и частичного пропускания светового потока из резонаторной полости лазера.
Выходное зеркало (плоско-вогнутый аксикон) 7 в любом возможном варианте осуществления имеет такие размеры и установлено на таком расстоянии от активного элемента 1, чтобы луч, прошедший вдоль продольной оси 4 тонкостенного цилиндра 1 и выходящий из его выпуклого конического торца (ссылочная позиция 5), попадал на коническую (воронкообразную) поверхность аксикона и выходил из него параллельно продольной оси 4.
Непрозрачное зеркало 6 в разных возможных вариантах осуществления настоящего изобретения может иметь различное выполнение.
На Фиг. 2 показан вариант осуществления, в котором непрозрачное зеркало 6а выполнено сферическим и установлено выпуклостью по направлению к активному элементу 1, который в этом случае имеет свои конусообразные торцы обращенными в противоположные стороны (наружу выпуклостями). Непрозрачное сферическое зеркало 6а установлено на таком расстоянии от активного элемента 1, чтобы обеспечить полное отражение луча 5 единственной продольной моды. На Фиг. 2 это условно показано двусторонней стрелкой на линии 5, что символизирует обратное отражение. Другой луч, показанный пунктиром (луч любой другой моды) не будет отражаться от непрозрачного сферического зеркала 6а обратно в активный элемент 1.
На Фиг. 3 показан вариант осуществления, в котором непрозрачное зеркало 6б выполнено тороидальным, а активный элемент 1 в этом случае имеет свои конусообразные торцы обращенными в одну сторону. Непрозрачное тороидальное зеркало 66 установлено с той стороны активного элемента 1, на которой конусообразный торец выполнен воронкообразным, и на таком расстоянии от него, чтобы обеспечить полное отражение луча 5 единственной продольной моды. На Фиг. 3 это условно показано двусторонней стрелкой на линии 5, что символизирует обратное отражение. Другой луч, показанный пунктиром (луч любой другой моды) не будет отражаться от непрозрачного тороидального зеркала 66 обратно в активный элемент 1.
На Фиг. 4 показан вариант осуществления, в котором непрозрачное зеркало 6в выполнено в виде усеченного конуса и установлено выпуклостью по направлению к активному элементу 1, который в этом случае имеет свои конусообразные торцы обращенными в противоположные стороны (наружу выпуклостями). Угол при (воображаемой) вершине конуса непрозрачного зеркала 6в и расстояние от активного элемента 1 выбирают так, чтобы обеспечить полное отражение луча 5 двух (или более) продольных мод. На Фиг. 4 это условно показано двойной жирной линией.
Способ по первому объекту настоящего изобретения реализуется в устройстве по второму объекту настоящего изобретения в любом возможном варианте осуществления следующим образом.
Прежде всего, изготавливают (или выбирают заранее изготовленный) твердотельный активный элемент 1 лазера в виде полого тонкостенного круглого цилиндра, торцы которого выполняют конусообразными под углом Брюстера относительно плоскости, перпендикулярной продольной оси 4 этого цилиндра.
Непрозрачное зеркало 6 выполняют такой формы и устанавливают его с одной стороны от активного элемента 1 на таком расстоянии, чтобы генерируемый активным элементом 1 луч 5 по меньшей мере одной продольной моды имел полное отражение от части непрозрачного зеркала 6.
Выходное зеркало 7 выполняют в виде плоско-вогнутого аксикона, одна поверхность которого выполнена конусообразной под углом Брюстера относительно плоскости, перпендикулярной продольной оси этого аксикона.
Выходное зеркало 7 устанавливают с другой стороны от активного элемента 1 на одной с ним продольной оси на таком расстоянии, чтобы луч 5 по меньшей мере одной продольной моды выходил из выходного зеркала 7 по направлению, параллельному продольной оси 4.
В зависимости от конкретного применения используют непрозрачное зеркало 6 соответствующей формы.
Если необходимо подавить все моды кроме одной продольной, в качестве непрозрачного зеркала 6 выбирают либо сферическое зеркало 6а, либо тороидальное зеркало 6б. В первом случае активный элемент 1 имеет свои конические торцы выпуклыми, т.е. обращенными в противоположных направлениях наружу цилиндра 1, а во втором случае конусообразные торцы активного элемента 1 обращены в одном направлении, и непрозрачное тороидальное зеркало 6б размещают с той стороны от активного элемента 1, торец которой выполнен воронкообразным. От любого из этих непрозрачных зеркал только один луч (луч с единственной продольной модой) отражается строго назад в стенку активного элемента 1.
Если же требуется формирование луча из нескольких продольных мод, выбирают непрозрачное зеркало 6в в виде усеченного конуса. Активный элемент 1 при этом имеет такое же выполнение, как и в случае со сферическим непрозрачным зеркалом 6а.
При любом варианте осуществления (в том числе и не рассмотренном здесь) луч 5, выйдя преломленным из активного элемента 1 с другой стороны от непрозрачного зеркала 6, испытывает «обратное» преломление на конической поверхности аксикона выходного зеркала 7, в результате чего луч 5 становится параллельным продольной оси 4. Такой луч частично отражается от плоской наружной стороны выходного зеркала 7, а частично выходит из него, сохраняясь в форме полой трубки. При этом, как показано в вышеуказанных аналогах, поляризация такого луча будет радиальной.
