Лазер, слэб-лазер, газовый лазер (варианты) и газовый слэб-лазер

Лазер, слэб-лазер, газовый лазер (варианты) и газовый слэб-лазер

Реферат

 

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано при создании мощных лазеров с активной средой, имеющей прямоугольное сечение, например мощных волноводных газовых лазеров с диффузионным охлаждением или слэб-лазеров. Лазер включает средство накачки активной среды, две протяженные поверхности, между которыми расположены указанная активная среда и плоскость, содержащая замкнутый осевой контур оптического резонатора бегущей волны. Резонатор является оптически неустойчивым в указанной плоскости и оптически устойчивым в направлении, ортогональном к указанной плоскости. Моды оптически неустойчивого и оптически устойчивого резонаторов совместно определяют характеристики распространения излучения внутри резонатора и вывод части излучения из него. Активной средой лазера может быть газ или твердое вещество, или жидкость. Обеспечена низкая чувствительность резонатора к разъюстировкам внутрирезонаторных элементов без возникновения нежелательных эффектов, связанных с высокой интенсивностью света в фокальной плоскости при фокусировке излучения внутри резонатора. 5 с. и 96 з.п. ф-лы, 6 ил.

Область техники

Настоящее изобретение относится к генерации когерентного излучения в виде одной или нескольких низших поперечных мод в большом объеме лазерной активной среды, имеющей асимметричное поперечное сечение, для получения выходного пучка, выводимого дифракционным образом и имеющего сплошное сечение. Это достигается путем использования гибридного неустойчивого резонатора бегущей волны. Вообще говоря, хорошо известно, что неустойчивые резонаторы стоячей волны, имеющие осесимметричное или асимметричное поперечное сечение, имеют более высокие, в смысле дискриминации поперечных мод, характеристики по сравнению с устойчивыми резонаторами стоячей волны. В данном изобретении показано, что применение гибридных неустойчивых кольцевых резонаторов позволяет получить свойства, которые невозможно получить с использованием гибридных неустойчивых оптических резонаторов стоячей волны. Например, широко известно, что гибридные неустойчивые резонаторы стоячей волны, относящиеся к отрицательной ветви, имеют уникально низкий уровень чувствительности к разъюстировке концевых зеркал вследствие переворота пучка, происходящего в фокальной плоскости пары вогнутых зеркал. Именно это свойство и является причиной того, что гибридные неустойчивые резонаторы стоячей волны, относящиеся к отрицательной ветви, считаются более перспективными в ряде лазерных применений по сравнению с гибридными резонаторами стоячей волны, относящимися к положительной ветви. Однако в настоящем изобретении показано, что желаемое свойство внутрирезонаторного переворота пучка, приводящее к замене левого на правое, и низкая чувствительность к разъюстировке резонатора могут быть получены в гибридном резонаторе бегущей волны без ухудшения характеристик, связанных с наличием фокальной перетяжки внутри резонатора. Помимо этого, вследствие того, что резонатор является резонатором бегущей волны, эффекты пространственного "выгорания дыр", характерные для некоторых лазерных сред, сводятся к нулю. Кроме того, поскольку настоящее изобретение ограничено резонаторами, которые являются неустойчивыми лишь в одной плоскости, не использует волноводы с разветвленной структурой и базируется преимущественно на применении полностью отражательной оптики, концепция, изложенная в нем, легко масштабируется до очень высокого уровня средней выходной мощности лазера. В соответствии с этим общая цель настоящего изобретения состоит в разработке новых и более совершенных методов и устройств такого типа.

Общее описание предшествующих неустойчивых резонаторов

С момента первого появления неустойчивых резонаторов в литературе [1] и первых их систематических экспериментальных и аналитических исследований в 1965 году неустойчивые резонаторы нашли применение в эксимерных, ионных, молекулярных, твердотельных лазерах, а также в лазерах не жидких активных средах и лазерах на свободных электронах. Все эти лазеры в совокупности излучают в спектральном диапазоне от ультрафиолета до инфракрасной области.

