ЛАЗЕРНАЯ СИСТЕМА
LASER SYSTEM

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано при создании мощных лазерных систем, используемых в оптической локации, научных исследованиях.
Известен фокусирующий неустойчивый резонатор, позволяющий фокусировать лазерное излучение на определенное расстояние (см. Труды ФИАН, т. 113, 1979 г., стр. 143-144).
Недостаток указанной системы состоит в слабой эффективности фокусировки излучения на больших дальностях. В связи с тем, что эффективность фокусировки пропорциональна площади выходной апертуры излучателя (см. книгу Ю.А. Ананьева "Оптические резонаторы и проблема расходимости лазерного излучения", М., "Наука", 1979 г., стр. 24), а в указанной системе наибольшая апертура определяется поперечным сечением активной среды, которое ограничено, так как с увеличением сечения ухудшается оптическое качество активной среды.
Наиболее близка к заявляемой по технической сущности известная лазерная система (см. книгу А.В. Павлова "Оптико-электронные приборы", М., "Энергия", 1974 г., стр. 127), состоящая из оптического квантового генератора и зеркальной формирующей системы Кассагрена. Указанная система позволяет фокусировать лазерное излучение на определенную дальность смещением выпуклого зеркала формирующей системы из афокального положения. Указанная лазерная система эффективно фокусирует излучение на больших дальностях, так как формирующая система увеличивает выходную апертуру излучения.
Недостаток такой системы в том, что при фокусировке в больших глубинах дальностей величина смещения зеркала формирующей системы из афокального положения может быть значительной, что увеличивает время перефокусировки излучения такой системой из дальней точки глубины дальности в ближнюю.
Кроме того, в такой системе неполно используется апертура выходного зеркала формирующей системы при фокусировке в дальнюю точку глубины дальности (размер же выходного зеркала определяется выходной апертурой излучения при фокусировке в ближнюю точку).
Целью настоящего изобретения является уменьшение габаритов лазерной системы и повышение быстродействия перефокусировки излучения на разные дальности.
Для достижения указанной цели в лазерной системе, содержащей расположенные на оптической оси фокусирующий неустойчивый резонатор, состоящий из первичного вогнутого и вторичного выпуклого зеркал, и формирующей системы, состоящей из первичного вогнутого выходного и вторичного выпуклого подвижного зеркал, выпуклое зеркало резонатора выполнено подвижным и жестко связано с выпуклым подвижным зеркалом формирующей системы.
Отличительным признаком в заявляемой лазерной системе является подвижность выпуклого зеркала неустойчивого резонатора и жесткая связь этого зеркала с выпуклым подвижным зеркалом формирующей системы. При этом предлагаемая лазерная система имеет дополнительное свойство, а именно, меньшие габариты выходного зеркала формирующей системы без снижения эффективности фокусировки в дальнюю точку глубины дальности и без энергетических потерь при фокусировке в ближнюю точку, а также повышенное быстродействие перефокусировки излучения на разные дальности.
Поэтому заявляемая лазерная система обладает новым свойством и соответствует критерию "существенные отличия".
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
- на фиг. 1 приведен пример конкретного выполнения системы;
- на фиг. 2 - ход лучей в системе-прототипе;
- на фиг. 3 - ход лучей в заявляемой системе.
Предлагаемая лазерная система содержит (см. фиг. 1, 3) первичное вогнутое зеркало 1 и вторичное подвижное выпуклое зеркало 2 неустойчивого резонатора, а также первичное вогнутое выходное зеркало 3 и вторичное подвижное выпуклое зеркало 4 формирующей системы. Зеркала 2 и 4 жестко связаны между собой, например, приклеиванием к стержню 5. Смещение Δ′ зеркал 2 в 4 из афокального положения для фокусировки на заданную дальность заявляемой лазерной системы относится к смещению Δ зеркала 4 из афокального положения системы-прототипа при фокусировке на ту же дальность следующим соотношением (см. приложение к описанию):
<mrow><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><mo>'</mo></mrow><mi>Δ</mi></mfrac><mo>≈</mo><mn>1</mn><mo>−</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>r</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>r</mi><mn>3</mn></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mfrac><mn>1</mn><mi>M</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><msup><mi>Г</mi><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
1
2
3
4
где r, r, r, r - радиусы кривизны отражающих поверхностей зеркал 1, 2, 3, 4 соответственно;
<mrow><mi>M</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>r</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>r</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
;
<mrow><mi>Г</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>r</mi><mn>3</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>r</mi><mn>4</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
.
<mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>r</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>r</mi><mn>3</mn></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
Смещение Δ′ может быть существенно меньше Δ при небольших Г и
. Уменьшение смещения Δ′ по сравнению с Δ уменьшает и время, необходимое на перефокусировку, что повышает быстродействие лазерной системы.
<mrow><msubsup><mi>h</mi><mn>3</mn><mo>'</mo></msubsup></mrow>
3
Отношение радиусов
, h выходных апертур излучения заявляемой системы (см. фиг. 3) и системы-прототипа (см. фиг. 2) соответственно, при фокусировке излучения на дальность x определяется по формуле (см. приложение к описанию изобретения):
<mrow><mfrac><mrow><msubsup><mi>h</mi><mn>3</mn><mo>'</mo></msubsup></mrow><mrow><msub><mi>h</mi><mn>3</mn></msub></mrow></mfrac><mo>≈</mo><mn>1</mn><mo>−</mo><mfrac><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>−</mo><mi>к</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mn>2</mn></mfrac><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><msub><mi>r</mi><mn>3</mn></msub></mrow><mi>x</mi></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><mi>к</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><mo>'</mo></mrow><mi>Δ</mi></mfrac></mrow>
где
.
При x→∞ радиусы выходных апертур равны.
3
3
<mrow><msubsup><mi>h</mi><mn>3</mn><mo>'</mo></msubsup></mrow>
При к<1 и x, близких к r,
существенно меньше h. А так как размер зеркала 3 определяется выходной апертурой излучения при фокусировке в ближнюю точку, то размер зеркала 3 в заявляемой системе меньше зеркала 3 в системе-прототипе при работе этих систем в одинаковых глубинах дальностей.
Таким образом, габариты заявляемой системы меньше системы-прототипа, и выходное зеркало 3 заявляемой системы используется более полно. То, что при фокусировке в ближнюю точку глубины дальностей апертура излучения в заявляемой системе меньше системы-прототипа в большинстве случаев не существенно, так как эффективность фокусировки в ближнюю точку достаточна, например, потому что потери на поглощение излучения меньше при работе системы в атмосфере.
1
1
0
Если размер зеркала 3 заявляемой системы взять равным зеркалу 3 системы-прототипа, то для более полного использования апертуры этого зеркала при фокусировке в большой глубине дальностей можно увеличить Г формирующей системы. При этом осевая интенсивность J в дальней зоне при увеличении Г, большем Г формирующей системы, относится к осевой интенсивности J в дальней зоне при увеличении Г по следующему соотношению (см. приложение к описанию изобретения):
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>J</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>J</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mfrac><mrow><msup><mi>Г</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mrow><msup><mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mfrac><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>−</mo><mi>к</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mn>2</mn></mfrac><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><msub><mi>r</mi><mn>3</mn></msub></mrow><mrow><mi>x</mi><mo>'</mo></mrow></mfrac></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow><mrow><msup><mi>Г</mi><mn>2</mn></msup><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где x′ - расстояние до ближней точки фокусировки из рабочей глубины дальностей.
3
1
0
При к<1 и x′, близких к r, J больше J.
Пример конкретного выполнения заявляемой лазерной системы приведен на фиг. 1. Зеркала 2 и 4 выполнены подвижными и жестко связаны между собой стержнем 5, например, приклеиванием по нерабочим поверхностям и нерабочим участкам.
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>r</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>r</mi><mn>3</mn></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>0,5</mn></mrow>
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>r</mi><mn>3</mn></msub></mrow><mrow><mi>x</mi><mo>'</mo></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>0,8</mn></mrow>
Зеркала изготовлены из ситалла, а отражающие поверхности покрыты зеркально отражающим покрытием, например, серебром. Перемещение зеркал 2 и 4 осуществляется линейным шаговым двигателем (на чертеже не показано). Например, для конкретных параметров
; Г=3;
; M=1,3
<mrow><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><mo>'</mo></mrow><mi>Δ</mi></mfrac><mo>=</mo><mn>0,48</mn></mrow>
<mrow><mfrac><mrow><msubsup><mi>h</mi><mn>3</mn><mo>'</mo></msubsup></mrow><mrow><msub><mi>h</mi><mn>3</mn></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>0,8</mn></mrow>
получим
.
