ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ФОРМИРОВАНИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ ГАЗОВОГО ЛАЗЕРА
LASER RADIATION FORMING OPTICAL SYSTEM FOR GAS LASER

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано в конструкциях газовых лазеров.
Известна оптическая система на основе неустойчивого конфокального резонатора и выходного окна, применяемая в конструкциях газовых лазеров для получения когерентного лазерного излучения с расходимостью, близкой к дифракционной (Ананьев Ю.А. Оптические резонаторы и проблема расходимости лазерного излучения. - М., 1979 г. [1]). Оптическая система содержит глухое зеркало и выходное зеркало оптического резонатора (ОР), а также расположенное на оптической оси системы выходное окно. Недостатком такой оптической системы является невозможность управления пространственными характеристиками лазерного излучения без применения дополнительных оптических элементов между выходным зеркалом и выходным окном или без осуществления угловых разъюстировок зеркал ОР. Наличие дополнительных оптических элементов, в свою очередь, усложняет конструкцию и приводит к потерям выходной энергии лазерного излучения (ЛИ).
Известна выбранная в качестве прототипа оптическая система на основе неустойчивого телескопического резонатора, обеспечивающего вывод лазерного излучения через выходное окно, которая применяется в газовых лазерах (Патент США №3873942, 1975 г. [2]). Резонатор содержит заключенные в герметичный газовый объем глухое вогнутое зеркало и выходное выпуклое зеркало. Расстояние между зеркалами определяется из соотношения:
<mrow><mi>L</mi><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>R</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>R</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>/</mo><mn>2,</mn><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
1
2
где L - расстояние между зеркалами ОР (геометрическая длина ОР); R - радиус кривизны глухого зеркала; R - радиус кривизны выходного зеркала.
Такой ОР называется софокусным (конфокальным), так как положение фокусов (фокальных плоскостей) обоих зеркал совпадает между собой:
<mrow><mi>L</mi><mo>=</mo><msub><mi>f</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>f</mi><mn>2</mn></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
1
2
где f - фокусное расстояние глухого зеркала; f - фокусное расстояние выходного зеркала.
Такой ОР дает плоский волновой фронт и близкую к дифракционной расходимость ЛИ. Сечение выходного светового пучка, формируемого таким резонатором, представляет собой прямоугольную рамку или кольцо (в зависимости от формы сечения выходного зеркала ОР), отношение наружных размеров которых к внутренним равно М, где М - коэффициент увеличения неустойчивого ОР. Диаметр выходного зеркала ОР определяется из отношения:
<mrow><msub><mi>D</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>D</mi><mn>1</mn></msub><mo>/</mo><mi>M</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
1
2
<mrow />
где D - световой диаметр глухого зеркала OP; D
- диаметр выходного зеркала ОР; М - коэффициент увеличения неустойчивого ОР.
Недостатки такой оптической системы состоят в том, что:
- для формирования и вывода ЛИ из активного газового объема в систему между выходным зеркалом и выходным окном необходимо вносить дополнительные оптические элементы. Это приводит к усложнению конструкции системы и, следовательно, к дополнительным потерям выходной энергии лазерного излучения;
- оптическая система на основе такого ОР формирует на выходе плоский волновой фронт, поэтому для управления расходимостью ЛИ необходимо вносить дополнительные оптические элементы или осуществлять угловые разъюстировки зеркал ОР, что, в свою очередь, приводит к технологическому усложнению конструкции системы и, как следствие, к дополнительным потерям выходной энергии ЛИ.
Задачей настоящего изобретения является усовершенствование оптической системы формирования ЛИ для газового лазера на основе неустойчивого ОР в целях повышения эффективности ее использования в ряде задач прикладного характера, например для лазеров, предназначенных для экологического мониторинга и газового анализа атмосферы, а также для физических исследовательских установок.
Технический результат состоит, во-первых, в упрощении конструкции оптической системы формирования ЛИ на основе неустойчивого ОР, что приводит к снижению потерь энергии ЛИ за счет уменьшения количества оптических элементов в системе, во-вторых, в обеспечении возможности эффективного управления пространственными характеристиками ЛИ. Кроме того, оптическая система является более технологичной с точки зрения упрощения изготовления, крепления и юстировки оптических элементов.