В данной пионерской статье с помощью ad hoc геометрооптического подхода было показано, что потери мод не зависят от размеров концевых зеркал, и что хотя потери в резонаторе, определенные экспериментальным путем, как и ожидалось, оказались большими, было высказано соображение о том, что дифракционный вывод излучения мог бы быть полезным для селекции поперечных мод. В 1967 году во второй работе [2] были перечислены три общих свойства неустойчивых резонаторов: "1) Неустойчивые резонаторы могут иметь большой объем моды даже при очень коротком резонаторе; 2) Неустойчивая конфигурация резонатора позволяет легко варьировать величину дифракционного вывода излучения; 3) Анализ показывает, что неустойчивые резонаторы должны обеспечивать высокую степень дискриминации по отношению к поперечным модам высших порядков."

Первое экспериментальное доказательство высокой степени дискриминации поперечных мод в лазере с неустойчивым резонатором было приведено в [3]. С течением времени указанные три свойства неустойчивых резонаторов были многократно продемонстрированы экспериментальным образом и теоретически. В 1967 и 1969 годах концепция неустойчивых резонаторов была распространена на конфокальные неустойчивые резонаторы, и было впервые предложено несколько новых типов кольцевых неустойчивых резонаторов [4]. В комментариях к краткому обсуждению их свойств [5, 6] указывалось на появление "новой возможности создания однонаправленных кольцевых генераторов [5, стр.1002]". В этих публикациях [4-6] впервые были введены неустойчивые кольцевые резонаторы как с фокальной перетяжкой внутри резонатора, так и без нее. Данные кольцевые резонаторы были исследованы в [5, 6], и впервые было показано, что "хотя потери мод, распространяющихся в противоположных направлениях, идентичны, существенная разница в объемах мод в таких резонаторах может способствовать получению однонаправленной генерации [5, стр.1002]".

Хотя активная среда СO₂-лазера рассматривалась как один из идеальных кандидатов для использования в сочетании с неустойчивой резонаторной системой, понадобилось почти пять лет после первого обсуждения неустойчивых резонаторов в литературе [1] для того, чтобы детали такой резонаторной системы были изложены в [7] в 1969 году. В данной работе сообщалось об использовании конфокального неустойчивого резонатора положительной ветви для генерации непрерывного излучения с выходной мощностью 22 Вт и кольцевого выводного зеркала для вывода из лазера коллимированной основной моды, имеющей форму кольца в ближней зоне. В течение года с момента вышедшей в 1970 году первой публикации, проливающей свет на истинные величины потерь первых шести низших мод в неустойчивых резонаторах стоячей волны с круглыми зеркалами, была опубликована работа [9], в которой сообщалось о создании на базе неустойчивой резонаторной системы непрерывного СO₂-лазера с выходной мощностью 30 кВт.

В 1972 г. был впервые запатентован не имеющий аналогов кольцевой неустойчивый резонатор [10]. Примерно в это же время был опубликован ряд экспериментальных работ по СO₂ -лазерам, в которых детальным образом исследовались характеристики конфокальных неустойчивых резонаторов стоячей волны [11], однонаправленных симметричных конфокальных кольцевых резонаторов [12], асимметричных конфокальных кольцевых резонаторов [13], а также неустойчивых резонаторов стоячей и бегущей волны, работающих в режиме инжекции излучения и регенеративного усиления [14]. Было показано [11], что в конфокальных неустойчивых резонаторах стоячей волны измеренные дифракционные потери без каких-либо исключений находятся в полном соответствии с потерями, предсказываемыми строгой дифракционной теорией [8]. Это соответствие включает и детали поведения потерь моды в резонаторе вблизи точки перехода от низшей симметричной моды к следующей за ней по потерям симметричной моде [11, фиг.17]. Подобным образом однонаправленный режим работы неустойчивого резонатора бегущей волны, предложенный в середине 1968 г. в [4], был реализован впервые в [12, 13], как и предсказывалось ранее [5], лишь за счет размещения усиливающей среды в месте, для которого объемы прямой и обратной волны отличаются, что дает преимущество бегущей волне лишь одного направления. Более того, было показано, что использование неустойчивых резонаторов бегущей волны является мощным резонаторным подходом применительно к концепции лазерного регенеративного усиления [14]. В этом случае, как было показано, степень однонаправленности генерации значительно усиливается за счет выходного зеркала инжектирующего излучение лазера [14, фиг.35], которое служит в качестве возвратного зеркала для кольцевого резонатора [10, фиг.24, элемент 24]. Было показано, что в регенеративных усилителях, созданных на базе кольцевых оптических неустойчивых резонаторов, однонаправленный режим достигается легче, чем в случае использования неустойчивых резонаторов стоячей волны, поскольку изолятор в этом случае не требуется [10, фиг.29].

