Оптический резонатор лазера

Оптический резонатор лазера

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к квантовой электронике, в частности, к оптическим резонаторам лазеров. Изобретение может быть использовано при разработке лазеров различного типа и в широком диапазоне выходных мощностей.

В качестве аналога выбран «Оптический резонатор мощного лазера» (патент № 2029421, RU). Этот резонатор образован двумя блоками зеркал с котировочными узлами, содержащими регулирующие элементы, кронштейнами и диафрагмами, установленными в камерах с крышками и закрепленными на каркасной конструкции, выполненной в виде двух плит. В первом блоке размещены выходное выпуклое зеркало, глухое вогнутое зеркало и два плоских зеркала, а во втором - только два плоских зеркала. Плоские зеркала, установленные специальным образом, образуют два уголковых отражателя, ребра которых взаимно перпендикулярны, причем выходное и глухое зеркала оптически связаны друг с другом через зеркала отражателей. Рама каркасной конструкции установлена на основании, которое размещено на опорах, а перемычки, соединяющие плиты каркасной конструкции с рамами, отделены с помощью сильфонов от стенок камер.

К недостаткам рассматриваемого резонатора следует отнести излишнюю сложность конструкции первого блока зеркал и большое количество юстируемых элементов, что не позволяет обеспечить высокую жесткость взаимного позиционирования зеркал, а также сферический характер отражающих поверхностей выходного и глухого зеркал. Последнее обстоятельство не позволяет минимизировать влияние смещений удаленного уголкового отражателя на разъюстировку резонатора и существенно снизить требования к жесткости рамы каркасной конструкции.

В качестве прототипа выбран «Резонатор лазера» [патент США № 4420836]. Указанный резонатор состоит из двух призм Порро, размещенных на двух фланцах, двустороннего глухого зеркала с вогнутой и выпуклой поверхностями, светоделителя для вывода излучения (выходного зеркала), сдвоенного клина для юстировки, поляризационного клина, модулятора добротности, нелинейного кристалла и активной среды, закрепленных на плите. Резонатор предназначен для обеспечения повышенной устойчивости к разъюстировке за счет использования двух скрещенных оборачивающих призм Порро.

Данный резонатор имеет ряд недостатков. Основным недостатком указанного резонатора является крепление большинства оптических элементов на плите, что не позволяет масштабировать схему для получения мощных пучков с высоким оптическим качеством и сохранением высокой стабильности диаграммы направленности пучка.

Задачей изобретения является повышение динамической и статической стабильности пространственного и углового положения выходного пучка лазерного излучения, что позволит на базе предлагаемого резонатора сформировать лазер модульного типа.

Под статической стабильностью понимается отсутствие флуктуации пространственно-углового положения лазерного пучка относительно опорной поверхности фланца при переходе от одного образца лазера к другому. Под динамической стабильностью понимается отсутствие указанных флуктуаций во времени для одного образца лазера при наличии вибрационных возмущений в широком диапазоне условий.

Предлагаемый оптический резонатор лазера состоит из глухого и выходного зеркал, активной среды и двух призм Порро, размещенных на фланцах. На первом фланце закреплены выходное и глухое зеркала, а также первая призма Порро. Оптические оси зеркал перпендикулярны опорной поверхности фланца, причем плоское глухое зеркало установлено с возможностью юстировки. Просветленная пропускающая поверхность первой призмы параллельна опорной поверхности фланца, а ребро между двумя отражающими гранями расположено на равном удалении от оптических осей зеркал. На втором фланце закреплена другая призма Порро, причем ее просветленная пропускающая поверхность параллельна опорной поверхности первого фланца, а ребро между двумя отражающими гранями перпендикулярно соответствующему ребру первой призмы и расположено на равном удалении от оптических осей зеркал и первой призмы. Активная среда расположена перед выходным зеркалом и между ними установлена диафрагма, строго позиционированная относительно первого фланца. Оборачивающее ребро призмы - это ребро между двумя отражающими гранями призмы.

Для среднего и дальнего ИК диапазона предложена вторая оптическая схема резонатора лазера. Она отличается тем, что вместо призм Порро установлены уголковые зеркальные отражатели. Каждый отражатель выполнен из двух зеркал прямоугольного сечения, установленных перпендикулярно друг другу. Ребро первого отражателя расположено на равном удалении от оптических осей глухого и выходного зеркал; а ребро второго отражателя перпендикулярно ребру первого отражателя и расположено на равном удалении от оптических осей глухого и выходного зеркал и первого отражателя.

