Кольцевой объёмный оптический резонатор
ANNULAR THREE-DIMENSIONAL OPTICAL RESONATOR

Изобретение относится к области квантовой технологии, в частности, к устройствам лазеров и может быть использовано при получении излучений в проточных газовых лазерах смесевого типа, конкретнее, в смесевом газодинамическом лазере.
Активная среда (рабочий газ) с инверсией населенностей обладает способностью усиливать излучаемую световую волну, коэффициент усиления, которой зависит от пути, проходимого волной в этой среде. Чтобы увеличить этот путь, активная среда помещается между двумя параллельными отражателями (это могут быть плоские зеркала, сферические, комбинации плоских и сферических и др.), причем одно из зеркал полупрозрачное, другое непрозрачное. Такая система отражателей является резонатором. Волна, распространяющаяся вдоль его оси, попадает в наиболее благоприятные условия. Усиливаясь, она достигнет зеркала, отразится от него и пойдет в обратном направлении, продолжая усиливаться, затем отразится от второго зеркала и т.д. Если усиление больше потерь, испытываемых волной при отражении, то с каждым проходом волна будет усиливаться, пока плотность энергии в волне не достигнет некоторого предельного значения.
Рост плотности энергии прекращается, когда выделяемая в результате вынужденных переходов энергия, не может компенсироваться энергией, затрачиваемой на возбуждение атомов. В результате между зеркалами устанавливается стоячая волна, а сквозь полупрозрачное зеркало выходит наружу поток когерентного излучения, которое характеризуется высокой направленностью и монохроматичностью.
Основным конструктивным затруднением при создании всех существующих газодинамических лазеров является ограниченный рабочий объем отражателя (резонатора). Внутри этого объема невозможно разместить достаточно большое количество активной среды. В результате, мощность современных лазеров не превышает несколько десятков кВт. Кроме того, особенности создания инверсии населенностей в газодинамическом лазере, приводят к существенному несовпадению рабочего объема резонатора с объемом активной среды. В результате значительная часть активной среды не принимает участия в формировании лазерного луча и КПД газодинамического лазера не превышает 1%. Впрочем, если учитывать энергию лазерных квантов, которые уходят через открытые боковые поверхности резонатора, коэффициент преобразования тепловой энергии в энергию излучения оказывается значительно выше. Небольшая мощность и низкий КПД преобразования тепловой энергии в энергию излучения, могут значительно осложнить задачу создания лазерных систем отвода тепла.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является, известный кольцевой объемный оптический резонатор, содержащий ограниченную наружной и внутренней стенками кольцевую замкнутую полость с, по меньшей мере, одним впускным отверстием для активной среды и отводным отверстием, систему зеркал, установленных вдоль коаксиальных поверхностей полости, образующих оптическую ось в виде замкнутой ломаной линии и, по меньшей мере, одно выпускное отверстие для излучения фотонов.
/RU 2388123 С2 МПК H01S 3/05 Опубликовано: 27.04.2010/
Основным недостатком известной конструкции кольцевого резонатора является то, что рабочие объемы кольцевого объемного оптического резонатора и площади внутренней поверхности недостаточны для увеличения мощности резонатора до пределов его практической применимости, без увеличения рабочей длины резонатора, а следовательно, и его массовых характеристик.
Задачей изобретения - разработка кольцевого объемного оптического резонатора интегрированного в конструкцию эксплуатируемого и перспективного газотурбинного двигателя в составе бортового авиационного лазерного комплекса.
Ожидаемый технический результат - получение оптимальной внутренней отражающей поверхности с ориентированными отражающими гранями и наибольшего объема кольцевого оптического резонатора с максимальным коэффициентом усиления и минимальным весом и с возможностью интегрирования его в конструкцию газотурбинного двигателя.