Как следует из сказанного, в течение декады с момента введения неустойчивых резонаторов и их первого анализа понимание неустойчивых резонаторов прошло путь от первоначального геометрооптического подхода [1] к подходу, основанному на итерационных расчетах в дифракционном приближении [8]. В течение этой декады теоретических исследований выходная мощность СO₂-лазеров возросла в конечном итоге от 20 Вт в первых устройствах стоячей волны [7] до уровня непрерывной выходной мощности предположительно в несколько сотен киловатт при использовании несимметричного кольцевого резонатора [12, 13].

С исторической точки зрения интересно отметить, что оригинальная концепция неустойчивого оптического резонатора [1], предложенная Сигменом в 1965 году, никогда и нигде не заявлялась для патентования. По видимому это объяснялось тем, что в первый период обсуждения и разработок отсутствовала надежная дифракционная модель неустойчивого резонатора. Между тем, существенная практическая ценность конфокальных неустойчивых резонаторов была независимо предсказана в 1968 году в [7] и продемонстрирована экспериментально в [15] в 1969 году. В результате этих исследований конфокальный неустойчивый резонатор положительной ветви (телескопический резонатор) был запатентован в России [16] с датой приоритета 18.03.1968, но в течение длительного времени оставался неизвестным мировому сообществу. Идея кольцевого неустойчивого резонатора, предложенная в 1968 году в [4], никогда не заявлялась для патентования вплоть до 1972 года. С ретроспективной точки зрения это могло быть связано с общим непониманием того, насколько полно может быть подавлена обратная волна, распространяющаяся в резонаторе. В 1972 г. неустойчивые кольцевые резонаторы были запатентованы в [10] благодаря разработке эффективных методов обеспечения однонаправленного режима работы лазеров с такими резонаторами. В любом случае обзор работ по неустойчивым резонаторам, отражающий взгляды того времени, может быть найден в [6, 17], а наиболее полное обсуждение всех упомянутых, а также других типов неустойчивых резонаторов, наряду с подробной библиографией, - в [18, 19].

Устойчивые кольцевые резонаторы были широко известны в лазерной технике со второй половины шестидесятых годов, т.к. еще ранее было предложено, наряду с другими применениями, использовать их для измерения вращения объектов в инерциальном гравитационном поле [20]. Как было показано специально для этих применений, разностная частота между волнами, распространяющимися по кольцу в прямом и обратном направлениях, пропорциональна угловой скорости вращения кольцевой лазерной системы. Неустойчивые кольцевые резонаторы принципиально отличаются от устойчивых кольцевых резонаторов тем, что в неустойчивых кольцевых резонаторах диаметры мод прямого и обратного направлений в общем случае различны, а в устойчивых кольцевых резонаторах одинаковы. Это обстоятельство служит основой одного из методов достижения однонаправленного режима работы [5, 6] путем использования диафрагмы внутри резонатора. Помимо этого, подавление волн, распространяющихся в одном из возможных направлений, как в симметричных [12], так и в асимметричных [6, 12, 13] кольцевых неустойчивых резонаторах, может быть осуществлено путем разумного размещения активной среды внутри резонатора. Для достижения этого активную среду размещают внутри резонатора в той области, где объем моды одной из бегущих волн является большим и превосходит объем другой бегущей волны [17, фиг.16, 17]. В близком к симметричному неустойчивом кольцевом резонаторе отношение выходных мощностей прямой и обратной волн оказалось в экспериментах близким к 20 [12, фиг.6]. Другим путем достижения однонаправленного режима является использование возвратного зеркала [10, фиг.2], размещенного вне резонатора. Следует отметить, что аспект однонаправленности, как в устойчивых, так и в неустойчивых резонаторах с симметричной апертурой, является центральным в идее достижения регенеративного усиления без введения оптического изолятора между задающим генератором и регенеративным усилителем [14, фиг.8, 29]. Подобно этому в таких применениях, как разнообразные методы диагностики плазмы [21] или анализ спектрального состава излучения лазера [22], использование кольцевых резонаторов является в высшей степени желательным или даже принципиальным. Поэтому неудивительно, что в описании всех этих применений, изобретений и устройств, без исключения, всегда имеет место то или иное обсуждение обоих направлений распространения внутри кольца.

