Многолучевой лазер

(,1нт 4 я-: Комитет Росси йск Феде раци ым знака патентам и тов) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕ к авторскому свидетельству зере узе. ва ввода магнитны ные струк- оптическим . Узел свяще зеркала кционными(7) Всесоюзный научный центр Государственный оптический институт им.С.И.Вавилова(56) Патент США 1 Ч 4688228, кл. Н 0133/098, 1987. Глова А.Ф. и др. Фазоваясинхронизация двумерного набора волноводных СО 2-лазеров. Письма в ЖТФ, 1985,т.11, в.4, 249. г(57) Сущность изобретения; всвязи выполнен в виде устройвывода поверхностных электроволн, пространственно ограничентуры которого размещены поосям секций активного элементази может быть выполнен в всвязи с линейными дифрструктурами. 4 3. п, ф-лы, Э илИзобретение относится к лазерной технике, в частности, к многоканальным лазерным системам и может использоваться при создании технологических лазеров,Целью изобретения является повышение мощности генерации лазера.В качестве устройств ввода-вывода ПЭВ могут быть взяты элементы с использованием геометрии нарушенного полного внутреннего отражения (например, Отто, Кретчмана) или диафрагменного метода возбуждения ПЭВ.Дифракционно-решеточная структура для авода-вывода ПЭВ может быть выполнена непосредственно на внутренней поверхности глухого металлического зеркала общего резонатора лазера. При этом зеркалоявляется одновременно и отражающим и осуществляющим функцию оптической связи секций активного элемента.Дифракционно-решеточная структура может быть размещена на наружной поверхности глухого частично-прозрачного зеркала общего резонатора, выполненной в виде слоистой металло-диэлектрической структуры с использованием оптически тонкого слоя металла для увеличения длины распространения ПЭВ,На фиг.1 приведено схематическое изображение предложенного устройства с нормальным расположением зеркала связи, использованного при создании многолучевого волноводного С 02-лазера (на примере конкретного выполнения) и содержащего секции 1 активного элемента, оптические оси О-О которых параллельны друг другу, выходное 2 и частично-прозрачное глухое 3 зеркала резонатора, установленное за глухим зеркалом резонатора зеркало 4 связи, с нанесенными на нем пространственно-ограниченными дифракционными структурами 5, размещенными по оптическим осям О-О секций активного элемента и служащими для ввода-вывода ПЭВ.На фиг,2 представлена принципиальная схема лазера с дополнительным глухим зеркалом, где зеркало 4 связи расположено под углом О0 90 к оптическим осям секций активного элемента, а дополнительное глухое зеркало 6 установлено по ходу луча после зеркала 4 связи таким образом, что угол между нормалями к зеркалу связи п и дополнительному глухому зеркалу и равен О.На фиг.З изображена схема расположения дифракционных структур при линейной а и объемной б компановках секций активного элемента лазера, В случае линейного расположения секций активного элемента5 10 ров 91 решеток дифракционных структур выбирается параллельным биссектрисе 20.острого угла а. Для возбуждения ПЭВ в 25 ЗО 35 40 45 50 55(фиг,За), пространственно-ограниченные дифракционные структуры выполняются в виде параллельных линейных решеток, направление векторов 91 которых совпадает с прямой 7 - 7, вдоль которой расположены структуры, При этом максимальная эффективность связи будет достигаться при Е дь где Е - вектор электрического поля излучения 1-й секции активного элемента, т,е. при использовании р-поляризованного излучения. При объемной компановке секций активного элемента лазера центры областей дифракционных структур располагаются(см, фиг.Зб) на пересечении двух групп взаимно-параллельных прямых (8-8 и 9-9), образующих между собой острый угол 2 агсзп(зи О /Вед, а направление вектоданном случае используется з-поляризовэнное излучение.Идеей изобретения является следующее. Для того, чтобы практически устранить зависимость фазовой синхронизации секций активного элемента от расстояния между глухим зеркзлом резонатора и зеркалом связи и, чтобы особенно важно, от коэффициента отражения глухого зеркала для геометрического смещения падающего и отраженного лучей, с целью оптической завязки секций активного элемента, используется промежуточное преобразование излучения в ПЭВ и обратно. Для этого на поверхности металлического зеркала, на границе раздела которого с воздухом возможно распространение ПЭВ, в геометрических.