Резонатор лазера

 

Изобретение относится к лазерной технике, в частности к резонаторам мощных СО₂ лазеров. Сущность: резонатор лазера содержит установленные софокусно выпуклое зеркало и вогнутое зеркало с центральным отверстием, ось которого совпадает с осью резонатора. Дополнительное зеркало установлено за вогнутым зеркалом. При этом в выпуклом зеркале выполнено отверстие с центром на оптической оси резонатора. Поверхность отверстия, примыкающего к отражающей поверхности зеркала, выполнена тороидальной и на нее нанесено отражающее покрытие. За выпуклым зеркалом установлено второе дополнительное зеркало, софокусное первому. Оба дополнительных зеркала выполнены вогнутыми, а их оптические оси совмещены с оптической осью резонатора. Фокус дополнительных зеркал размещен в отверстии выпуклого зеркала в плоскости сечения минимального диаметра, при этом F₁/F ₂>f₁/f₂ и d f₁/f≤D≤d F₁/F₂, где D - диаметр отверстия в вогнутом зеркале, f₁ и f₂ - фокусные расстояния первого и второго зеркал, F₁ и F₂ - фокусные расстояния вогнутого и выпуклого зеркал, d - минимальный диаметр отверстия в выпуклом зеркале, определяемый по формуле где λ - длина волны излучения. Технический результат: уменьшение расходимости лазерного излучения. 2 ил.

Изобретение относится к лазерной технике, в частности к резонаторам мощных СО₂ лазеров.

Известен телескопический резонатор мощного лазера, содержащий установленные софокусно выпуклое и вогнутое зеркало (см. книгу Ю.А.Ананьев. Оптические резонаторы и проблема расходимости лазерного излучения. М., 1979, стр.158).

Недостатком резонатора является то, что в случае мелкомасштабных и несимметричных неоднородностей активной среды большого объема расходимость излучения существенно превышает дифракционную.

Известен резонатор лазера с отверстием связи, содержащий установленные софокусно выпуклое зеркало и вогнутое зеркало с отверстием, центр которого находится на оптической оси резонатора, и задающим резонатором управляющего лазера (см. Ю.А.Ананьев. Оптические резонаторы и проблема расходимости лазерного излучения. М., 1979, стр.261). Для эффективного управления излучением лазера в отверстие вводится излучение сигнала управляющего лазера с плотностью порядка плотности излучения внутри резонатора, тогда лазер начинает работать как усилитель этого сигнала. Сигнал совершает по резонатору конечное количество проходов, при этом набирает на неоднородностях суммарное изменение длины оптического пути меньше, чем излучение, генерируемое в резонаторе лазера, если сигнал, входящий в отверстие, имеет малую расходимость. То есть, когда излучение высокого качества вводится в достаточно большое отверстие резонатора, расходимость выходящего излучения уменьшается.

Недостатком этого резонатора является то, что для эффективного управления мощным лазером необходимо создать и использовать достаточно мощный управляющий лазер с высоким качеством излучения, что является дополнительной сложной задачей.

Известен телескопический резонатор лазера, содержащий установленные софокусно выпуклое и вогнутое зеркало и расположенный между ними элемент, осуществляющий поляризацию излучения (см. книгу Ю.А.Ананьев. Оптические резонаторы и проблема расходимости лазерного излучения. М., 1979, стр.276). В газовых лазерах в качестве поляризующего элемента используют плоскопараллельную прозрачную пластину, установленную под углом Брюстера к оптической оси резонатора (см. книгу А.Мэйтлэнд, М.Данн. Введение в физику лазеров. М., 1979, стр.314). Пластина при этом выполняет функцию раздела сред, что улучшает расходимость выходящего из лазера излучения.

Недостатком резонатора является то, что наклонная пластина внутри резонатора вносит астигматизм в проходящую сферическую волну, т.е. ухудшает расходимость выходящего из резонатора излучения. Поскольку внутри резонатора на пластину падают волны с двух сторон, т.е. она находится в поле вдвое большей плотности, чем вне резонатора, то при работе с мощным лазерным излучением в ней раньше, чем вне резонатора появляются дефекты, ухудшающие расходимость.

Известен самофильтрующийся неустойчивый резонатор СО₂ лазера, содержащий установленные софокусно два вогнутых зеркала, в фокусе которых находится наклонно расположенное плоское зеркало с отверстием, центр которого находится на оптической оси резонатора (см. статью R.Barbini et al. "lnjection - locked single-mode high-power low-diverglnce TEA CO ₂ laser using SFUR configuration, magazine Optics communications, vol. 60, n. 4, 15 November 1986, p.239-243).