Очевидно, что если при рассмотрении оптического устройства бегущей волны, в котором волны двух противоположных направлений распространения выходят из устройства в различных и единственных для каждой из волн направлениях, обсуждать только одно из направлений распространения, то это равносильно обсуждению лишь половины оптической проблемы. Действительно, без такого обсуждения невозможно даже с уверенностью сказать, какая из двух распространяющихся навстречу друг другу мод используется для вывода, т.е. в каком направлении будет выходить излучение. И наоборот, если дискуссия относительно двух возможных направлений распространения отсутствует в описании того или иного изобретения или устройства, такие изобретения или устройства должны рассматриваться как изобретения и устройства, основанные, по своей природе и применениям, на концепции стоячей волны.

В отличие от очевидного различия в направленности генерации, которое считается наиболее отличительным признаком при сравнении устойчивых кольцевых резонаторов и устойчивых резонаторов стоячей волны, различия между неустойчивыми кольцевыми резонаторами и устойчивыми кольцевыми резонаторами являются значительно более богатыми и более сложными. Например, в устойчивом кольцевом резонаторе диаметр моды в прямой и обратной волнах в любом сечении внутри резонатора, а также полные объемы мод одинаковы для обеих волн. В противоположность этому диаметры моды для прямой и обратной волн, измеренные в любом поперечном сечении внутри неустойчивого резонатора, а также полные объемы моды в указанных двух волнах, распространяющихся навстречу друг другу, в общем случае являются различными.

В иллюстративных целях предположим, что неустойчивый кольцевой резонатор является и конфокальным и асимметричным. В нашем рассмотрении термин "конфокальный" означает, что конструкция резонатора выбрана таким образом, что либо прямая, либо обратная волна выходит из резонатора в виде коллимированного пучка. Термин "асимметричный" в данном случае означает, что расстояние между оптическими элементами, расширяющими пучок, больше (либо меньше) оставшейся части периметра резонатора. Для такого асимметричного конфокального случая [10] резонатор является конфокальным только в одном из направлений вдоль кольца. Другими словами, "этот вид асимметрии направлений может быть реализован только в [неустойчивом] кольцевом резонаторе" [19, с.839, строки 28, 29]. Поэтому для того, чтобы полностью и недвусмысленно описать модовые свойства неустойчивых кольцевых резонаторов, эти резонаторы надо рассматривать полностью обособленно от устойчивых резонаторов стоячей волны, устойчивых резонаторов бегущей волны, а также неустойчивых резонаторов стоячей волны.

Следовательно, при рассмотрении изобретений, новизна которых состоит в использовании тех или иных типов неустойчивых резонаторов с симметричной апертурой или гибридных неустойчивых резонаторов, нельзя утверждать, что данные изобретения включают кольцевые неустойчивые резонаторы, если сам патент не содержит обсуждения того, каким образом эффективно подавляется мода, распространяющаяся по неустойчивому кольцевому резонатору в одном из направлений. Точно так же, должно быть представлено какое-либо обсуждение того, как соотносятся между собой форма сечения пучка в генерирующей бегущей моде с сечением лазерной усиливающей среды, если эта мода остается не подавленной, поскольку, будучи не подавленной, эта мода определяет направление, в котором будет излучаться значительная выходная мощность лазера. В этом отношении патент США №5097479 [23] полностью соответствует этому замечанию, т.к. содержит описание подавления одной из бегущих волн в двухзеркальном разветвленном неустойчивом кольцевом резонаторе применительно к СО₂ лазерной среде типа слэба. Подобно этому патент США №3824487 [10] соответствует указанному требованию, поскольку в нем обсуждается как обратная волна, так и проблема согласования другой, не подавленной волны с большим объемом активной среды. С другой стороны, патенты США №4719639 [24] и №5048048 [25] неудовлетворительны в этом отношении, и, таким образом, их применимость принципиально самоограничена и распространяется лишь на гибридные неустойчивые резонаторы стоячей волны.

