НЕУСТОЙЧИВЫЙ РЕЗОНАТОР
UNSTABLE RESONATOR

Изобретение относится к области квантовой электроники, а именно к устройствам со стимулированным излучением и предназначено для создания оптических квантовых генераторов (ОКГ) с компактной формой выходного излучения, имеющих объемную активную среду.
Известен неустойчивый телескопический резонатор (см. Труды ФИАН, т. 113, 1979 г., стр. 141-143), который используется в ОКГ с большим объемом активной среды.
Недостаток такого резонатора состоит в кольцевой форме сечения выходного пучка излучения и относительно больших его размерах, а также в относительно малой ширине кольца при использовании активных сред с малыми коэффициентами усиления (см. статью С.И. Завгороднева и др., ″Квантовая электроника″, т. 7, №1, 1980 г., стр. 142).
Известен неустойчивый резонатор (см. книгу Ю.А. Ананьева ″Оптические резонаторы и проблема расходимости лазерного излучения″, М., ″Наука″, 1979 г. стр. 252, 253) с несимметричным выводом излучения, состоящий из уголкового отражателя и выпуклого зеркала, позволяющий получать компактную выходную апертуру излучения с высокой равномерностью распределения интенсивности.
Для преобразования и использования лазерного излучения наиболее удобной является компактная осесимметричная апертура выходного излучения, получить которую указанным резонатором без энергетических потерь невозможно.
Известен неустойчивый резонатор (см. патент США №4096447 по кл. H01S 3/081 за 1978 г.), который по совокупности конструктивных признаков и функциональному назначению наиболее близко совпадает с предлагаемым техническим решением и поэтому выбран за прототип.
Он содержит первичное кольцевое коническое, образующая которого окружность, вогнутое зеркало и вторичное коническое, образующая которого окружность, выпуклое зеркало, расположенное в отверстии кольцевого плоского зеркала, причем фокальные кольца первичного и вторичного зеркал совмещены. Указанный резонатор обеспечивает эффективный вывод энергии излучения с объемной активной среды и позволяет получать компактную осесимметричную апертуру выходного излучения.
В указанном резонаторе вторичное коническое, образующая которого окружность, выпуклое зеркало, тип которого описан в патенте (см. патент США №3,942,127 по кл. H01S 3/08 за 1976 г., фиг. 3), имеет вершину, создающую разрывность, в результате чего генерация в различных частях резонатора относительно оси не связана, что приводит к асимметричному распределению фазы выходного излучения, поэтому генерация не может происходить в режиме самого низкого порядка (см. патент США №4,025,172 по кл. G02B 5/10 за 1977 г.). Кроме того, использование указанного резонатора с проточной активной средой с уменьшающимся коэффициентом усиления вдоль по потоку приводит к неравномерности распределения интенсивности в сечении пучка выходного излучения (см. книгу Ю.А. Ананьева ″Оптические резонаторы…″, М., ″Наука″, 1979 г., стр. 251).
Целью настоящего изобретения является улучшение качества выходного пучка излучения, за счет осесимметричного распределения фазы.
Для достижения указанной цели в неустойчивый резонатор, содержащий первичное кольцевое коническое, образующая которого окружность, вогнутое зеркало и вторичное коническое, образующая которого окружность, выпуклое зеркало, фокальные кольца которых совмещены, введен трехгранный уголковый отражатель с взаимно перпендикулярными зеркально-отражающими гранями и установлен таким образом, что плоскость основания его расположена за тыльной стороной вторичного зеркала или соприкасается с ней, а вершина размещена на оси симметрии резонатора.
Кроме того, с целью максимального съема энергии при использовании проточной активной среды, формы первичного и вторичного зеркал, отверстия первичного зеркала и основания уголкового отражателя выполнены прямоугольными.
Для устранения попадания генерируемого излучения на ребра уголкового отражателя вторичное зеркало прикреплено к корпусу шестью кронштейнами, которые расположены симметрично относительно оси симметрии резонатора под углом 60° между собой таким образом, что проекции трех кронштейнов на уголковый отражатель совпадают с его ребрами.
Резонатор-прототип обладает следующим свойством - апертура выходного излучения сплошная, компактная и осесимметричная. Отличительный признак в заявляемом резонаторе - это соответствующим образом установленный уголковый отражатель, который обладает известным свойством улучшать равномерность распределения интенсивности выходного излучения резонатора. Но заявляемый резонатор, кроме известных свойств прототипа и отличительного признака (выходная апертура сплошная, компактная, осесимметричная с высокой равномерностью распределения интенсивности), обладает дополнительным свойством, а именно, осесимметричным распределением фазы на выходной апертуре. Таким образом, заявляемый резонатор позволяет получать пучок выходного излучения более высокого качества. Поэтому заявленная совокупность проявляет новое свойство, не повторяющее известное свойство отличительного в ней признака, то эта совокупность признается соответствующей критерию ″существенные отличия″.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
- на фиг. 1 приведен ход лучей в резонаторе;
- на фиг. 2 - первый пример конкретного выполнения;
- на фиг. 3 - второй пример конкретного выполнения;
- на фиг. 4 - разрез А-А фиг. 3;
- на фиг. 5 - разрез В-В фиг. 3.