областях падения света от секций активного элемента выполнены ограниченные дифракционно-решеточные структуры, В зависимости от положения элементов связи и компановки секций активного элемента период наносимой решетки выбирается из условий:О =1 /Ве д - при размещении зеркала связи по нормали к оптической оси и линейном расположении секций активного элемента;О=А /(Ве д+з 1 п О) - при размещении зеркала связи под углом Вк оптической оси и линейном расположении секций активного элемента;б=А /(Ве д.з 1 п Я - при размещении зеркала связи под углом О к оптической оси и объемной компановке секций активного элемента. Здесь А -длина волны генерации лазера; Ве д - действительная часть комплексного показателя преломления границы раздела для ПЭВ, 1829826лазера при уровне выходной мощности 32Вт, Когерентный режим работы всех секцийактивного элемента подтверждался наличием интерференционной картины излучения5 в дальней зоне (фокальном пятне излучения).Благодаря выполнению дополнительного зеркала связи в виде пространственноограниченных дифракционных структур с10 выбранным периодом и размещению еговне резонатора (за глухим частично прозрачным зеркалом) возможна независимаяот требований фаэировки оптимизация резонатора иэ условия получения маке;ималь 15 ной мощности генерации. При этомобеспечивается надежная фазовая синхронизация большого числа волноводных секцийактивной среды практически без увеличениягабаритов многолучевого лазера, а для стаби 20 лизации частоты лазеоа могут быть использованы известные простейшие системыавтоматической подстройки частоты,хого зеркала, оптически связанного сзеркалом связи, при этом зеркало свя 25 зи выполнено в виде дифракционныхструктур для ввода-вывода поверхностных электромагнитных волн, а уголмежду нормаглми к зеркалу связи идополнительному глухому зеркалу равен4, Лазер по пп.1, 3, отличающийсятем, что зеркало связи выполнено в виде линейных дифракционных структур спериодомб = Ойе+зпО,где А - длина волны генерации лазера;Йед - действительная часть комплекс 40 ного показателя преломления границы раздела для поверхностныхэлектромагнитных волн,при этом направление векторов решеток дифракционных структур совпада 45 ет с прямой, вдоль которой расположе.ны структуры.5. Лазер по пп.1, 3, отличающийсятем, что центры областей дифракционных структур расположены на пересечении двух групп взаимопараллельныхпрямых, острый угол между которымиравена = агсзп(зпд/Веу),55 период дифракционных структур ра- вен 1. МНОГОЛУЧЕВОЙ ЛАЗЕР, включающий размещенные между зеркалами резонатора секции активного элемента, оптические оси которых параллельны друг другу и узел связи, отличающийся тем, что, с целью повышения мощности генерации, узел связи выполнен в виде устройства ввода-вывода поверхностных электромагнитных волн, пространственно-ограниченные структуры которого размещены по оптическим осям секций активного элемейта.2, Лазер по п.1, отличающийся тем, что, с целью уменьшения габаритов, узел связи выполнен в виде зеркала связи, установленного по нормали к оптическим осям секций активного элемента, с линейными дифракцион ными структурами для ввода-вывода поверхностных электромагнитных волн с периодом б = Ойед, где А - длина волны генерации лазера; Вед - действительная часть комплексного показателя преломления границы раздела для поверхностной электромагнитной волны, при этом направление векторов решеток дифракционных структур совпадает с прямой, вдоль которой расположены структуры,3. Лазер по п,1, отличающийся тем, что с целью повышения технологичности изготовления, узел связи выполненвиде зеркала связи, установленного под углом 0 к оптическим осям секций активного элемента, выбранным из условия 990, и дополнительного глуся зеркала, Качественно структура излучения в дальней зоне наблюдалась по прожиганию эмульсии фотопленки, расположенной в фокальной плоскости линзы.Были реализованы независимый и когерентный режимы работы лазера. При независимой работе секций активного элемента наблюдалось простое "арифметическое" сложение интенсивностей всех секций, а излучение лазера представляло собой набор некогерентных между собой лазерных пучков, Установка непосредственно за глухим зеркалом резонатора дополнительного зеркала связи, представляющего собой пленку золота толщиной 0,15 мкм на полированной подложке иэ суперинвара с нанесенными соосно секциям активного элемента идентичными дифракционными решетками с периодом б=10,58 мкм и глубиной штриха рельефа 0,08 мкм, обеспечила когерентную работу всех пяти секций волноводного Ф о р м у л а и э о б р е.