Диаметр отверстия плоского зеркала определяется по формуле

где d - диаметр отверстия;

λ - длина волны излучения;

f₂ - фокусное расстояние ближайшего к отверстию зеркала.

Наклонное зеркало выводит из резонатора излучение, идущее от дальнего (от отверстия) зеркала. Поскольку вогнутые зеркала софокусны, то идущий от дальнего зеркала пучок излучения является "параллельным". Часть пучка проходит в отверстие наклонного зеркала и фокусируется ближним зеркалом в отверстие, диаметр которого равен диаметру центрального диска пятна Эйри при дифракции плоской волны на этом отверстии. Таким образом, отверстие является селектором поперечных мод и излучение имеет наилучшую, в данной активной среде, расходимость. Поскольку размер фокального пятна в плоскости отверстия почти равен диаметру отверстия, то плотность излучения в отверстии, т.е. фокусе ближнего зеркала, почти такая же как в резонаторе, и оптического пробоя среды не происходит. При этом почти вся энергия излучения, идущая от ближнего вогнутого зеркала, проходит через отверстие.

Недостатком резонатора является то, что его геометрия не позволяет работать с большими объемами активных сред, т.е. он не позволяет генерировать мощное лазерное излучение. При работе лазера часть излучения попадает на поверхность отверстия, т.к. высокочастотные составляющие пятна Эйри имеют больший размер, всегда есть погрешность в юстировке зеркал, и активная среда имеет неоднородность, что увеличивает фокальное пятно и изменяет положение фокуса. При этом, поскольку отверстие является цилиндрическим, происходит фокусировка отраженного от поверхности отверстия пучка в небольшую протяженную область вблизи оптической оси резонатора. При большом усилении на проход, т.е. при большой плотности излучения в резонаторе это приводит к оптическому пробою активной среды, т.е. появлению дополнительной неоднородности, которая ухудшает расходимость излучения.

Известен трехзеркальный резонатор лазера, содержащий установленные софокусно выпуклое зеркало и вогнутое зеркало с отверстием, центр которого находится на оптической оси резонатора, дополнительное зеркало, установленное за вогнутым зеркалом (см. Ю.А.Ананьев. Оптические резонаторы и проблема расходимости лазерного излучения. М., 1979, стр.257) - прототип. Наличие промежутка между вогнутым и дополнительным зеркалом позволяет управлять спектрально-временными характеристиками лазерного излучения путем помещения туда управляющих элементов.

Недостатком резонатора является то, что он не позволяет управлять пространственными характеристиками лазерного излучения, т.е. не улучшает расходимости, а неточности его изготовления и юстировки могут только ухудшить расходимость. При наличии мелкомасштабных и несимметричных неоднородностей в активной среде большого объема такой резонатор, как и телескопический резонатор мощного лазера из софокусных выпуклого и вогнутого зеркал, обеспечивает только расходимость лазерного излучения, существенно превышающую дифракционную.

Целью изобретения является уменьшение расходимости лазерного излучения.

Указанная цель достигается тем, что в выпуклом зеркале выполнено отверстие, центр которого находится на оптической оси резонатора переменного сечения, диаметр которого уменьшается в направлении к отражающей поверхности зеркала, причем часть поверхности отверстия, примыкающая к отражающей поверхности зеркала, выполнена зеркальной, что повышает порог плазмообразования, тороидальной формы, поверхность которой, примыкающая к отражающей поверхности зеркала, перпендикулярна к ней. Кривизна тороидальной поверхности в плоскости, содержащей оптическую ось, расфокусирует отражаемое излучение, а кривизна тороидальной поверхности в плоскости, перпендикулярной оптической оси, фокусирует отражаемое излучение. При этом в каждой точке тороидальной поверхности кривизна в плоскости, содержащей оптическую ось, больше или равна кривизне в плоскости, перпендикулярной оптической оси. При этом фокусирующие свойства поверхности компенсируются расфокусирующими свойствами и концентрации излучения после отражения от тороидальной поверхности не происходит, т.е. исключается оптический пробой среды, ухудшающий расходимость. За выпуклым зеркалом установлено второе дополнительное зеркало, фокусное расстояние которого меньше фокусного расстояния первого дополнительного зеркала, оба дополнительных зеркала выполнены вогнутыми и установлены софокусно так, что их оптическая ось совпадает с оптической осью резонатора, причем фокус дополнительных зеркал находится в отверстии выпуклого зеркала в плоскости сечения минимального диаметра. Отношение фокусных расстояний вогнутого и выпуклого зеркал больше отношения фокусных расстояний первого и второго дополнительных зеркал. Это дает возможность при дифракции на краях пучков исключить попадание расходящихся пучков не на "свое" зеркало, т.е. не на зеркало, установленное софокусно с зеркалом, от которого идет пучок, т.е. исключить появление в резонаторе паразитных волн с большой расходимостью. Поскольку отношение фокусных расстояний вогнутого и выпуклого зеркал больше отношения фокусных расстояний первого и второго дополнительных зеркал, плотность излучения внутри резонатора из дополнительных зеркал больше, чем плотность излучения в телескопическом резонаторе из вогнутого и выпуклого зеркал. При этом имеет место эффективное управление расходимостью лазера с резонатором из вогнутого и выпуклого зеркал, т.к. его самовозбуждение не происходит. Диаметр отверстия в вогнутом зеркале находится в интервале, определяемом соотношением

