Многоканальный источник когерентного оптического излучения

 

Использование: в лазерной технике, в частности в лазерном управляемом термоядерном синтезе. Сущность изобретения: лазеры 1 расположены периодически по дуге окружности вокруг полупрозрачного зеркала связи 2, которое имеет форму кругового цилиндра. Лазеры установлены в плоскости, перпендикулярной оси симметрии зеркала, и ориентированы радиально по отношению к этой оси. Радиус зеркала и расстояние от апертур лазеров до оси зеркала удовлетворяют соотношению, полученному на основе теории дифракции из условия полного воспроизведения периодического поля набора лазеров для цилиндрического резонатора Тальбо: где r - радиус зеркала, R - расстояние от апертур лазеров до оси зеркала, ϕ_o- - угол между осями соседних лазеров, λ- - длина волны генерации. 2 ил.

Изобретение относится к лазерной технике, в частности к многоканальным лазерам с новой формой оптического резонатора, конкретно, цилиндрической.

Известны многоканальные источники оптического излучения [1, 2] представляющие собой набор параллельно расположенных волноводных CO₂-лазеров.

Недостатком таких многоканальных источников является большая расходимость излучения и, как следствие, ограничение максимально достигаемой плотности мощности. Причина этого состоит в независимой генерации лазеров, при которой расходимость излучения определяется размером апертуры отдельного лазера.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является многоканальный источник когерентного оптического излучения [3] выполненный в виде набора периодически расположенных лазеров с дифракционной связью в резонаторе Тальбо. В этом источнике зеркало, осуществляющее связь лазеров, располагается от их выходных апертур на pасстоянии z_t= 2a²/λ расстояние Тальбо, a период набора, λ длина волны. Такая система образует резонатор Тальбо, в котором излучение, возвращающееся в лазеры после отражения от зеркала связи, наиболее полно воспроизводит структуру поля периодического набора лазеров. В результате достигается синфазная генерация всех лазеров, при которой расходимость излучения значительно уменьшается, так как определяется размером апертуры всего набора.

Недостатком вышеуказанного источника излучения является следующее: дифракционные потери в резонаторе Тальбо, вызванные неполным воспроизведением периодического поля набора лазеров из-за их конечного числа; большие размеры источника, так как расстояние Тальбо z_t возрастает по квадратичному закону с периодом набора а и может составлять несколько метров; снижение плотности мощности излучения вследствие утечки ее в боковые лепестки диаграммы направленности, формируемой набором лазеров; ограниченная (порядка несколько градусов) величина угла, под которым сходится излучение при фокусировке, что обусловлено конечными размерами апертуры набора.

Решаемая техническая задача изобретения состоит в устранении указанных недостатков, то есть в разработке компактного устройства, обеспечивающего синфазное излучение кругового набора лазеров и, как следствие этого, получение высокой плотности мощности при минимальных дифракционных потерях в общем резонаторе.

Эта задача достигается тем, что в многоканальном источнике когерентного оптического излучения, содержащем периодический набор лазеров и зеркало связи, образующие резонатор Тальбо, зеркало связи выполнено полупрозрачным в форме кругового цилиндра, лазеры установлены в плоскости, перпендикулярной оси симметрии зеркала, и ориентированы в радиальном направлении по отношению к этой оси, причем апертуры лазеров расположены на дуге окружности с центром на оси зеркала, а радиус этого зеркала r и расстояние R от апертур лазеров до оси зеркала удовлетворяют соотношению: где r радиус зеркала связи, R расстояние от апертур лазеров до оси зеркала,
ϕ_o угол между осями соседних лазеров,
λ длина волны генерации.

Достигаемый технический результат настоящего изобретения состоит в следующем:
1. отсутствие потерь, обусловленных дифракцией излучения по угловой координате, так как вследствие угловой периодичности кругового набора в цилиндрическом резонаторе Тальбо осуществляется полное воспроизведение структуры оптического поля лазеров по этой координате;
2. высокая компактность, поскольку с уменьшением радиуса кривизны зеркала связи r сокращается расстояние R от апертур лазеров до оси зеркала;
3. высокая плотность мощности вследствие объемного характера когерентного излучения, формируемого круговым набором лазеров;
4. размер излучающей апертуры по угловой координате составляет 2π..

Изобретение поясняет фигура 1, где схематически изображен предложенный многоканальный источник когерентного оптического излучения, и фигура 2, где приведено изменение расстояние R-r от апертур лазеров до зеркала связи в зависимости от кривизны зеркала связи r^-1.

Устройство содержит периодический набор лазеров 1, расположенных по дуге окружности радиуса R вокруг полупрозрачного зеркала связи 2 в виде кругового цилиндра радиуса r. Окружность лежит в плоскости, перпендикулярной оси симметрии О зеркала связи, ее центр лежит на этой оси. Оптические оси лазеров ориентированы в радиальном направлении по отношению к оси симметрии О; их выходные апертуры 3, обращенные к оси О, прозрачны; на противоположных окнах
глухие зеркала 4.