Предлагаемый резонатор содержит (см. фиг. 1-5) первичное коническое, образующая которого окружность, вогнутое зеркало 1, вторичное коническое, образующая которого окружность, выпуклое зеркало 2, трехгранный уголковый отражатель 3 с взаимно перпендикулярными зеркально-отражающими гранями и кронштейны 5 (см. фиг. 3).
Тип зеркал 1 и 2 описан в патенте США (см. патент США №3,942,127 по кл. H01S 3/08 за 1976 г., фиг. 3, 5).
Уголковый отражатель 3 выполнен либо в виде призмы с металлизированными отражающими гранями (см. фиг. 2), либо из трех плоских зеркал (см. фиг. 3).
Первичное зеркало 1 и вторичное зеркало 2 расположены так, что их фокальные кольца 4 совмещены.
Уголковый отражатель 3 размерен за вторичным зеркалом 2 таким образом, что плоскость основания уголкового отражателя 3 расположена за тыльной стороной зеркала 2 или соприкасается с ней, а вершина размещена на оси симметрии зеркал 1, 2. Плоскость основания уголкового отражателя 3 расположена за тыльной стороной вторичного зеркала 2 для устранения экранирования зеркалом 2 переотраженных уголковым отражателем лучей.
Первый пример конкретного выполнения резонатора приведен на фиг. 2. В этом резонаторе вторичное зеркало 2 тыльной стороной крепится (например, оптическим контактом) к основанию уголкового отражателя 3, выполненного в виде призмы с металлизированными отражающими гранями.
При использовании заявляемого резонатора для генерации мощного лазерного излучения в средней и дальней инфракрасных областях спектра уголковый отражатель выполнен из трех плоских зеркал (см. фиг. 3) с взаимно перпендикулярными отражающими поверхностями. В случае проточной активной среды (например, газодинамической) для максимального съема энергии (см. книгу Ю.А. Ананьева ″Оптические резонаторы и проблема расходимости лазерного излучения″, М., ″Наука″, 1979 г., стр. 247) формы первичного и вторичного зеркал, отверстия первичного зеркала и основания уголкового отражателя выполнены прямоугольными (см. фиг. 3, 4, 5). При работе уголкового отражателя из трех плоских зеркал в мощном лазерном потоке наиболее уязвимыми местами к термодеформациям являются вершина и ребра со стороны отражающих поверхностей. Для устранения попадания генерируемого излучения на ребра уголкового отражателя 3, вторичное зеркало 2 крепится к корпусу шестью кронштейнами 5, которые расположены симметрично относительно оси симметрии резонатора под углом 60° между собой таким образом, что проекции трех кронштейнов на уголковый отражатель совпадают с его ребрами (см. фиг. 3, 4). Вторичное зеркало 2 затеняет вершину уголкового отражателя 3, а кронштейны - его ребра. При генерации мощного лазерного излучения первичное 1 и вторичное 2 зеркала, плоские зеркала уголкового отражателя 3, кронштейны 5 могут быть выполнены охлаждаемыми, например, жидкостью, и к вторичному зеркалу 2 охлаждающая жидкость может подаваться по кронштейнам.
Резонатор работает следующим образом (см. фиг. 1). Излучение переотражается вторичным выпуклым зеркалом 2 и первичным вогнутым зеркалом 1, превращается в коллимированный пучок излучения, который попадает на уголковый отражатель 3. Излучение коллимируется потому, что фокальные кольца зеркал 1 и 2 совмещены. Коллимированный пучок отражается уголковым отражателем 3 в обратном направлении, развернувшись при этом на 180° вокруг оси симметрии резонатора. Далее пучок переотражается зеркалом 1 на зеркало 2, которое направляет пучок через выходное отверстие вогнутого зеркала 1. Выходной пучок имеет сплошное сечение. В таком резонаторе осуществляется дифракционная обратная связь, например, на краях зеркал (см. книгу Ю.А. Ананьева ″Оптические резонаторы…″ М., ″Наука″, 1979 г., стр. 195, 196, 257-259). Уголковый отражатель осуществляет связь областей генерации симметричных относительно оси резонатора, что приводит к осесимметричному распределению фазы выходного излучения. В случае применения проточной активной среды с уменьшающимся коэффициентом усиления вдоль по потоку заявляемый резонатор позволяет получать выходную апертуру излучения с высокой равномерностью распределения интенсивности. Заявляемый резонатор также позволяет получать сплошное сечение выходного пучка излучения. Даже в случае крепления зеркала 2 кронштейнами 5 пучок, переотражаясь зеркалами 1 и 2, сужается и благодаря дифракции на выходе из резонатора будет сплошным.
Осессимметричное распределение фазы выходного излучения позволяет получать максимум осевой интенсивности в дальней зоне (см. патент США №4,025,172 по кл. G02B 5/10, 1977 г.).
Таким образом, заявляемый резонатор позволяет получать выходное лазерное излучение с компактной, сплошной и осесимметричной апертурой, с высокой равномерностью распределения интенсивности и осесимметричным распределением фазы по сечению пучка. Указанный резонатор также позволяет осуществлять эффективный вывод энергии излучения с объемной активной среды. Этот резонатор может быть использован как с твердотельной активной средой, так и с проточной активной средой с уменьшающимся коэффициентом усиления вдоль по потоку.
Наличие уголкового отражателя повышает устойчивость заявляемого резонатора к разъюстировке по сравнению с прототипом.
Предлагаемый резонатор может быть использован при создании мощных лазерных систем, применяемых в научных исследованиях, оптической локации, технологических целях.