где D - диаметр отверстия в вогнутом зеркале;

f₁ - фокусное расстояние первого дополнительного зеркала;

f₂ - фокусное расстояние второго дополнительного зеркала;

F₁ - фокусное расстояние вогнутого зеркала;

F ₂ - фокусное расстояние выпуклого зеркала;

d - минимальный диаметр отверстия в выпуклом зеркале, определяемый по формуле

,

где λ - длина волны лазерного излучения.

Интервал диаметра в вогнутом зеркале, при дифракционном размытии края пучков, позволяет исключить попадание расходящихся пучков не на "свое" зеркало, т.е. образование паразитных волн, ухудшающих расходимость. Минимальный диаметр отверстия в выпуклом зеркале равен диаметру центрального диска пятна Эйри, формируемым вторым дополнительным зеркалом в плоскости сечения минимального диаметра, при дифракции плоской волны на этом отверстии. При этом отверстие является селектором поперечных мод резонатора, образованного дополнительного зеркалами. Таким образом, в резонатор из вогнутого и выпуклого зеркал вдоль его оптической оси поступает излучение с наилучшей в данных условиях расходимостью.

Между выпуклым зеркалом и вторым дополнительным зеркалом расположено выходное окно, выполненное в виде плоскопараллельной пластины, установленной под углом Брюстера к оптической оси резонатора. При этом генерируемое в резонаторе из дополнительных зеркал излучение линейно поляризовано, т.к. пластина поляризует проходящее излучение и линейную поляризацию пропускает без потерь на отражение. Поскольку пучок излучения между выпуклым зеркалом и вторым дополнительным зеркалом почти параллелен, то вносимый пластиной астигматизм не велик и фильтруется отверстием выпуклого зеркала так же, как и искажения пучка из-за дефектов в пластине, т.е. расходимость выходящего из выходного окна излучения меньше, чем в случае, когда пластина установлена между выпуклым и вогнутым зеркалом резонатора, и чем в случае, когда она отсутствует, т.е. когда происходит смешивание рабочего газа и воздуха, особенно с различными показателями преломления на границе раздела сред.

Линейно поляризованное излучение, поступающее на выпуклое, затем на вогнутое зеркала, совершает между ними конечное количество проходов, т.е. набирает на неоднородностях суммарное изменение длины оптического пути меньше, чем если бы оно генерировалось в резонаторе из вогнутого и выпуклого зеркал без отверстий в зеркалах. Т.е. выходящее из предлагаемого резонатора лазера излучение имеет меньшую расходимость, чем излучение лазера с телескопическим резонатором. При этом линейно поляризованное излучение проходит выходное окно без потерь на отражение.

На фиг.1 изображена оптическая схема резонатора мощного лазера;

На фиг.2 изображен местный вид с разрезом выпуклого зеркала.

