Лазер с неустойчивым резонатором

 

1. ЛАЗЕР С НЕУСТОЙЧИВЫМ РЕЗОНАТОРОМ , образованный двумя сферическими зеркалами, между которыми на оптической оси размещены активный элемент, линейная фазовая пластинка, последовательно установленные диафрагма и поляриз атор, отличающ и и с я тем, что с целью увеличения яркости генерируемого излучения, зеркало , расположенное перед диафрагмой , выполнено выпукльм другое зеркало - вогнутым,а линейная фазовая; пластинка установлена между поляри- , затором, и активным элементом. 2. Лазер по п. 1,отлич а ю щ и и с я тем, что, с целью увеличения долговечности и надежности . лазера, диафрагма выполнена в виде JcoHycJHorbоптического элемента,.ограниченного двумя соосными усеченными пересекающимися коническими поверхностями , с углами ct и /3 при .вершинах , удовлетворяющими соотношениям D + d / оГ /2 arctg -51- /3 i ot- ;2|arcsi, / L arcsin причем вершины лежат по одну сторону от общего сечения конических поверхностей , расстояние между вершинами (Л а -(ctg у9/2 - ), где d - диаметр сечения конических поверхностейJ п - показатель преломления материала конусного оптичессд кого элемента; о сд о D - диаметр активного элемента; С - расстояние от конусного оптического элемента до ближайшего к «ему TopBia активного элемента,. при этом общее сечение конических поверхностей обращего к поляризатору.i

1 (19) SU n»

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

4 (51) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ лазера, диафрагма выполнена в виде конусного оптического элемента-,.orðàééченного двумя соосными усеченными пересекающимися коническими поверхностямн, с углами о и р при .вершинах, удовлетворякщими соотношениям

of 6 arctg(- — ) + Tr

9 — d

2Е

D + д Г . /cosа /21

arcrg — S р r 4+2(arcsic(11

arcsin— п) причем вершины лежат по одну сторо-. ну от общего сечения конических поверхностей, расстояние межпу вершинами где d — диаметр сечения конических поверхностей;

n — показатель преломления материала конусного оптического элемента;

D - -диаметр активного элемента;

1 — расстояние от конусного оптического элемента до ближайmего к нему торца активного элемента, при этом общее сечение конических поверхностей обращего к поляризатору. г

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

IlO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OTHPblTMA (21) 3456251/18-25 (22) 25,06.82 (46) 30.06.85. Бюл. N- 24 (72) А.С. Грабчиков, В.В. Квач, В.П. Козич и В.А. Орлович (71 ) Ордена Трудового Красного .Знамени институт физики АН Белорусской CCP (53) 621.375.8(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

В 274254, кл. Н 01 S 3/08, 1967.

2. Проспект "Nd:JAG Lasers". фирмы "Molectron Corporastion" USA, В 10, M 5/79 (прототип). (54) (57) 1. ЛАЗЕР С НЕУСТОЙЧИВЦИ РЕЗОНАТОРОМ, образованный двумя сферическими зеркалами, между которыми на оптической оси размещены активный элемент, линейная фазовая пластинка, последовательно установленные диафрагма и поляризатор, о т л и ч а юшийся тем, что с целью увеличения яркости генерируемого излучения, зеркало, расположенное перед диафрагмой, выполнено выпуклым, другое sepкало — вогнутым,алинейная фазовая; пластинка установлена между поляризатором, и активным элементом.

2. Лазер по п. 1, о т л и ч а"- " ю шийся тем, что, с целью увеличения долговечности и надежности а = -(ctg р/2 — ctg of/2)

2(сааб p/2 ссЯ о /2)

1 10505

Изобретение относится к области квантовой электроники, а именно к лазерам, и может быть использовано для возбуждения генерации в лазерах на растворах органических соединений, 5 для зондирования атмосферы, для лазерной обработки материалов и в других областях науки и техники.

Известен лазер с неустойчивым телескопическим резонатором, образо-. 10 ванный выпуклым и вогнутым зеркалами с коэффициентами отражения, равными 100Х на длине волны генерации 1 g.

Внутри, резонатора помещен активный элемент. В таком лазере вывод излучения из резонатора осуществляется мимо выпуклого зеркала, размеры которого в М раз,меньше размеров активного элемента (М вЂ” увеличение 20 резонатора, указывающее, во сколько раз увеличиваются размеры сечения светового пучка после однократного обхода по резонатору). К недостаткам такого лазера следует отнести неоднородное поперечное распределение поля генерируемого излучения в ближней и дальней волновых зонах; образование в попЕречном распределении, в промежуточной между ближней и дальней зонами, пятна с очень высокой интенсивностью (пятна Пуассона), которое может привести к повреждению оптических элементов; малую яркость генерируемого излучения.

Наиболее близким по технической

35 сущности к данному является лазер с неустойчивым резонатором 52 ).