Излучение, поляризация которого отлична от радиальной, или которое распространяется под углом к продольной оси 4 активного элемента 1, после преломления на выходе из конического торца (конуса с углом Брюстера) либо будет иметь такую траекторию распространения, что не отразится в нужном направлении от непрозрачного зеркала 6а или 6б, либо вовсе не попадет на него.
В то же время применение непрозрачного зеркала 6в в виде усеченного конуса с заданной величиной угла при вершине, отражающего строго в обратном направлении в объем активного элемента 1 лучи с радиальной поляризацией излучения, обуславливает участие в генерации большего числа мод, что обеспечивает повышенный энергосъем по сравнению с предыдущими случаями.
1. Способ формирования трубчатого потока лазерного излучения с радиальной поляризацией, в котором:
- обеспечивают твердотельный активный элемент лазера в виде полого тонкостенного круглого цилиндра, торцы которого выполняют конусообразными под углом Брюстера относительно плоскости, перпендикулярной продольной оси этого цилиндра;
- выполняют непрозрачное зеркало такой формы и устанавливают его с одной стороны от упомянутого активного элемента на таком расстоянии, чтобы генерируемый упомянутым активным элементом луч по меньшей мере одной продольной моды имел полное отражение от части упомянутого непрозрачного зеркала;
- выполняют выходное зеркало в виде плоско-вогнутого аксикона, одна поверхность которого выполнена конусообразной под углом Брюстера относительно плоскости, перпендикулярной продольной оси упомянутого аксикона;
- устанавливают упомянутое выходное зеркало с другой стороны от упомянутого активного элемента на одной с ним продольной оси на таком расстоянии, чтобы упомянутый луч по меньшей мере одной продольной моды выходил из упомянутого выходного зеркала по направлению, параллельному упомянутой продольной оси.
2. Способ по п. 1, в котором:
- конусообразные торцы упомянутого активного элемента выполняют обращенными в противоположные стороны;
- упомянутое непрозрачное зеркало выполняют сферическим и устанавливают его выпуклостью к упомянутому активному элементу на таком расстоянии от него, чтобы обеспечить полное отражение упомянутого луча единственной продольной моды.
3. Способ по п. 1, в котором:
- конусообразные торцы упомянутого активного элемента выполняют обращенными в одну и ту же сторону;
- упомянутое непрозрачное зеркало выполняют тороидальным и устанавливают его со стороны упомянутого активного элемента, конусообразный торец которой выполнен воронкообразным, на таком расстоянии от него, чтобы обеспечить полное отражение упомянутого луча единственной продольной моды.
4. Способ по п. 1, в котором:
- конусообразные торцы упомянутого активного элемента выполняют обращенными в противоположные стороны;
- упомянутое непрозрачное зеркало выполняют коническим и устанавливают его выпуклостью к упомянутому активному элементу на таком расстоянии от него, чтобы обеспечить полное отражение упомянутых лучей не менее двух продольных мод.
5. Устройство для формирования трубчатого потока лазерного излучения с радиальной поляризацией, содержащее:
- твердотельный активный элемент лазера в виде полого тонкостенного круглого цилиндра, торцы которого выполнены конусообразными под углом Брюстера относительно плоскости, перпендикулярной продольной оси этого цилиндра;
- непрозрачное зеркало, выполненное такой формы и установленное с одной стороны от упомянутого активного элемента на таком расстоянии, чтобы генерируемый упомянутым активным элементом луч по меньшей мере одной продольной моды имел полное отражение от части упомянутого непрозрачного зеркала;
- выходное зеркало в виде плоско-вогнутого аксикона, одна поверхность которого выполнена конусообразной под углом Брюстера относительно плоскости, перпендикулярной продольной оси упомянутого аксикона;
- при этом упомянутое выходное зеркало установлено с другой стороны от упомянутого активного элемента на одной с ним продольной оси на таком расстоянии, чтобы упомянутый луч по меньшей мере одной продольной моды выходил из упомянутого выходного зеркала по направлению, параллельному упомянутой продольной оси.
6. Устройство по п. 5, в котором:
- конусообразные торцы упомянутого активного элемента обращены в противоположные стороны;
- упомянутое непрозрачное зеркало выполнено сферическим и установлено выпуклостью к упомянутому активному элементу на таком расстоянии от него, чтобы обеспечить полное отражение упомянутого луча единственной продольной моды.
7. Устройство по п. 5, в котором:
- конусообразные торцы упомянутого активного элемента обращены в одну и ту же сторону;
- упомянутое непрозрачное зеркало выполнено тороидальным и установлено со стороны упомянутого активного элемента, конусообразный торец которой выполнен воронкообразным, на таком расстоянии от него, чтобы обеспечить полное отражение упомянутого луча единственной продольной моды.
8. Устройство по п. 5, в котором:
- конусообразные торцы упомянутого активного элемента обращены в противоположные стороны;
- упомянутое непрозрачное зеркало выполнено коническим и установлено выпуклостью к упомянутому активному элементу на таком расстоянии от него, чтобы обеспечить полное отражение упомянутых лучей не менее двух продольных мод.