Вогнутое 1 и выпуклое 2 зеркала с отверстиями, центр которых находится на оптической оси резонатора, установлены софокусно. За вогнутым зеркалом установлено первое дополнительное зеркало 3, за выпуклым зеркалом установлено второе дополнительное зеркало 4. Оба дополнительных зеркала выполнены вогнутыми и установлены софокусно так, что их оптическая ось совпадает с оптической осью резонатора, причем фокус дополнительных зеркал расположен в плоскости, перпендикулярной оптической оси и касательной к отражающей поверхности выпуклого зеркала. Отношение фокусных расстояний вогнутого и выпуклого зеркал равно 4,4, а отношение фокусных расстояний первого и второго дополнительных зеркал равно 4,0, т.е. различие этих отношений составляет 10%. Часть поверхности отверстия выпуклого зеркала А, примыкающая к отражающей поверхности зеркала, выполнена зеркальной, что повышает порог плазмообразования, торической формы, как частный случай тороидальной формы. Радиус торообразующей окружности этой поверхности равен минимальному радиусу отверстия, радиус вращения центра торообразующей окружности вокруг оптической оси резонатора равен минимальному диаметру отверстия, центр торообразующей окружности находится в плоскости, перпендикулярной оптической оси и касательной к отражающей поверхности выпуклого зеркала. Поверхность тора ограничивает с одной стороны отражающая поверхность зеркала, к которой поверхность тора перпендикулярна, а с другой стороны - поверхность цилиндрического отверстия, диаметр которого вдвое больше минимального диаметра отверстия в выпуклом зеркале, т.е. торическая поверхность выполнена вращением четверти окружности вокруг оптической оси. Кривизна поверхности тора в плоскости, содержащей оптическую ось, равна кривизне поверхности в плоскости, перпендикулярной оптической оси, касающейся отражающей поверхности. При отражении излучения от поверхности тора расфокусирующие свойства поверхности компенсируют или превосходят ее фокусирующие свойства, т.е. фокусировки отраженного излучения и оптического пробоя активной среды не происходит. Диаметр отверстия в вогнутом зеркале больше минимального диаметра отверстия в выпуклом зеркале в 4,2 раза. Минимальный диаметр отверстия в выпуклом зеркале равен диаметру центрального диска пятна Эйри при фокусировке вторым дополнительным зеркалом плоской волны, прошедшей это отверстие, и равен 5,8 мм.

Выходное окно 5 выполнено из плоскопараллельной пластины NaCl, установленной под углом Брюстера к оптической оси между выпуклым и вторым дополнительным зеркалом. Отверстие в выпуклом зеркале и брюстеровское окно являются угловым селектором и поляризатором соответственно и выделяют лучшую линейно-поляризованную моду, на которой работает резонатор из дополнительных зеркал.

Излучение этой моды имеет минимальную расходимость, линейную поляризацию, попадает на выпуклое зеркало, затем на вогнутое зеркало и, совершив между ними несколько проходов с усилением, выходит из резонатора через брюстеровское окно без потерь на отражение.

Резонатор позволяет уменьшить расходимость лазерного излучения модного лазера с неоднородной активной средой, особенно мощного лазера с мелкомасштабными и несимметричными неоднородностями активной среды, которые невозможно компенсировать использованием резонаторов с вращением поля. При наличии в активной среде еще и крупномасштабных симметричных неоднородностей целесообразно использовать в качестве вогнутого и выпуклого зеркал уголковые отражатели со сферическими или цилиндрическими поверхностями, что позволит получить лучшую расходимость еще и потому, что снимается проблема щели на оптической оси резонатора. Дополнительные зеркала со сферическими вогнутыми поверхностями позволяют увеличить стабильность направленности излучения при вибрациях зеркал и уменьшить чувствительность резонатора к термодеформациям зеркал, т.к. резонатор из вогнутых зеркал более устойчив к разюстировке и имеет меньшие радиусы зеркал, чем телескопический резонатор. Для лазера малой мощности отверстие в выпуклом зеркале достаточно выполнить с поверхностью цилиндрической или конической формы.

Формула изобретения

Резонатор лазера, содержащий установленные софокусно выпуклое зеркало и вогнутое зеркало с центральным отверстием, ось которого совпадает с осью резонатора, и дополнительное зеркало, установленное за вогнутым зеркалом, отличающийся тем, что, с целью уменьшения расходимости лазерного излучения, в выпуклом зеркале выполнено отверстие с центром на оптической оси резонатора, при этом поверхность отверстия, примыкающего к отражающей поверхности зеркала, выполнена тороидальной, и на нее нанесено отражающее покрытие, а за выпуклым зеркалом установлено второе дополнительное зеркало, софокусное первому, и оба дополнительных зеркала выполнены вогнутыми, оптические оси которых совмещены с оптической осью резонатора, причем фокус дополнительных зеркал размещен в отверстии выпуклого зеркала в плоскости сечения минимального диаметра, при этом

и

где D - диаметр отверстия в вогнутом зеркале;

f₁ и f₂ - фокусные расстояния первого и второго дополнительных зеркал;

F ₁ и F₂ - фокусные расстояния вогнутого и выпуклого зеркал;

d - минимальный диаметр отверстия в выпуклом зеркале, определяемый по формуле

где λ - длина волны излучения.

РИСУНКИ