Лазер

(19 ю Н 0133/08 ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТВЕДОМСТВО СССР(ГОСПАТЕНТ СССР) САНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ ВИДЕТЕЛЬСТВУ АВТОРСКОМ к области латвердотел ьным ет быть испольоборудовании, сле ованиях и(57) Использование: в лазерной технике, в твердотельных импульсных лазерах, а также в технологическом оборудовании, системах связи, научных исследованиях и других Изобретение относитсязерной техники, точнее, кимпульсным лазерам и можзовано в технологическомсистемах связи, научных ис ддругих областях.Известны лазеры, содержащие устойчивый оптический резонатор из двух зеркал и размещенный между ними активный элемент.Недостатком подобных простейших систем является ограниченная яркость излучения, связанная либо с широким угловым спектром многомодовой генерации, либо с малым объемом использования активной среды в случае селекции поперечных мод.Увеличению яркости способствует использование части объема активного элемента для выделения пучка света, близкого к одномодовому, а затем усиление его после областях. Сущность: лазер содержит активный элемент с диаметром О и плоские зеркала глухое и выходное, дополнительное сферическое вогнутое зеркало с зеркальным участком диаметром б в центре зеркала, расположенное на расстоянии В/2 от выходного зеркала, в котором выполнено центральное отверстие диаметром 01, Приусловии О б 1б и соотношениях, связывающих конструктивные размеры с фокусным расстоянием эквивалентной термической линзы активного элемента, реализуются генерация и двухпроходовое усиление излучения при минимальной его расходимости. 1 расширения в остальной части того же активного элемента.Однако КПД такого лазера и энергетика его выходного излучения относительно малы в связи с потерями на используемых оптических элементах, малой эффективностью однопроходового усилителя, сложностью .юстировки.Целью изобретения является увеличение КПД и энергетической яркости излучения.Указанная цель достигается тем, что лазер, включающий активный элемент диаметром О и устойчивый оптический резонатор в виде плоскихд глухого и выходного зеркал, снабжен сферическим вогнутым глухим зеркалом, выполненным на прозрачной, просветленной с обеих сторон выпукло-вогнутой подложке с радиусом кривизны Я рабочих поверхностей и зеркаль1771026, ным покрытием на центральном участке ди- аметром б, удовлетворяющим условию бО, выходное зеркало выполнено на плоско- параллельной прозрачной и просветленной с обеих сторон подложке с центральным отверстием диаметром б 1, удовлетворяющим условию б 1б, и, соосным с отверстием, полупрозрачным зеркальным покрытием диаметром б, при этом сферическое зеркало расположено по направлению выходного излучения иэ резонатора на расстоянии, от его выходного зеркала и последнее расположено от ближайшей к нему главной плоскости термической линзы активного элемента с фокусным расстояниемОВ1. На РаССтОЯНИИ 1 = тт -- , З ГЛУХОЕ зеркало резонатора лазера расположено от другой главной плоскости термической лин- ЗЫ аКтИВНОГО ЭЛЕМЕНта На РаССтОЯНИИ 2 = 1 тб 1 т О В --при соблюдении условий тВО б 21 т Об 1 б .Схема предлагаемого устройства представлена на чертеже.Лазер содержит активный элемент.1, выходное зеркало резонатора 2, глухое зер.кало резонатора 3, сферическое зеркало 4. Кроме этого, дополнительно указаны: зеркальная область 5 сферического зеркала, полупрозрачная область 6 выходного зеркала резонатора того же диаметра и отверстие 7 диаметром б 1 в этом зеркале.Лазер работает следующим образом.При создании инверсной населенности в активном элементе 1 задающий генератор лазера, оптический реэонатор которого включает глухое 3 и выходное 2 плоские зеркала, излучает когерентный световой пучок, поперечное сечение которого представляет собой кольцо с внешним и. внутренним диаметрами б и б 1. Периферийная (наиболее обширная) область активного элемента не принимает участия в генерации, т.к. вся рабочая поверхность зеркала 2 вне эоны 7 просветлена, поэтому добротность этой части значительно ниже приосевой эоны диаметром б, Выходное излучение генератора с малой расходимостью, присущей резонатору с плоскими зеркалами, попадает на зеркальную область 5 сферического вогнутого зеркала 4, радиус кривизны которого равен В. Расположение этого элемента на расстоянии - от зеркала 2 обеспечиваетЯ2Фокусировку отраженного излучения с перетяжкой в отверстии 7, диаметр б которого должен быть, очевидно, больше размера этой перетяжки ( тц). Зв зеркалом 2 происОходит.расфокусировка светового пучка, который проходит дважды активный элемент, постепенно заполняя всю его апертуру. На выходе излучение с кольцеобраэной струк турой поля (внешний и внутренний диаметры равны, соответственно, О и б) проходит через просветленные части подложек зеркал.2.и 4. При этом волновой фронт этого светового пучка остается неизменным, т.