Как показано далее, лазер с резонатором бегущей волны, в котором для одного поперечного направления мода бегущей волны соответствует моде неустойчивого резонатора, а в ортогональном поперечном направлении соответствует волноводной моде либо гауссовой моде, характерной для распространения в свободном пространстве, может идеально годиться для эффективного съема энергии из активной среды любого типа, имеющей удлиненное поперечное сечение. Это, конечно, предполагает, что генерация в одном из направлений вдоль кольца неустойчивого кольцевого резонатора может быть эффективно подавлена. Если это так, то использование настоящего изобретения может принести выгоду в сочетании с эксимерными, ионными, молекулярными, твердотельными и жидкостными активными средами, а также средой лазера на свободных электронах, излучающими в совокупности во всем диапазоне спектра от ультрафиолета до инфракрасной области. Такие среды могут накачиваться высокочастотным разрядом, постоянным током, электронным пучком, некогерентным светом, когерентным светом или источником свободных электронов, либо любой комбинацией перечисленных методов.

Описание известных волноводных и слэб-лазеров с высокочастотным возбуждением

Настоящее изобретение может быть использовано, например, в мощных СО- или СO₂-лазерах с прямоугольной геометрией разряда, хотя область его практической пригодности не ограничивается этими применениями. В общем случае прямоугольной геометрией разряда считается такая, при которой поперечное сечение разряда является удлиненным и разряд происходит в наиболее типичном случае либо вдоль меньшего поперечного размера (слэб-устройства), либо вдоль большего размера сечения (слайс-устройства). В слайс-устройствах существует также особый случай, когда разряд осуществляется в направлении, перпендикулярном удлиненной поперечной апертуре. Во всех этих случаях отношение длинной стороны поперечного сечения к его короткой стороне является большим и выбрано таким, что в направлении вдоль длинной стороны может поддерживаться мода неустойчивого резонатора бегущей волны. Вследствие удлиненности поперечного сечения в таких лазерах могут с успехом использоваться оптические резонаторы, которые имеют различные функциональные характеристики, а также характеристики распространения в двух различных поперечных измерениях. Впервые оптический резонатор подобной геометрии был экспериментально исследован в [26] в составе слэб-лазера на неодимовом стекле. Резонатор включал в себя одно плоское и одно выпуклое цилиндрическое зеркало, так что резонатор был неустойчивым вдоль большого поперечного измерения слэба (240 мм) и эквивалентным Фабри-Перо резонатору вдоль короткой стороны сечения (20мм). Впоследствии подобные резонаторы были названы гибридными [27]. Таким образом, двумя типами гибридных резонаторов, к которым особенно хорошо применимо настоящее изобретение, являются такие, в которых поле вдоль короткого поперечного размера описывается либо i) волноводной модой, либо ii) гауссовой модой свободного пространства, в то время как вдоль большего поперечного измерения оно функционально описывается модой неустойчивого резонатора.

В предпочтительных вариантах выполнения данного изобретения предлагаемая оптическая конфигурация может найти практическое применение в мощных волноводных газовых лазерах с диффузионным охлаждением газа, использующих разряд с геометрией типа слэба, в соответствии с патентом '639 [24], или слайс-геометрией, в соответствии с патентом '663 [28].

Волноводный слэб-лазер, возбуждаемый поперечным высокочастотным электрическим разрядом, содержит волновод, образованный обращенными друг к другу отражающими поверхностями двух расположенных параллельно удлиненных электродов. Электроды изготовляют из материала, хорошо отражающего лазерное излучение, что обеспечивает малые потери излучения в волноводе. Пространство между электродами заполняется газовой активной средой, возбуждаемой поперечным электрическим разрядом, создаваемым в активной среде при подаче мощности высокочастотного возбуждения на электроды. Около торцов волновода, образованного поверхностями электродов, устанавливают зеркала, формирующие лазерный резонатор. Помимо возбуждения газа электрическим разрядом и формирования верхней и нижней стенок оптического волновода, электроды служат охлаждающими элементами и обеспечивают отвод тепла от активной среды. Для обеспечения хорошего диффузионного теплоотвода из области разряда электроды изготовляют из материала с высокой теплопроводностью, а величина зазора между ними выбирается малой и обычно не превышает нескольких миллиметров.