Резонатор такого лазера образован вогнутым зеркалом и выпуклым зерка J 40 лом, с коэффициентами отражения 100Х на длине волны генерации. Внутри резонатора последовательно размещены диафрагма, поляризатор, .активный элемент и линейная фазовая пластин45 ка из кристаллическогo кварца с разностью хода для обыкновенного и необыкновенного лучей, равной четверти длины волны. Для получения моноимпульсного режима работы лазера

50 . между вогнутым зеркалом и диафрагмой может быть размещен модулятор добротности.

2 чепреломления, энергия, запасенная в активном элементе, используется не полностью, а диафрагма рассеивает внутрь резонатора лазера периферийную часть падающего на нее излучения; небольшую надежность и долговечность лазера, вызванную тем, что в процессе его эксплуатации происходит разрушение лазерным излучением диафрагмы, в результате чего ухудшаются характеристики генерируемого излучения и, кроме того., имеет место разбрызгивание материала, из которого изготовлена диафрагма, íà оптические элементы лазера и последующее разрушение этих элементов лазерным излучением.

Целью изобретения является увеличение яркости генерируемого излучения при одновременном увеличении долговечности и надежности лазера.

Цель достигается тем, что в лазере с неустойчивым резонатором, образованным двумя сферическими зеркалами, между которыми на одной оптической оси размещены активный элемент, линейная фазовая пластинка, последовательно установленные диафрагма и поляризатор, зеркало, расположенное перед диафрагмой, выполнено выпуклым, другое зеркало — вогнутым, а линейная фазовая пластинка установлена между поляризатором и активным элементом, и диафрагма выполнена в виде конусного оптического элемента, ограниченного двумя соосными усеченными пересекающимися коническими поверхностями, с углами о и /З при вершинах, удовлетворяющими соотношениям

g arctg(- 2 ) + д;

D — d

D+ d

arctg 4 /3 4 о +

/cos о /2 1 . . 1 1

+2 arcsin (— ircsin — и n) причем вершины лежат по. одну сторону от общего сечения конических поверхностей, расстояние между вершинами равно

K недостаткам такого лазсра следует отнести невысокую яркость геиери- 55 руемого излучения, так как в лазере не устранено вредное влияние наведенного в активном элементе двулу где d — диаметр сечения конических поверхностей;

n — показатель преломления материала конусного оптического элемента;

3 1050

D — - диаметр активного элемента;

Р - расстояние от конусного оп- " тического элемента до ближайщего к нему торца активного элемента,. при этом общее сечение конических поверхностей обрацено к поляризатору °

На фиг. 1 представлена общая . схема лазЕра с неустойчивым peso- IO натором; на фиг. 2 — диафрагма, выполненная в виде конусного оптичес- . кого элемента; на фиг. 3 — ход.лучей, падающих на диафрагму от актив- ного элемента лазера; на фиг. 4— ход лучей, идущих от выпуклого зерка ла к диафрагме.

Схема лазера с неустойчивым резонатором содержит выпуклое зеркало 1, вогнутое зеркало 2, активный эле- ., мент 3 лазера, выполненный в виде стержня с плоскими торцами, линейную фазовую пластинку 4, диафрагму 5, поляризатор 6; стрелками обозначено направление излучения в резонаторе 25 лазера. Угол е при вершине одной конической поверхности выбирается таким образом, чтобы исключить попадание в активный элемент излучения из периферийной эоны коллимированногоЗО пучка, которьй распространяется в направлении от вогнутого зеркала и испытывает френелевское отражение на указанной конусной поверхности (см, фиг. 3). Угол р при вершине другой

35, конической поверхности выбирается таким образом, чтобы периферийная часть коллимированного потока излучения, распространяющегося в направле-. нии от вогнутого зеркала, испытывала полное внутреннее отражение (фиг, 3) и чтобы периферийная часть расходящегося потока излучения, распространяющегося в направлении от выпуклого зеркала 1, при френелевском отраже- 45 нии от этой поверхности и преломлении в конусном оптическом элементе ие попадала в активный элемент (см. фиг. 4).

Описываемое устройство работает следующим образом;

Выходящее иэ активного элемента 3 излучение проходит последовательно через линейную фазЪвую пластинку 4 ° . поляризатор 6 и становится при этом поляризованным в плоскости пропускания поляризатора 6. Затем излуче- ние проходит через диафрагму 5 и па507, 4 дает на выпуклое зеркало 1, Отраженный .от выпуклого зеркала 1 поток излучения становится расходящимся .и проходит последовательно через диафрагму 5, поляризатор 6 и линейную фазовую пластинку 4, становясь после нее эллиптически поляризованным.

Затем поток излучения усиливается в активном элементе 3 и попадает на вогнутое зеркало 2. Отраженный от вогнутого зеркала 2 и прошедший через активный элемент.З поток излучения имеет дифракционную. Расходимость.

Он проходит через линейную фаэовую пластинку 4, после которой становит-: ся поляризованным Hà 75Х в плоскости, перпендикулярной плоскости пропускания поляризатора 6 (25X его поляриэовано в плоскости пропускания поляризатора 6), и, отражаясь от не- го, выводится из резонатора. Та часть потока излучения, которая пропускается поляризатором 6, служит для осуществления положительной обратной связи в резонаторе. Она проходит через диафрагму 5, которая предназначе- . на для отсекания излучения из периферических областей лазерного пучка, и формирует поток излучения такого диаметра, которьй необходим для полного заполнения им активного элемента 3.