Работает лазерная система следующим образом. Излучение, сформированное неусточивым резонатором, состоящим из зеркал 1 и 2, попадает на формирующую систему, зеркала 3 и 4, и расширившись, выходит из системы коллимированным пучком при афокальном положении зеркал 1, 2 и 3, 4. При смещении зеркал 2 и 4 из афокального положения выходящий пучок фокусируется на определенной дальности. При этом чем больше смещение зеркал 2 и 4, тем ближе дальность фокусировки выходящего пучка. Выходная мощность излучения, сформированного резонатором, как при афокальном положении зеркал 1 и 2 (телескопический резонатор), так и при смещении их из афокального положения (фокусирующий резонатор) практически не изменяется (см. Труды ФИАН, т. 113, 1978 г., стр. 143-145).
<mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>r</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>r</mi><mn>3</mn></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
Предлагаемая лазерная система особо сильные преимущества имеет по сравнению с системой-прототипом при фокусировке излучения в большой глубине дальностей, особенно когда дальность до ближней точки близка к радиусу кривизны выходного зеркала формирующей системы и отношение радиусов
мало.
Предлагаемая система может быть использована при создании мощных лазерных систем.
ПРИЛОЖЕНИЕ
к описанию изобретения
/см. Фиг. 2 и Фиг. 3/,
1
2
3
4
где r, r, r, r - радиусы кривизны поверхностей элементов 1, 2, 3, 4 соответственно.
Из (10) .
Расстояние (1-3) между элементами 1 и 3:
Расстояние между элементом 1 и главной плоскостью H равно:
F
1
2
Систему на фиг. 3 можно заменить эквивалентной системой, состоящей из двух элементов, первый из которых совпадает с элементом 1 и имеет фокусное S расстояние с фокусом в точке F′, а второй элемент представлен главными плоскостями H и H′ с фокусным расстоянием ƒ′, которое равно:
Фокусное расстояние эквивалентной системы обозначим
тогда (1-H)=Z
Расстояние от задней главной плоскости H′ второго элемента до заднего фокусного расстояния F′ системы равно:
Или, учитывая (15), получим
2
Расстояние x равно
Учитывая (7), получим
Запишем (7) следующим образом
С учетом (19), (18) примет вид
Преобразуем (20), учитывая (3), (14)
1
2
Рассмотрим случай Δ′=Δ′=Δ′
Обозначим
1
2
Тогда (21) запишем с учетом Δ′=Δ′=Δ′
;
Из (25) найдем Δ′
Тогда (24) с учетом (27-31) запишем
или
3
3
Учитывая, что Δ′<<r, а [b] сравнимо с r, то приближенно получим
Тогда (26) с учетом (33)
<mrow><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><mo>'</mo></mrow><mi>Δ</mi></mfrac></mrow>
1
2
Найдем отношение
для варианта x=x=x
1
4
(см. фиг. 2 и фиг. 3) h=h
, где
тогда
или с учетом (2), (31)
, где
тогда
С учетом (37), (38) получим
1
1
F
2
F
учитывая, что [b] сравнимо с L, a L<<S, L′<<S, получим
Тогда (3) с учетом (40), (41) примет вид
2
1
Учитывая (3), получим при Δ′=Δ′=Δ′
Учитывая (31),
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>h</mi><mn>3</mn></msub><mo>'</mo></mrow><mrow><msub><mi>h</mi><mn>3</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
Найдем отношение
(36), (43)
Обозначим, учитывая (35)
Тогда (44) запишем
или, учитывая (11), получим
Осевая интенсивность  излучения в дальней зоне , где S - площадь выходной апертуры /см. книгу Ю.А. Ананьев Оптические резонаторы, М. Наука, 1979 г., стр. 24/
1
полагая приближенно Δ′′=Δ′