Электрическое поле в таком разряде направленно существенно перпендикулярно к поверхностям охлаждающих элементов и ориентировано существенно в направлении высоты поперечного сечения активной среды. Типичными примерами таких лазеров являются волноводные лазеры с высокочастотным возбуждением на СO₂ [29, 30], СО [31] и Хе [32]. Для слайс-лазеров, выполненных в соответствии с патентом '663 [28], также характерна газовая усиливающая среда, возбуждаемая высокочастотным электрическим разрядом и имеющая удлиненное поперечное сечение с короткой и длинной сторонами. В отличие от волноводных лазеров, область разряда определяется в них электрическим полем, создаваемым в направлении, перпендикулярном короткой стороне поперечного сечения. В слайс-лазерах разряд ограничен пространством, заключенным между парой близко расположенных непроводящих охлаждающих элементов. Эти охлаждающие элементы расположены напротив друг друга таким образом, что промежуток между их обращенными друг к другу поверхностями не только достаточно мал, чтобы обеспечить диффузионное охлаждение газа, заполняющего промежуток, но и является приемлемым с точки зрения создания световода для распространения лазерного излучения между непроводящими поверхностями. Таким образом, разряд в газе возбуждается системой электродов, расположенных так, что электрическое поле в разрядной камере существенно параллельно поверхностям охлаждающих элементов, т.е. направлено поперечным образом по отношению к высоте (меньшему измерению) поперечного сечения активной среды. Как указано в патенте '663 [28], такие слайс-лазеры имеют ряд преимуществ по сравнению с обычными волноводными лазерами. Эти преимущества, среди прочих, включают в себя независимый выбор и оптимизацию давления газа в разряде и частоты возбуждения, возможность использования для возбуждения разряда как высокочастотных источников, так и источников постоянного тока, а также сравнительно слабое влияние пограничных слоев, образующихся вблизи электродов.

Ясно, что устройство на основе высокочастотного поперечного разряда в трубке малого диаметра, в микроволновом и высокочастотном вариантах, описанное в 1980 г. в [33], и устройство полосовой геометрии, описание в 1984 в [34], предшествовали подаче заявки на устройство слэб-геометрии '639 [24] в 1987 г. Вследствие существовавших в то время предшествующих изобретений, слэб-лазеры, с точки зрения возможности патентования, были ограничены случаем, в котором в направлении меньшего из двух поперечных измерений разряда реализуется только волноводный режим, а в направлении большего размера - только режим работы, присущий неустойчивому резонатору. В волноводном слэб-лазере моды света, распространяющегося вдоль противолежащих поверхностей электродов, определяются целиком этими поверхностями и их взаимным расположением. Геометрия слайс-лазера в соответствии с патентом '663 [28] и '256 [35], с другой стороны, являла собой совершенно новый тип организации поперечного разряда, ставший известным лишь после подачи соответствующей заявки на патентование. Слайс-геометрия лазера является такой геометрией, при которой может быть использован значительно более широкий выбор типов гибридных резонаторов.

Поэтому, например, при описании слайс-лазеров, рассмотренных в [32, 35], термин "световод", будучи примененным к слайс-лазерам, имеет более широкое значение нежели просто волновод.

Таким образом, в случае слайс-лазера распространение света может быть либо волноводным, как в слэб-устройстве, либо таким, при котором излучение распространяется внутри резонатора без какого-либо взаимодействия со стенками слайс-камеры. Один из таких случаев реализуется, когда в направлении, соответствующем малому слайс-измерению, внутрирезонаторная мода не касается стенок и по своим функциональным особенностям лучше всего описывается гауссовой модой свободного пространства. Этот случай имеет место, например, в устойчивых резонаторах, где лазерный пучок удерживается от расширения с помощью зеркал резонатора и не касается стенок световода, поскольку на стенках не должны выполняться какие-либо граничные условия для этого типа мод в резонаторе.