к. 10 подложки указанных элементов выполнены с нейтральным мениском (одна иэ них плоскопараллельная, другая - выпукло-вогнутая с одинаковыми радиусами кривизны поверхностей). Выбор расстояний 1 и 2 от 15 главных плоскостей эквивалентной термической линзы активного элемента до, соответственно, выходного и глухого зеркал резонатора определяется необходимостью компенсации этой термической линзы с 20 целью Формирования пучкз с минимальной расходимостью.Для нахождения величины 1 и 2 можно воспользоваться матричным преобразованием световых пучков. Оптическая матрица 25 передачи от.плоскости выходного зеркала 2 через активный, элемент 1 с термической линзой б, зеркало 3 и снова активный элемент 1 к главной плоскости его линзы опи- сывается следующим образом: 1 01 , 1 01 1 -- 1+ 22 -- 22 12тт тт 35 2 22 1 1 22 М. Тт 2 тт тт ти Условие компенсации сферической составляющей расходимости излучения, выходя щего иэ активного элемента с внешним диаметром Р определяется в геометрическом приближении иэ уравнений:"Я.И " 45 где а = . Как показывает практика, укаэанное приближение в данном случае вполне оправдано и не приводит к сколь-нибудь существенным ошибкам, Подставляя элементы матрицы М в уравнения (2) и решая 50 их, получим1 тт, 2 тт -- тт . (3) ВО б 2 2 бВО Условия, 1О и 2О дают дополнительно область возможных значений параметров В, б, 0: Ь, 21 т, ОВ. (4) при которых воэможна компенсация термической линэы активного элемента. Кромеэтого, во избежание возможного понижения порога сзмовоэбуждения лазере при высоком коэффициенте усиления, необходимо, чтобы лучи, возвращающиеся от зеркала 4 к отверстию 7 под углами, большими2 б 1ат = В (угловой размер этого отверстия), не попадали после двойного прохода активного элемента на зеркальную. область 6 диаметром б. Используя матричную оптику, можно вывести выражение, соответствую-. щее указанному условию 11(1 -- )(1 -- ) - + 1- 22- --х1 22 1 2 т 2 тт тт тт тх б. (5) Подставляя в уравнение Я значения 1 и Ь из уравнений (3), получим простое неравенство: Об 1б.Предлагаемый лазер может быть использован как в режиме свободной генерации, так и в режиме модулированной добротности, В последнем случае между активным элементом 1 и глухим зеркалом 3 необходимо поместить оптический затвор (например, электрооптический или фототропный) с диаметром апертуры, не меньшим О. Затвор здесь работает не только по указанному назначению,но и в качестве оптической развязки, служащей для подавления самовозбуждения усилительного тракта.Необходимо отметить также и то, что поскольку в лазере генерация и двухпроходовое усиление происходит на одной и той же поляризации излучения, удобно использовать в качестве активного элемента эффективные зниэотропные кристаллы; например, ортоалюминат иттрия, коэффициент усиления которого. существенно зависит от поляризации проходящего через него излучения.В качестве примера можно привести конструктивные параметры твердотельного импульсного лазера на АИ: йб . удовлетворяющего перечисленным существенным признакам. Для активного элемента АИ:чб 10 100 мм (Р - 10 мм), диаметра зеркальной части зеркал 2 и 4 б - 3 мм, диаметра отверстия 7 б 1 щ 1 мм и ради уса сферического зеркала В - 300 мм имеем: а = - 0,02 рад (1,15). - - 100 см. От 2 б ВОсюда следует, что условие (4) выполняется для средней мощности накачки, соответствующей установлению термических линз активного элемента с фокусами в диапазоне б50 - 100 см, При этом длины плечей резонатора меняются: 1 - от Одо 50 см, Ь - от 50 см до О, а общая длина резонатора лазера от зеркала 4 до зеркала 3 в диапазоне 45-70 510 см, Как нетрудно видеть, условие (6) при подстановке в него указанных выше значений также выполняется,15 Формула изобретенияЛазер, включающий активный элемент диаметром О и устойчивый оптический резоизлученияон снабжен сферическим вогнутым глухим зеркалом, выполненным на прозрачной просветленной с обеих сторон выпукло-вогнутой подложке с радиусом кривизны В рабочих поверхностей и зеркальным покрытием на центральном участке диаметром б, удовлетворяющим условию бР, выходное зеркало выполнено на плоскопараллельной прозрачной и просветленной с обеих сторон подложке с центральным 30 отверстием диаметром б 1, удовлетворяющим условию б 1 б, и соосным с отверстием полупрозрачным зеркальным покрытием диаметром б, при этом сферическое зеркало 35 расположено по направлению выходногоизлучения из резонатора на расстоянии В/2 от его выходного зеркала, последнее распо ложено от ближайшей к нему главной плоскости термической линзы активного элемента с фокусным расстоянием Ь на рзсО В стоянии т - тт -- , а глухое зеркало 2 б резонатора лазера расположено от40 другой главной плоскости термической линзы активного элемента на рзсстоянии 21 т --при соблюдении условийВ Отб21 т, О б 1б .ОВ50 натор в виде плоских глухого и выходного зеркал;отличающийся тем,что,сцелью 20 увеличения КПД иэнергетической яркости1771026 Составитель Г, КузнецовТехред М.Моргентал ектор А, Мотыль акт изводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 аказ 3275 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5