Существенным для данного изобретения является размещение всех оптических элементов, положение которых влияет на разъюстировку резонатора, на одном фланце, что позволяет обеспечить высокую устойчивость к вибрациям за счет высокой жесткости компактного и относительно легкого фланца. Положение второй призмы Порро, или единственного оптического элемента, размещенного на втором фланце, практически не влияет на разъюстировку резонатора.

Устойчивость к вибрациям определяет высокую динамическую стабильность углового положения выходного пучка лазерного излучения относительно рабочей поверхности выходного зеркала. Рабочая поверхность выходного зеркала механически, за счет прижатия, совмещена с опорной поверхностью фланца, что создает привязку углового положения лазерного пучка к фланцу и обеспечивает статическую угловую стабильность. Размещение диафрагмы, определяющей поперечное сечение лазерного пучка, в непосредственной близости от выходного зеркала и ее жесткое позиционирование относительно опорной поверхности и торцов фланца обеспечивают статическую и динамическую стабильность пространственного положения выходного пучка. Диафрагма является единственным ограничителем поперечного сечения пучка и определяет формирование модового состава излучения.

На фиг.1 приведена условная оптическая схема резонатора, который включает в себя глухое зеркало с плоской зеркальной поверхностью 1, выходное зеркало 2, два уголковых отражателя в форме призм Порро 3, 4, или усеченных призм Порро (фиг.2), активную среду 5 и диафрагму 6. Оптическая ось резонатора от глухого зеркала 1 (нормально к его поверхности) проходит до призмы 4 (отрезок АБ), затем, после отражения со смещением БВ (и переворотом изображения) в горизонтальной плоскости до призмы 3 (отрезок ВГ), на которой происходит отражение со смещением ГД в вертикальной плоскости. От призмы 3 ось проходит обратно к призме 4 (отрезок ДЕ), на которой испытывает очередное отражение со смещением ЕЖ в горизонтальной плоскости, компенсируя тем самым горизонтальное смещение БВ, происшедшее при первом отражении от призмы 4. После второго отражения от призмы 4 оптическая ось проходит через активную среду и падает нормально на поверхность выходного зеркала 2 (отрезок ЖИ), образуя линейный четырехкратно сложенный резонатор на базе интерферометра Фабри-Перо между зеркалами 1 и 2.

Возможный вариант механической конструкции резонатора приведен на фиг.3. Все элементы резонатора, включая активную среду 5, размещены на двух фланцах 7 и 8, соединенных при помощи стяжек 9. Юстировка глухого зеркала, закрепленного на подвижке 10, осуществляется при помощи трех пар регулировочных винтов 11.

Вариант конструкции переднего фланца приведен на фиг.4. Принципиальной особенностью фланца является высокая степень плоскостности его опорной поверхности 12, что обеспечивается при изготовлении. Данное обстоятельство позволяет осуществить прецизионное совмещение опорной поверхности 12 с оптической поверхностью выходного зеркала 2, прижимаемого к опорной поверхности фланца при помощи оправы 13. Таким способом обеспечивается малая величина отклонения от ортогональности оптической оси резонатора опорной поверхности фланца. Глухое зеркало 1 крепится к подвижке 10 при помощи оправы 14, обеспечивающей требуемый диапазон юстировки глухого зеркала. В каждой паре котировочных винтов 11 один из винтов является прижимным, а другой упорным, что обеспечивает высокую жесткость фиксации подвижки по завершении процесса юстировки. Активная среда 5 крепится к фланцу 7 при помощи оправы 15 с диафрагмой 6, внутри которой она фиксируется пластиной 16. В некоторых случаях, когда нет необходимости подбирать диаметр диафрагмы, в качестве диафрагмы можно использовать выходное отверстие фланца 17.

Рассмотрим работу резонатора в динамике. Включение накачки приводит к появлению инверсии и оптического усиления сигнала в активной среде. Генерация лазерного излучения обеспечивается благодаря положительной обратной связи за счет отражения луча от призм Порро и зеркал по направлению оптической оси. Формирование модового состава происходит на глухом и выходном зеркалах с участием диафрагмы в качестве элемента, ограничивающего поперечные габариты пучка. Призмы Порро при этом играют роль вспомогательных поворотных зеркал. На выходном зеркале с ненулевым коэффициентом пропускания часть излучения отражается, формируя необходимый уровень добротности резонатора, а часть выходит из резонатора, формируя выходной пучок излучения лазера.