В настоящем изобретении термин "световод" используется в самом общем смысле, и подразумевается, что он включает в себя все способы распространения, от волноводной моды до распространения гауссова пучка в свободном пространстве.

Для увеличения объема активной среды обычного волноводного лазера с симметричной апертурой и тем самым выходной мощности лазера при сохранении малой величины зазора между электродами в патенте США №4719639 [24] был предложен широкоапертурный волноводный лазер с плоскопараллельными удлиненными электродами, ширина которых значительно превышает величину зазора между ними. Отражающие излучение поверхности электродов образуют в этом лазере верхнюю и нижнюю стенки оптического волновода большой ширины, в котором излучение, распространяющееся между электродами, ограничивается этим волноводом только в направлениях, перпендикулярных поверхностям электродов. В направлениях, параллельных поверхностям электродов, волновод является открытым, благодаря чему пучок излучения, распространяющийся вдоль волновода, может расширяться в этих направлениях в обе противоположные стороны как в свободном пространстве. Около концов волновода установлены софокусные выпуклое и вогнутое зеркала, образующие неустойчивый резонатор положительной ветви, имеющий увеличение М>1. В таком резонаторе при каждом полном проходе пучка излучения от одного зеркала к другому и обратно происходит расширение этого пучка примерно в М раз в двух противоположных направлениях, в которых пучок не ограничен поверхностями электродов и может расширяться как в свободном пространстве. Для формирования в лазере с таким резонатором единственного выходного пучка сплошного сечения зеркала обычно устанавливают так, чтобы ось образуемого ими неустойчивого резонатора была смещена к одной из открытых боковых сторон межэлектродного промежутка. Выходной пучок лазерного излучения выводится из резонатора с другой боковой стороны межэлектродного промежутка, около края выпуклого зеркала, перекрывающего лишь часть поперечного сечения волновода. Такая “половинная” конфигурация резонатора позволяет сформировать на выходе лазера сплошной пучок примерно прямоугольного сечения с расходимостью, близкой к пределу, определяемому дифракцией, в каждом из поперечных направлений, даже при достаточно большой ширине электродов. Большая ширина электродов обеспечивает возможность возбуждения большого объема активной среды и, благодаря этому, высокую выходную мощность лазера.

Однако известно, что волноводные лазеры с неустойчивым резонатором положительной ветви, имеющие малое увеличение М, характеризуются высокой чувствительностью к разъюстировкам зеркал резонатора, в особенности к изменению их углового положения в плоскости, параллельной электродам [25], а также к оптическим неоднородностям типа клина в той же самой плоскости, обычно возникающим в активной среде лазера при ее накачке. Это нельзя считать неожиданным, если принять во внимание ранее опубликованные работы по обычным неустойчивым резонаторам [6, 7]. В СО₂ слэб- и слайс-лазерах, как правило, М не превышает 1,2-1,5. Поэтому, если не принять специальные меры, повышающие жесткость конструкции и оптическую однородность активной среды и, следовательно, увеличивающие стоимость лазера, разъюстировка зеркал и неоднородности активной среды в таких лазерах приводят к существенной деформации структуры моды излучения, сопровождающейся резким снижением выходной мощности, ухудшением направленности излучения и угловым смещением выходного пучка, что является недопустимым в целом ряде применений. Необходимость принятия мер для решения указанных проблем приводит к повышению стоимости лазера.