Ожидаемый технический результат достигается тем, что в известном кольцевом объемном оптическом резонаторе, содержащем ограниченную наружной и внутренней стенками кольцевую замкнутую полость с, по меньшей мере, одним впускным отверстием для активной среды и отводным отверстием, образующую коаксиальные поверхности, систему зеркал, установленных вдоль коаксиальных поверхностей полости, образующих оптическую ось в виде замкнутой ломаной линии и, по меньшей мере, одно выпускное отверстие для излучения фотонов, по предложению, замкнутая полость выполнена между наружной и внутренней стенками в виде тороидальных коаксиальных поверхностей или наружной и внутренней стенками в виде коаксиальных многогранников, зеркала системы установлены с нечетным количеством отражающих граней зеркал, и расположены относительно друг друга с образованием верхнего и нижнего односторонних световодов с конечными глухими зеркалами, направленными на выпускное отверстие для излучения фотонов и далее на вход выводного оптического резонатора для усиления, фокусировки и вывода лазерного луча. Тороидальные коаксиальные поверхности выполнены в виде поверхностей образуемых при вращении линии ограничивающей периметр выпуклой плоской геометрической фигуры, вокруг оси лежащей в плоскости этой фигуры и не пересекающей ее. Оптический резонатор содержит коаксиальные поверхности образуемые вращением линии ограничивающей периметр одной выпуклой плоской геометрической фигуры из группы: прямоугольник, окружность, эллипс, бочка, усеченный эллипс, многоугольник или комбинированная фигура. Отражающие грани зеркал верхнего и нижнего световода могут быть выполнены с охлаждаемыми полостями, а торцевые глухие зеркала верхнего и нижнего световода коаксиальных поверхностей резонатора могут быть установлены под углом так, что излучение со световодов фокусируется на глухом зеркале выпускающего выходного оптического резонатора. Отводное отверстие оптического резонатора может быть выполнено в виде кольцевого сопла с диффузором, а конечные глухие зеркала световодов направлены на основное глухое выпускное зеркало конфокального или симметричного линейного оптического резонатора.
Сущность изобретения иллюстрируется фиг. 1 -5.
На Фиг. 1 - конструктивная схема резонатора, поперечный разрез;
На Фиг. 2 - конструктивная схема резонатора, продольный разрез;
На Фиг. 3 - изменение приведенного объема кольцевого резонатора при различных геометрических формах приточной части;
На Фиг. 4 - изменение приведенной площади внутренней поверхности кольцевого резонатора при различных геометрических формах приточной части;
На Фиг. 5 - изменение приведенной массы кольцевого резонатора при различных геометрических формах приточной части;
Кольцевой объемный оптический резонатор, содержит ограниченную наружной и внутренней стенками кольцевую замкнутую полость образующую верхний и нижний световоды 1, зоны охлаждения световодов 2, систему зеркал 3, установленных вдоль коаксиальных поверхностей полости, вспомогательные глухие зеркала 4, глухие выпускающие зеркала световодов 9 ориентированные на основное глухое выпускное зеркало 11, направленное на выпускное отверстие для излучения фотонов и далее на вход выводного оптического резонатора 6 с полупрозрачным выводным зеркалом 5, для усиления, фокусировки и вывода лазерного луча 7. Оптический резонатор, имеет впускные отверстия 8, соединенные с отверстиями входной кольцевой камеры и кольцевое отводное отверстие с установленным на нем выходным диффузором 10.
Изобретение основано на том, что рабочий объем предложенного кольцевого объемного оптического резонатора, выполненный в виде замкнутой тороидальной полости, образует между наружной и внутренней стенками коаксиальные поверхности, площадь которых превышает площадь поверхности резонатора известного типа (прототип) имеющего одинаковую длину.
Сравнение проведено в безразмерных параметрах:
Средний диаметр кольцевого резонатора примем  - радиус кругового тора;
d=0.8⋅r - диаметр дна бочки; h=2⋅r - ширина резонатора.
Расчетные формулы для объемов и площадей внутренних поверхностей приводятся к виду:
- для ограниченного кольцевого канала кольцевого резонатора:
- объем: -
- площадь внутренней поверхности: -
- для торовой поверхности:
- объем: -
- площадь внутренней поверхности: -
- для бочкообразной поверхности: образующая сфера:
- объем: -
- площадь внутренней поверхности: -
образующая парабола:
- объем: -
- площадь внутренней поверхности: -
- Добавочные объем и площадь поверхности выходного линейного резонатора (поз. 6):
Соответственно оценку массы приведенных для сравнения кольцевых резонаторов проведены по формуле  [кг], где - приведенная (средняя) плотность материала конструкции резонатора. В оценочных расчетах, очевидно, что  принимает значение коэффициента пропорциональности.
Результаты сравнения приведены на Фиг. 3, 4 и 5.
Сравнительный анализ данных представленных на Фиг. 3-5 показывает, что:
р
1. Рабочий объем торового кольцевого оптического резонатора при приведенных одинаковых геометрических размерах превосходит (см. Фиг. 3) кольцевой резонатор на (3-5)%, что может привести к большей добротности контура и увеличенному коэффициенту усиления (α) резонатора
р
2. Приведенная площадь внутренней поверхности торового кольцевого оптического резонатора при приведенных одинаковых геометрических размерах превосходит (см. Фиг. 4) кольцевой резонатор в (3-4) раза, что существенно упрощает технологию установки и охлаждение направленных отражающих граней зеркал световодов (поз. 1) и их юстировку относительно глухих зеркал (поз. 4). При этом увеличенное число отражающих граней увеличит число переотражений излучений фотонов, что приведет к увеличенному коэффициенту усиления резонатора - α;
3. Согласно Фиг. 5 приведенные массовые характеристики предлагаемого кольцевого объемного оптического резонатора идентичны известному кольцевому резонатору. Несмотря на это получены увеличенные рабочий объем и площади расположения направленных отражающих граней зеркал световодов (поз. 1), что приводит к большей эффективности оптического резонатора предлагаемой конструкции.