Компенсация динамических возмущений вибрационного типа резонатором осуществляется благодаря следующим факторам. Наклоны и смещения фланца 8 (призмы 4) не приводят к разъюстировке резонатора, а поворот вокруг оптической оси вызывает незначительную разъюстировку только в том случае, если угол между оборачивающим ребром призмы и оптической осью отличен от прямого (квадратичный эффект). В совокупности с жесткостью фланца 7 это обстоятельство обеспечивает хорошую устойчивость резонатора к вибрациям, что на практике означает высокую динамическую стабильность углового положения выходного пучка лазерного излучения.

В случае использования оптической схемы резонатора для среднего и дальнего ИК диапазона, в которой в качестве уголковых отражателей установлены зеркальные отражатели из двух зеркал прямоугольного сечения, перпендикулярных друг другу, работа резонатора и лазера осуществляется по аналогичному алгоритму.

Слабое влияние положения второго фланца на разъюстировку резонатора позволяет формировать компактные и легкие резонаторы с хорошим оптическим качеством пучка за счет большой оптической длины резонатора (приблизительно в четыре раза превышающей физическую длину лазера) при низких требованиях к жесткости его конструкции, определяющих малую массу конструкции. Высокие требования к жесткости конструкции, типичные для большинства лазерных резонаторов, сохраняются только в отношении фланца 7, на котором максимально компактным образом размещаются все ключевые оптические элементы резонатора. Снижение требований на жесткость резонатора в целом определяет целесообразность отказа от конструкций на базе стяжек в пользу каркасного корпуса с повышенной устойчивостью к скручивающим деформациям. Наличие опорной базы на фланце обеспечивает высокую статическую угловую стабильность выходного пучка. Требования на допустимую величину оптического клина подложки зеркала при этом определяются требуемой точностью углового положения оптической оси относительно опорной поверхности. Жесткое позиционирование диафрагмы, расположенной в непосредственной близости от выходного зеркала, определяет статическую и динамическую пространственную стабильность. Это позволяет создать лазер модульного типа, что дает возможность реализовывать лазерные оптические системы с посадочными местами под лазеры с предложенным типом резонатора без необходимости дополнительной юстировки системы после установки или замены лазера.

1. Оптический резонатор лазера, состоящий из глухого и выходного зеркал, активной среды и двух призм Порро, размещенных на фланцах, отличающийся тем, что на первом фланце закреплены зеркала и первая призма, оптические оси зеркал перпендикулярны опорной поверхности фланца, а глухое зеркало установлено с возможностью юстировки и имеет плоскую поверхность, просветленная пропускающая поверхность первой призмы параллельна опорной поверхности фланца, а оборачивающее ребро расположено на равном удалении от оптических осей зеркал ортогонально отрезку, соединяющему центры зеркал; на втором фланце закреплена другая призма, причем ее просветленная пропускающая поверхность параллельна опорной поверхности первого фланца, а оборачивающее ребро перпендикулярно соответствующему ребру первой призмы и расположено на равном удалении от оптических осей зеркал и первой призмы, кроме того, активная среда расположена перед выходным зеркалом и между ними установлена диафрагма, строго позиционированная относительно первого фланца.

2. Оптический резонатор лазера по п.1, отличающийся тем, что обе призмы Порро повернуты вокруг своих оборачивающих ребер на угол, равный или больше отношения радиуса диафрагмы к оптическому расстоянию от поворачиваемой призмы до ближайшего торца активной среды.

3. Оптический резонатор лазера, состоящий из глухого и выходного зеркал, активной среды и двух уголковых отражателей, размещенных на фланцах, отличающийся тем, что каждый отражатель выполнен из двух зеркал прямоугольного сечения, установленных перпендикулярно друг другу, на первом фланце закреплены глухое и выходное зеркала и первый отражатель, оптические оси зеркал перпендикулярны опорной поверхности фланца, а глухое зеркало установлено с возможностью юстировки и имеет плоскую поверхность, ребро первого отражателя расположено на равном удалении от оптических осей зеркал ортогонально отрезку, соединяющему центры зеркал; на втором фланце закреплен другой отражатель, причем его ребро перпендикулярно ребру первого отражателя и расположено на равном удалении от оптических осей глухого и выходного зеркал и первого отражателя, кроме того, активная среда расположена перед выходным зеркалом и между ними установлена диафрагма, строго позиционированная относительно первого фланца.