Специалистам, обладающим обычным опытом работы в области слэб-лазеров, хорошо известно, что смещение оси неустойчивого резонатора положительной ветви к одной из боковых сторон электрода приводит к преобразованию резонатора из полного резонатора в половинную конфигурацию. Однако не всегда принимают во внимание то, что часть излучения, распространяющегося внутри резонатора, все же покидает резонатор вблизи края электродного промежутка, к которому смещена ось резонатора. Таким образом, хотя сдвиг оси резонатора и позволяет получить по существу один выходной пучок сплошного сечения вместо двух выходных пучков, это положительное свойство достигается ценой вывода некоторой части излучения с той стороны резонатора, где это излучение не может быть объединено с полезным выходным пучком. Для резонатора это означает введение пассивных потерь излучения, которые уменьшают общую эффективность лазера. И что еще хуже, это излучение может вновь провзаимодействовать с желаемой резонаторной модой вследствие зеркальных переотражений и вызвать появление нежелательных высших мод, конкурирующих с основной модой по величине усиления во всем активном объеме и, следовательно, по величине выходной мощности. Для устранения этих недостатков в патенте США № 5048048 [25] было предложено использовать в широкоапертурном волноводном лазере неустойчивый резонатор отрицательной ветви, имеющий увеличение М<-1. Предложенный резонатор образован двумя вогнутыми зеркалами с разными радиусами кривизны, имеющими общий фокус, расположенный внутри резонатора.

Конфокальный резонатор отрицательной ветви может формировать сплошной выходной пучок, выходящий лишь с одной стороны, как результат замены левого на правое (инверсия), происходящей в общей фокальной плоскости двух вогнутых зеркал резонатора.

Пучок лазерного излучения, распространяющийся по волноводу между зеркалами неустойчивого резонатора отрицательной ветви, при каждом прохождении через точку фокуса (фокальную "перетяжку" пучка) переворачивается в сечении так, что лучи пучка, распространяющиеся с одной стороны от оси резонатора, после прохождения точки фокуса оказываются с другой стороны от этой оси (являющейся общей нормалью к поверхностям обоих зеркал). Благодаря такому попеременному прохождению лазерного излучения то с одной, то с другой стороны от оси резонатора, при величине |M| порядка 1,2-1,5 происходит эффективная компенсация разъюстировок, обусловленных отклонением углового положения зеркал резонатора в плоскости, параллельной электродам, а также эффективная компенсация оптических неоднородностей типа клина в активной среде, что делает резонатор малочувствительным к таким разъюстировкам и оптическим неоднородностям [6, 7].

Для обеспечения одностороннего вывода излучения из гибридного неустойчивого резонатора отрицательной ветви, выполненного по патенту '048 [25], размеры одного из зеркал резонатора выбирают так, что расстояние от оси резонатора до противоположных краев этого зеркала в плоскости, параллельной отражающим поверхностям электродов, отличаются более чем в |М| раз. Размеры другого зеркала резонатора выбирают достаточно большими, чтобы оно не ограничивало расширение пучка в волноводе. При этом излучение, которое распространяется по резонатору с той стороны от его оси, которая противоположна стороне вывода излучения, вследствие переворота сечения пучка, происходящего в фокальной перетяжке, при очередном проходе резонатора попадает на сторону вывода излучения и выводится из резонатора в виде полезного выходного пучка. Благодаря этому выходной пучок лазера представляет собой единый пучок сплошного сечения, выходящий из резонатора только с одной его стороны, несмотря на свободное расширение пучка в резонаторе в двух противоположных направлениях. Таким образом, наличие фокальной перетяжки в неустойчивом резонаторе отрицательной ветви обеспечивает уменьшение пассивных потерь излучения из этого резонатора, по сравнению с “половинным” неустойчивым резонатором положительной ветви, в котором расширение пучка в двух противоположных направлениях неизбежно приводит к потерям излучения из резонатора с той его стороны, которая противоположна стороне вывода полезного выходного пучка.

Однако наличие фокальной перетяжки в объеме газовой активной среды в неустойчивом резонаторе отрицательной ветви может приводить, вследствие высокой локальной плотности мощности излучения, к нежелательным нелинейным эффектам в активной среде и к пробою газа, особенно в мощных импульсных лазерах. Кроме того, эффективность использования объема активной среды в таком резонаторе понижена по сравнению с резонатором положительной ветви вследствие неравномерного заполнения активной среды пучком излучения. Уменьшение габаритов лазера, которое обычно достигается путем излома оптической оси лазерного резонатора с помощью дополнительного зеркала, в этом случае также затруднено, поскольку зеркало, помещаемое в резонатор отрицательной ветви для излома его оси, оказывается вблизи от фокальной перетяжки и при повышении мощности лазера не выдерживает действия мощного излучения. Кроме того, зеркала неустойчивого резонатора отрицательной ветви должны иметь большую кривизну -