Таким образом, технический результат изобретения достигается тем, что при оптимальных весовых параметрах объемного кольцевого резонатора получены увеличенные отражающие площади внутренних поверхностей, что приводит к увеличению эффективности лазера в целом за счет увеличенной добротности контура резонатора.
Конструктивные размеры резонатора, в частном случае, определяются из возможности размещения и установки его в конструкции эксплуатируемого и перспективного газотурбинного двигателя.
Форма сечения полости резонатора устанавливается по правилу, описывающему тела вращения, и образуется при вращении линии ограничивающей периметр одной выпуклой плоской геометрической фигуры преимущественно окружности, элипса, бочки, усеченного эллипса, многоугольника или любой комбинированной фигуры.
Зеркала системы установлены с нечетным количеством отражающих граней зеркал, и расположены относительно друг друга с образованием верхнего и нижнего односторонних световодов с конечными глухими зеркалами. Нечетное количество зеркал системы выбрано для того чтобы не было парного переотражения на гранях зеркал, где луч уже отразился, то есть луч должен быть непрерывным и замкнуться только на глухом выводном зеркале выпускного линейного резонатора.
Отражающие грани зеркал верхнего и нижнего световода могут быть выполнены с охлаждаемыми полостями, так и без охлаждающих полостей, что связано с жаростойкостью использованных материалов, а торцевые глухие зеркала верхнего и нижнего световода коаксиальных поверхностей резонатора могут быть установлены под углом так, что излучение со световодов фокусируется на глухом зеркале выпускающего выходного оптического резонатора, что определяется работоспособностью и эффективностью работы оптического резонатора.
Отводное отверстие оптического резонатора может быть выполнено в виде кольцевого сопла с диффузором, Наличие диффузора приводит к выравниванию потока и его торможению перед выпуском в резонатор, а конечные глухие зеркала световодов направлены на основное глухое выпускное зеркало конфокального или симметричного или любого типа известного линейного оптического резонатора.
Наружная и внутренняя стенки полости могут быть выполнены в виде коаксиальных фигур различной геометрии например: виде коаксиальных многогранников, Целесообразность выбора такой форму резонатора определяется реализуемыми технологиями изготовления.
Работа предлагаемого кольцевого объемного оптического резонатора, осуществляется следующим образом.
Через впускные отверстия 8, соединенные с отверстиями входной кольцевой камеры (на фигурах не показанной) в полость оптического резонатора подают поток продуктов стехиометрического сгорания горючего и балластировочных газов (активная среда), которые имеют инверсию населенностей и обладают способностью излучать световую волну. Чтобы усилить излучаемую световую волну, ее направляют по внутренним поверхностям клинообразных специально ориентированных, отражающих, охлаждаемых зеркальных граней 3, таким образом, чтобы излучения спаренных фотонов активной среды лазера по световодам 1, поток которых подводится через кольцевую входную камеру 8, попадали на выводные ориентированные вспомогательные глухие зеркала 4, глухие выпускающие зеркала световодов 9, направленных на основное глухое выпускное зеркало 11 и далее на вход выводного оптического резонатора 6 с полупрозрачным выводным зеркалом 5, для усиления, фокусировки и вывода лазерного луча 7. После многократного отражения от специально ориентированных по направлению луча отражающих зеркальных граней световодов 3, усиления и формирования лазерного луча в выводном оптическом резонаторе 6, лазерный луч 7 выводится к потребителям через полупрозрачное торцевое зеркало 5. Все отражающие поверхности светоаодов 1 имеют зоны охлаждения 2, что обеспечивает температурную стабильность ориентированных граней 3 и юстировочную концентрацию излучения фотонов активной среды лазера на выпускающих глухих зеркалах 4 без существенных искажений и потерь. Все отражающие поверхности зеркальных граней светоаодов 1 имеют нечетное количество.
После прохождения кольцевого объемного оптического резонатора активная среда отводится через кольцевое отводное отверстие с установленным на нем выходным диффузором 10, на ресивер и далее через регулируемый отводящий канал в атмосферу.(на фигурах не показано).
Предложенный кольцевой объемный оптический резонатор позволяет получить оптимальные внутренние отражающие поверхности с ориентированными отражающими гранями и наибольшего объема с максимальным коэффициентом усиления и минимальным весом с возможностью парактического использования кольцевого потока активной среды для формирования лазера и с возможностью интегрирования его в конструкцию эксплуатируемого и перспективного газотурбинного двигателя в составе бортового авиационного лазерного комплекса.