Устройство работает следующим образом. Излучение каждого лазера 1 распространяется до зеркала связи 2 и обратно. Вследствие расходимости в процессе дифракции и отражения от выпуклого зеркала связи 2 излучение каждого лазера попадает в апертуры 3 других лазеров набора. Тем самым осуществляется оптическая дифракционная связь между лазерами, благодаря которой происходит фазовая синхронизация лазеров и в наборе возникает коллективная генерация. При выборе радиуса зеркала связи в соответствии с условием воспроизведения периодических полей (подробно см. ниже) круговой набор лазеров 1 с таким зеркалом связи 2 образует цилиндрический резонатор Тальбо. В этом случае для кругового периодического набора лазеров исчезают потери, обусловленные дифракцией излучения по угловой координате, и порог синфазной генерации достигает минимума.

При синфазной генерации фазы получения лазеров совпадают и в окрестности оси полупрозрачного зеркала происходит когерентное сложение их полей. В результате значительно повышается плотность мощности излучения, сходящегося к оси системы, по сравнению со случаем независимой генерации лазеров. Угловой размер апертуры многоканального источника с цилиндрическим резонатором Тальбо составляет 2π в плоскости, перпендикулярной его оси.

Параметры цилиндрического резонатора Тальбо определяются на основе теории дифракции из условия воспроизведения периодической структуры поля набора лазеров. Для реальных систем имеют место следующие условия:
(1)
где r радиус зеркала связи,
R расстояние от апертур лазеров до оси зеркала,
ϕ_o угол между осями соседних лазеров,
λ длина волны генерации,
s характерный размер поперечной моды.

Это позволяет для функции источника двумерной задачи дифракции использовать асимптотику, справедливую при :
(2)
Из условия (1) следует, что применимо малоугловое приближение, при котором поле отдельного лазера E(r,ϕʹ) на зеркале связи согласно формуле Кирхгофа для скалярной задачи дифракции имеет вид:
(3)
Аналогично представляется на окружности R поле, отраженное от зеркала связи:
(4)
Здесь ϕ угловая координата для выходного излучения лазеров E(R,ϕ) на окружности радиуса R;
ϕʹ координата на зеркале связи;
ϕʺ координата на окружности R для излучения E(R,ϕʺ),, падающего обратно на апертуры лазеров;
При поперечной моде лазера f(R,ϕ_n), где ϕ_n= ϕ - nϕ_o,, n его номер в наборе, коэффициент оптической связи n-го и m-го лазеров в цилиндрическом резонаторе в соответствии с (3, 4) определяется выражением:

(5)
Для основной поперечной моды лазера вида

матричный коэффициент связи вычисляется по формуле:
(6)
где волновой параметр цилиндрической системы,
m, n 1, 2, N, N число лазеров в наборе.

Установившаяся коллективная генерация лазеров в наборе описывается задачей на собственные значения:
(7)
где матрица оптической связи, элементы которой суть коэффициенты M_mn.

Модуль собственного значения определяет дифракционные потери k-ой коллективной моды генерации. Из решения собственной задачи (7) следует, что потери синфазной моды k=1 минимальны, если система образует цилиндрический резонатор Тальбо, то есть расстояние между выходными апертурами лазеров и зеркалом связи составляет половину расстояния Тальбо для цилиндрической геометрии. Зависимость расстояния Тальбо от кривизны зеркала связи r^-1 изображена на фигуре 2 в единицах, отнесенных к величине z = 2(Rϕ_o)²/λ.. Зависимость, представленная на фигуре 2, с удовлетворительной точностью (не хуже 3%) аппроксимируется следующей формулой:

где r радиус зеркала связи,
R расстояние от апертур лазеров до оси зеркала,
ϕ_o угол между осями соседних лазеров,
λ длина волны генерации.

В двумерной системе потери синфазной моды обращаются в нуль, что свидетельствует о полном воспроизведении периодической структуры поля этой моды по угловой координате в цилиндрическом резонаторе Тальбо.

Пример.

Параметры многоканального источника оптического излучения с цилиндрическим резонатором Тальбо на примере набора полупроводниковых лазеров:
длина волны l = 1,3мкм;
радиус зеркала связи r=2 см;
расстояние Тальбо 2(R-r)=6 cм;
радиус окружности R=5 см;
расстояние между осями соседних лазеров Rϕ_o= 350мкм;
число лазеров в наборе N=10³.

Таким образом, предложена схема многоканального источника когерентного оптического излучения, отличающегося от известных аналогичных устройств высокой концентрацией плотности мощности светового поля на оси системы, которая достигается в результате интерференции когерентного излучения, сходящегося от расположенных по окружности лазеров в режиме фазовой синхронизации.

Предложенный многоканальный источник может быть использован при создании систем лазерной технологии, в частности для круговой обработки изделия, а также систем лазерного управляемого термоядерного синтеза для объемного сжатия и нагрева мишени.

Предложенная схема может быть обобщена на многоканальный когерентный источник со сферическим резонатором Тальбо.

Формула изобретения

Многоканальный источник оптического излучения, содержащий набор лазеров и зеркало связи, образующее резонатор Тальбо, отличающийся тем, что зеркало связи выполнено полупрозрачным в форме круглого цилиндра, при этом лазеры установлены в плоскости, перпендикулярной оси симметрии зеркала, и ориентированы в радиальном направлении по отношению к этой оси, причем апертуры лазеров расположены на дуге окружности с центром на оси зеркала, а радиус зеркала и расстояние от апертур лазеров до оси зеркала удовлетворяют следующему соотношению:


где r радиус зеркала;
R расстояние от апертур лазеров до оси зеркала;
ϕ_o угол между осями соседних лазеров;
λ длина волны генерации.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2