Данный технический результат достижим за счет того, что в отличие от известной оптической системы формирования ЛИ для газового лазера на основе неустойчивого ОР телескопического типа, содержащей заключенные в герметичный газовый объем глухое зеркало резонатора и выходное зеркало резонатора и обеспечивающей вывод лазерного излучения через выходное окно, в предложенной оптической системе выходное зеркало резонатора выполнено на рабочей поверхности расположенного на оптической оси системы линзового мениска по центру, при этом линзовый мениск с зеркалом выполняет функцию выходного окна, ограничивающего активный газовый объем.
Линзовый мениск - это линза, рабочие поверхности которой имеют одинаковые по знаку радиусы кривизны (Заказнов Н.П. Теория оптических систем. - М., 1992 г., стр.62-64 [3]).
Оптическая система может отличаться тем, что рабочей поверхностью является обращенная к газовой среде поверхность линзового мениска или расположенная вне газовой среды поверхность линзового мениска.
При этом оптическая система может отличаться тем, что радиус кривизны поверхностей линзового мениска выбран таким, что фокальные плоскости глухого зеркала и выходного зеркала не совпадают.
Выходное зеркало оптической системы может быть выполнено в виде многослойного высокоотражающего покрытия. При этом покрытие может содержать, по крайней мере, один слой диэлектрика, или, по крайней мере, один слой диэлектрика может быть нанесен на металлическое покрытие.
Оптическая система может отличаться тем, что выходное зеркало резонатора, выполненное на обращенной к газовой среде поверхности линзового мениска, содержит, по крайней мере, один защитный слой от агрессивной газовой среды.
Оптическая система может отличаться тем, что в качестве линзового мениска может быть использован афокальный мениск. Афокальный мениск - это разновидность. линзового мениска, у которого радиусы кривизны поверхностей примерно равны друг другу, то есть оптическая сила афокального мениска примерно равна нулю (Максутов Д.Д. Новые катадиоптрические менисковые системы. - М., 1944 г., стр.19 и 23 [4]).
Выбор оптической системы формирования лазерного излучения на основе неустойчивого ОР телескопического типа в качестве базовой модели обусловлен ее малой чувствительностью к угловым разъюстировкам зеркал ОР (Гросс Р., Ботт Д. Химические лазеры. - М., 1980 г. [5]).
Выходное зеркало ОР в такой системе выполнено на рабочей поверхности расположенного на оптической оси системы линзового мениска по центру. При этом за счет совмещения в этом оптическом элементе (линзовом мениске) функций выходного зеркала и одновременно ограничивающего активный газовый объем выходного окна для выходного пучка ЛИ становится возможным значительное упрощение конструкции оптической системы из-за уменьшения количества дополнительных оптических элементов между выходным зеркалом и выходным окном, имеющего место в прототипе.
Выбор в заявляемой системе радиуса кривизны рабочих поверхностей линзового мениска таким, что фокальные плоскости глухого зеркала и выходного зеркала ОР не совпадают, дает возможность управлять радиусом кривизны волнового фронта выходного пучка ЛИ, то есть имеется возможность управлять пространственными характеристиками лазерного излучения без использования дополнительных оптических элементов (А.А.Исаев, М.А.Казарян, Г.Г.Петраш и др. Эволюция гауссовых пучков и импульсная генерация в лазерах с неустойчивыми резонаторами // Квантовая электроника, т. 2, №6, 1975 г. [6]).
Выполнение выходного зеркала ОР в виде многослойного высокоотражающего покрытия позволяет осуществить высокоэффективную лазерную генерацию в широком спектральном диапазоне. При этом выбор слоев диэлектрика позволяет получить необходимый коэффициент отражения выходного зеркала на рабочих длинах волн.
Выходное зеркало ОР обладает защитным слоем от агрессивной газовой среды в том случае, когда оно выполнено на обращенной к газовой среде поверхности линзового мениска. Наличие защитного слоя в оптическом покрытии способствует долговременной работоспособности выходного зеркала в среде агрессивных газов.
