РЕЗОНАТОР ЛАЗЕРА
LASER RESONATOR

Изобретение относится к оптике и квантовой электронике и может быть использовано в лазерной локации, в системах наведения излучения, в системах управления волновым фронтом мощных технологических установок.
Известен сканирующий лазер [1, 2] (патент US 3639854, nov. 22, 1968, патент RU 02040090, 20.07.95), в составе оптической схемы которого содержится сопряженный резонатор, представляющий собой последовательно расположенные вдоль оптической оси два плоских зеркала, между которыми размещена пара идентичных собирающих линз, разделенных их удвоенным фокусным расстоянием, причем зеркала установлены в фокальных плоскостях линз. Активный элемент лазера размещен между линзами. Одно из зеркал берется частично прозрачным для вывода лазерного излучения. Недостатком такого резонатора является то, что для дальнейшей транспортировки лазерного пучка необходимо вне резонатора дополнительно размещать, по крайней мере, одну собирающую линзу.
Известен сканирующий лазер [3] (В.Н.Алексеев. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. НИИКИ ОЭП, г. Сосновый Бор, Ленинградская обл., 2009 г., с.28), сопряженный резонатор которого также содержит два плоских зеркала, между которыми размещена пара собирающих линз, причем зеркала установлены в фокальных плоскостях линз. Расстояние между линзами выбрано равным сумме фокусных расстояний этих линз. Активный элемент лазера и частично отражающее зеркало для вывода лазерного излучения размещены между линзами. Недостаток подобного резонатора состоит в том, что для устранения виньетирования внеосевого пучка генерации при дальнейшем его распространении необходимо дополнительно вводить, по крайней мере, одну собирающую линзу, усложняющую оптическую схему.
В качестве прототипа выбран резонатор лазера [3] как наиболее близкий по технической и физической сущности.
В лазерах [1, 2, 3] лучевая матрица обхода резонатора имеет вид:
где ,  - фокусные расстояния соответственно первой и второй линз резонатора, L - расстояние между линзами. При выполнении условия  будем иметь единичную матрицу обхода резонатора:
Это значит, что любой луч в таком резонаторе, совершив полный обход, вернется в исходную точку с единичным масштабом перестроения изображения. Данный резонатор будет устойчивым. В нем существует плоскость, перпендикулярная оптической оси, являющейся общей фокальной плоскостью линз резонатора, такая, что при прохождении пучка по обе стороны от нее осуществляется преобразование пучка с лучевой матрицей  т.е. с сохранением масштаба и переворотом пучка. В этой плоскости на оптической оси необходимо размещать осесимметричную апертурную диафрагму. В этом случае ее изображение перестраивается само в себя даже при внеосевой генерации. Эту плоскость можно назвать плоскостью качания пучка, поскольку для любых внеосевых пучков генерации излучения положение пучка в пространстве сохраняется, изменяется только наклон направления распространения пучка относительно оси резонатора. Расположение апертурной диафрагмы в другом месте резонатора приведет к потерям излучения.
При дальнейшем усилении лазерного излучения в лазерном усилителе или использовании оптического развязывающего элемента, например затвора Фарадея, между генератором и усилителем для устранения виньетирования пучка необходимо сопряженную плоскость плоскости качания пучка совмещать с апертурой усилителя или, при наличии, с апертурой оптического развязывающего элемента. Выполнить это условие напрямую бывает затруднительно, поскольку плоскость плоскости качания пучка расположена в резонаторе в одном месте резонатора, а именно в общей фокальной плоскости линз. Поэтому применяют оптическую ретрансляцию изображения плоскости качания пучка в плоскость расположения последующего оптического элемента с помощью введения дополнительно, по крайней мере, одной собирающей линзы [3].
Технический результат, достигаемый в предлагаемом техническом решении, заключается в возможности расположения плоскости качания пучка в любом наперед заданном месте на оси резонатора.