Сущность изобретения поясняется следующим примером.

В лазере на алюмо-иттриевом гранате, активированнбм ионами НЙ,. Ра. 3+ ботающем .в режиме модулированной добротности, аКТНВННН элемент имеет ппоскопараллельные торцы, концентрация ионов Nda = 0,88 -весового процента;, диаметр 6,3 мм и длину 80 мм (в генерации участвовало только

60 мм длины активного элемента) и импульсная лампа типа ИСП-2500 pasмещается в стандартном посеребреном кварцевом отражателе, который, в свою очередь, герметично закреплен в осветителе. В экспериментах используют осветитель и кварцевый отражатель от изделия ИЗ-25. Активный элемент и импульсную лампу охлаждают

0,27-ным раствором хромовокислого калия в дистиллированной воде.. Резонатор лазера длиной 380 мм образован вынуклым и вогнутым зеркалами с радиусами кривизны рабочих поверхностей соответственно К = 1499,7 мм и R = 709,6 мм. Зеркала имеют коэф1050507

Если в резонатор лазера вместо коE нусного оптического элемента поместить металлическую диафрагму диамет-, ром 4 мм, то расходимость генериру- 4 емого излучения возрастает до

0,55 мрад, а энергия импульса генерации уменьшается до 0,24 Дж. Кроме того, после наработки лазером 80 часов диафрагма сильно .разрушается под действием лазерного излучения, а на местах попадания вдрызг металла диафрагфициенты отражения на длине волны генерации Л = 1,064 мкм, равные 99,57. В резонаторе лазера между выпуклым и вогнутым зеркалами последовательно размещается. электрооптический модулятор добротности, выполненный из кристалла ДКДР, диафрагма, выполненная в виде конусного оптического элемента с диаметром сечения 4 мм и углами при. вершинах конических поверхностей о = 174 и

= 84, выполненный из стекла К=8 по-. ляризатор,.в качестве которого используют призму Глана с воздушным зазором, линейная фазовая пластинка, выполненная из кристаллического кварца в виде четвертьволновой пластинки, и активный элемент. На все рабочие поверхности всех оптических элементов (кроме конусного оптического элемента), расположенных внутри резонатора лазера, нанесены просветляющие покрытия. Для электропитания лазера используют. блок питания "Тангаж", который обеспечивает подачу импульсного питания на лампу

ИСП-2500 с энергией в импульсе до

46 Дж и.частотой до 50 Гц, а также управление электрооптическим модулятором добротности. В лазере достигнуты следующие характеристики:

Энергия в импульсе 0,27 Дж;

Длительность импульса генерации на полувысоте 15 нс; .Расходимость потока генерируемого излучения 0,5 мрад;

Яркость потока генерируемого излу7 MBT чения 9,17 ° 10 стерад мы на кристалл электрооптического модулятора и поляризатора образуются . темные пятна. В результате увеличивается расходимость генерируемого потока излучения до 0,8 мрад, а энергия уменьшается до 0,2 Дж, что приводит к необходимости замены диафрагмы

) поляризатора и кристалла электрооптического модулятора добротности .

В случае установки в резонатор лазера на место диафрагмы конусного оптического элемента параметры лазера не ухудшаются и оптические элемен15 ты не получают никаких разрушений при эксплуатации лазера более 200 ч.

3а базу сравнения принято устройство, описанное в прототипе. Активный элемент прототипа имеет диаметр

20 6,3 мм, длину 80 м.. В генерации принимает участие 70 мм длины активного элемента. Лазер "MY-32" фирмы "Moelectron Corporation" без дополнительных усилителей имеет следующие характеристики:

Энергия в импульсе 0,2 Дж;

Длительность импульса генерации на полувысоте 15 нс;

Расходимость потока генерируемого

30 излучения 0,6 мрад;

Яркость потока генерируемого излучения 4,77-10

7 МВт стерад

Следовательно, лазер данной конструкции имеет яркость в 1,94 раза большую яркости лазера "MY-32" при равной длительности импульса излучения, и улучшенные рабочие характеристики (расходимость излучения, энергию

4р в импульсе и т.д.). . Таким образом, вышеописанная конструкция лазера с неустойчивым резо- натором позволяет увеличить яркость генерируемого излучения при одновременном увеличении долговечности и надежности лазера.

Предварительная оценка экономии, которую может получить народное хозяйство от применения изобретения в выр шеуказанных областях при среднегодовой потребности 300 лазеров составит около 4 млн.руб.

1050507 юг. 2

1050507

Редактор О. Юркова Техред Т.Дубичнак

Корректор Е. Сирохман

Подписное

Филиал ППП "Патент", г. Укгород, ул. Проектная, 4

Заказ 4499/3 Тиралс 658

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, %-35, Раушская наб., д. 4/5