т е н и я где Л - длина волны генерации лазера:Выполнение узла связи в виде устройства ввода-вывода ПЭВ позволяет снять "пороговое" ограничение назначениекоэффициента отражения глухого зеркаларезонатора (й 0,48 - в примере конкретного выполнения устройства-прототипа) и,используя глухое зеркало с коэффициентомотражения близким к максимальному, существенно повысить мощность генерации лазера, 10Устройство работает следующим образом,В секциях 1 активного элемента, наполненных газовой смесью СОр,Мг. Не:Хе и герметизированных окнами, установленными 15под углом Брюстера, возбуждается емкостный разряд и создается инверсная населенность, За счет когерентного усиления врезультате индуцированных квантовых переходов в каждой секции активного элемента возникает когерентноелинейно-поляризованное излучение, Приэтом часть излучения через глухое, частичнопрозрачное зеркало 3 попадает на дифракционные решетки 5 и на металлическом зеркале 4 связи генерируется ПЭВ, Посколькудифракционные решетки, служащие дляввода и вывода излучения (соответственно,преобразования лазерного излучения вПЭВ и обратно). выполнены с периодом 30д=Л йе , обеспечивающим резонансныйугол ввода и вывода ПЭВ равным нулю, томежду секциями активного элемента происходит взаимный обмен излучением,Доля излучения, попадающего из однойсекции в соседнюю через зеркало 4 связи.составляет единицы процентов, что доста-,точно для установления во всех секциях активного элемента общего типа колебаний,т.е. режима работы многолучевого лазера 40как одного пространственно когерентногоисточника.В случае нормального расположениязеркала 4 связи на пути р-поляризованногопучка на резонансной решетке возбуждаются две противоположные по направлениюраспространения ПЭВ, и осуществляетсяболее однородная (по всем секциям активного элемента) оптическая связь.Если использовать зеркало 4 связи, установленное под углом 0 к оси резонаторас периодом дифракционно-решеточнойструктуры равным б= Л (йе д -з и О). то ПЭВбудет распространяться лишь в одном направлении. Две ПЭВ, распространяющиесяв противоположных направлениях и обеспечивающие при этом эффективную оптическую связь, можно получить, устанавливаяна пути р-поляризованного пучка, отраженного от зеркала 4, по нормали к нему допоп.нительное глухое зеркало 6. Отраженный отзеркала 6 пучок будет на зеркале 4 связивозбуждать ПЭВ, распространяющуюся впротивоположном направлении,Если использовать зеркало 4 связи, установленное под углом О к оси резонатор сдифракционно-решеточными элементами,выполненными по схеме фиг,36 с периодомб=Л(йе д -зи о)", можно обеспечить оптическую связь секциИ активного элемента,центры поперечных сечений которых не.расположены на одной прямой (вариантобьемной компановки); при этом для возбуждения ПЭВ, распространяющихся поднекоторым углом друг относительно друга,следует использовать з-поляризованное излучение. В данном варианте также необходимо дополнительное зеркало 6 дляполучения ПЭВ, распространяющихся впротивоположных направлениях.В иных случаях неодномерной компа-.новки секций в поперечном сечении можноиспользовать дифракционные элементы авиде ограниченных кольцевых структур, лЮ,бо в виде пространственно наложенныхдифракционно-решеточных структур различной ориентации и периодов, зависящихот видов компановки.Величина оптической связи между секциями активного элемент в рассмотренныхслучаях может регулироваться следуюшимипутями:- изменением поляризации излучения(можно для каждой секции в отдельности)относительно вектора решетки дифракцион ной структуры;- глубиной штриха решетки;- изменением глубины штриха решеткивдоль поверхности зеркала;- варьированием коэффициента пропускания зеркала резонатора.Экспериментальные исследования проводились на многолучевом С 02-лазере с высококочастотной накачкой. Активныйэлемент состоял из пяти керамических секций с диаметром волновода 2 мм, длиной400 мм и окном Брюстера из ЛпЯе, Секциирасполагались линейно с шагом 10 мм ибыли установлены в общем резонаторе сзеркалами в виде плоскопараллельных пластин из Упыре с диэлектрическими покрытиями и коэффициентами отражения 90"и.97,5 соотьетственно. В качестве рабочейсреды использовались газовая смесьС 02:КгНе:Хе в соотношении 1:1:5:33, Распределение интенсивности поля регистрировалось путем сканирования луча пофотоприемникам с помощью враща;ощего 1829826 10Вед - действительная часть комплексного показателя преломления границы раздела для поверхностных электромагнитных волн,а направление векторов решеток дифракционных структур совпадает с биссектрисой острого угла между пересекающимися прямыми.1829826 ственно-издательский комби ои Редактор Заказ 15 Составитель В, Макинакова Техред М.Моргентал Корректор Н. Король Тираж Подписное НПО "Поиск" Роспатента13035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101