Использование в заявляемой системе афокального мениска возможно в связи с тем, что афокальный мениск, имея очень малую оптическую силу (фокусное расстояние стремится к бесконечности), практически не вносит искажений при прохождении через него пучка ЛИ.
Технологичность системы обеспечена следующим образом. При больших М и малых апертурах зеркал ОР конструкция крепления мениска значительно проще, чем конструкция крепления выходного зеркала в виде отдельного элемента, что характерно для прототипа. При этом изготовление оптической детали, на которую нанесено выходное зеркало, также значительно проще, чем изготовление выходного зеркала в виде отдельного элемента, как в прототипе.
Кроме того, на технологичности сказывается и то, что при больших М и малых апертурах зеркал ОР юстировка выходного зеркала, нанесенного на линзовый мениск, значительно проще, чем юстировка выходного зеркала в виде отдельного элемента, что имеет место в прототипе.
1
2
1
1
2
<mrow><msub><mrow /><mn>2</mn></msub></mrow>
На фигуре схематично изображена заявляемая оптическая система формирования лазерного излучения на основе неустойчивого ОР телескопического типа, где L - расстояние между зеркалами ОР (геометрическая длина OP), R - радиус кривизны глухого зеркала, R - радиус кривизны выходного зеркала, f - фокусное расстояние глухого зеркала, f
- фокусное расстояние выходного зеркала, Δ=f-f - разность между положением фокальных плоскостей глухого и выходного зеркал ОР. Диаметр выходного зеркала ОР определяется из отношения (3).
1
1
3
2
2
Была практически реализована оптическая система формирования лазерного излучения для химического электроразрядного лазера на основе неустойчивого ОР телескопического типа (см. чертеж), подобная оптической системе, представленной в приведенном источнике (фиг.11в на стр.144 из [5] или рис.3.3г на стр.158 из [1]). Оптическая система формирования лазерного излучения на основе неустойчивого ОР телескопического типа (см. чертеж) представляла собой заключенные в герметичный газовый объем рабочей камеры 3 глухое зеркало 1 резонатора и выходное зеркало 2 резонатора. Выходное зеркало 2 выполнено на рабочей поверхности расположенного на оптической оси системы афокального мениска 4 по центру. Длина ОР составляла L=314,4 мм. Глухое зеркало 1 было выполнено на подложке из фтористого кальция инфракрасного (ФКИ) с радиусом кривизны R=1081,4 мм (фокусное расстояние f=540,7 мм) и имело коэффициент отражения R1≈99% на рабочих длинах волн. Выходное зеркало 2 выполнено из слоев диэлектрика на основе YF, ZnSe и ZnS и имело коэффициент отражения R2≈99% на рабочих длинах волн. Диаметр выходного зеркала равен 4,6 мм. Афокальный мениск 4 сделан из ФКИ и имел радиус кривизны поверхностей R=549,5 мм (фокусное расстояние f=274,75 мм). Разность между положением фокальных плоскостей глухого и выходного зеркал ОР была равна Δ=48,45 мм.
При подаче напряжения на электроды основного разряда в рабочей камере 3 лазера формируется устойчивый объемный электрический разряд, и возникает генерация лазерного излучения. Оптическая система обеспечивает формирование ЛИ, обеспечивает положительную обратную связь, необходимую для генерации ЛИ, а также обеспечивает вывод ЛИ через выходное окно 4.
Оптическая система формирования лазерного излучения на основе неустойчивого ОР конструктивно стала проще, по сравнению с прототипом, за счет уменьшения количества оптических элементов в системе (отсутствует необходимость установки дополнительных оптических элементов между выходным зеркалом и выходным окном). При этом потери энергии лазерного излучения за счет уменьшения количества оптических элементов в системе стали меньше. Имеется возможность управления пространственными характеристиками лазерного излучения в достаточно широких пределах без использования дополнительных оптических элементов. При этом достигнута технологичность в креплении и юстировке линзового мениска с нанесенным на него выходным зеркалом.