Данный технический результат достигается тем, что предлагаемый резонатор лазера, как и известный [3], состоит из установленных вдоль оптической оси двух зеркал, между которыми расположены две собирающие линзы с фокусными расстояниями  и , причем зеркала расположены в фокальных плоскостях этих линз. Новым в резонаторе является то, что отражающие поверхности зеркал выполнены в форме тел вращения соответственно с фокусными расстояниями  и , а расстояние между линзами выбрано из условия: , причем принято , для вогнутых поверхностей и , для выпуклых.
Для резонатора с отражающими поверхностями зеркал, выполненными в форме тел вращения, матрица обхода будет иметь вид:
При выполнении условия матрица обхода превращается в единичную матрицу, и любой луч, совершив полный обход резонатора, вернется в исходную точку с единичным масштабом перестроения изображения. Данный резонатор будет устойчивым.
В нем существует плоскость, перпендикулярная оптической оси, расположенная на расстоянии  от первой линзы в направлении второй линзы или, что тоже самое, на расстоянии  от второй линзы в направлении первой линзы, такая, что при прохождение пучка по обе стороны от нее осуществляется преобразование пучка с лучевой матрицей  т.е. с сохранением масштаба и переворотом пучка. Эта плоскость является плоскостью качания пучка, поскольку для любых внеосевых пучков генерации излучения положение пучка в пространстве сохраняется, изменяется только наклон направления распространения пучка относительно оси резонатора. Положение этой плоскости относительно линз резонатора может быть выбрано любым посредством выбора фокусных расстояний зеркал резонатора.
На чертеже схематично изображен резонатор лазера.
Резонатор лазера состоит из установленных вдоль оптической оси двух зеркал 1 и 4, между которыми расположены две собирающие линзы 2 и 3 с фокусными расстояниями  и , причем зеркала расположены в фокальных плоскостях этих линз. Отражающие поверхности зеркал 1 и 4 выполнены в форме тел вращения соответственно с фокусными расстояниями  и , а расстояние между линзами 2 и 3 выбрано из условия:  причем принято , для вогнутых поверхностей и , для выпуклых.
В примере реализации резонатор лазера состоит из установленных вдоль оптической оси двух зеркал 1 и 4 с отражающими поверхностями сферической формы с фокусными расстояниями соответственно  и . Между зеркалами расположены две собирающие линзы 2 и 3 с фокусными расстояниями соответственно =40 м и =40 м, причем зеркала расположены в фокальных плоскостях этих линз. Расстояние между линзами равно L=80 м. В этом случае плоскость качания пучка располагается в плоскости расположения линзы 3. Резонатор испытан в составе взрывного фотодиссоционного йодного лазера. Лазерная кювета с активной средой длиной 1 м и апертурой диметром 140 мм располагалась посредине между линзами. Полупрозрачное зеркало вывода излучения располагалось между лазерной кюветой и второй собирающей линзой. Расстояние между полупрозрачным зеркалом и второй собирающей линзой было равным 4 м. Апертурная диафрагма лазера диаметром 30 мм располагалась на второй собирающей линзе. Излучение генерации лазера полупрозрачным зеркалом вывода излучения направлялось в ячейку Фарадея с апертурой диметром 30 мм, расположенную на расстоянии 4 м от полупрозрачного зеркала. Поскольку расстояние между полупрозрачным зеркалом вывода излучения и апертурной диафрагмой лазера и расстояние между полупрозрачным зеркалом вывода излучения и ячейкой Фарадея равны, то апертурная диафрагма лазера и апертура ячейки Фарадея оптически сопряжены без введения дополнительных линз для транспортировки изображения.
Таким образом, технический результат достигнут. Усовершенствование резонатора лазера позволяет располагать плоскость качания пучка в любом наперед заданном месте на оси резонатора, что дает возможность оптически сопрягать апертурную диафрагму лазера с апертурой последующего оптического элемента без введения дополнительных линз для транспортировки изображения.