Лазер с резонатором свернутого типа

Предлагаемое техническое решение относится к конструкции лазеров с резонатором свернутого типа и может быть использовано при их разработке с целью повышения мощности.
При использовании лазеров в технологии, одним из важных качеств излучения лазера является сочетание высокой мощности с формой пучка излучения, не имеющей искажений. Такое сочетание обеспечивает высокую точность и качество обработки материала.
Известен лазер на углекислом газе 1, в котором для повышения мощности излучения, активная среда с целью увеличения ее длины при ограниченных габаритных размерах выполняется в виде нескольких активных элементов (каналов), расположенных параллельно друг другу. В поворотах оптической оси для подфокусировки излучения устанавливают сферические зеркала. Астигматичность выходного излучения, возникающую при этом, снижают, выполняя радиусы кривизны сферических зеркал в поворотах оптической оси в соответствии со специальным условием, связывающим радиусы кривизны сферических зеркал в поворотах и длины отрезков между ними. кусировкупучкаизлучения, обеспечивая максимально возможное
заполнение активной среды полем. Мощность лазера увеличивается. Однако в выходном пучке астигматичность излучения при этом компенсируется не полностью.
Наиболее близким техническим решением, прототипом полезной модели, является лазер с резонатором свернутого типа, включающий оптический резонатор с концевыми зеркалами, радиусы кривизны которых RI и R2, и параллельно расположенные активные элементы, объединенные в оптическом резонаторе двухзеркальными промежуточными отражателями, расположенными в поворотах оптической оси резонатора между активными элементами так, что сумма углов падения пучка излучения на зеркала промежуточных отражателей составляет 90°, одно из зеркал отражателя - вогнутое, другое - выпуклое. Радиусы кривизны зеркал в поворотах оптической оси Квып и RBOPH- в прототипе связаны соотношением Квып  К-вогн 1§ЗХвып, где 5Свып- угол падения излучения на выпуклое зеркало 2.
В рабочем режиме в таком лазере в каждом повороте оптической оси астигматичность пучка излучения, отраженного от вогнутого зеркала, компенсируется при отражении от выпуклого (и наоборот), и в пучке излучения, проходящем через систему таких поворотов астигматичность отсутствует.
Недостатком прототипа является ограниченность его применения, поскольку характеристик зеркал (сумма углов падения пучка излучения и отношение радиусов зеркал в поворотах) недостаточно для формирования
2 многоканальной реЗонатороной схемы с параллельными каналами. Остается
проблематичным выбор радиусов кривизны самих зеркал в поворотных промежуточных отражателях, без которого невозможно конструирование оптимальной схемы резонатора с максимальной выходной мощностью. Кроме того, отношение радиусов, равное , выполняется только для лазера, в котором оба концевых зеркала вогнутые.
Целью предлагаемого технического решения является повышение мощности излучения лазера путем оптимального выбора радиусов кривизны зеркал в поворотах.
Указанная цель достигается тем, что в лазере с резонатором свернутого типа, включающий оптический резонатор с концевыми зеркалами, радиусы кривизны которых RI и R2, и параллельно расположенные активные элементы, объединенные в оптическом резонаторе двухзеркальными промежуточными отражателями, расположенными в поворотах оптической оси резонатора между активными элементами так, что сумма углов падения пучка излучения на зеркала промежуточных отражателей составляет 90°, одно из зеркал отражателя - вогнутое, другое - выпуклое, отличающийся тем, что все активные элементы выполнены одинаковыми, а радиусы кривизны зеркал промежуточных отражателей выбраны из условия:
с .  X А ., 3
cos2a
па  2 X3
COS а
.ixr
причем a 7i p , ф t |; t 45°
где RI и R2 - радиусы кривизны концевых зеркал резонатора: м а - угол, под которым пучок излучения падает на одно из зеркал нечетного со стороны концевого зеркала с радиусом кривизны RI поворота оптической оси: град.
Р- угол, под которым пучок излучения падает на другое зеркало нечетного со стороны концевого зеркала с радиусом кривизны R поворота оптической оси: фад.
ф- угол, под которым пучок излучения падает на одно из зеркал четного со стороны концевого зеркала с радиусом кривизны RI поворота оптической оси: град.
|/- угол, под которым пучок излучения падает на другое зеркало четного со стороны концевого зеркала с радиусом кривизны RI поворота оптической оси: град.
г„а- радиус кривизны зеркала нечетного со стороны концевого зеркала с радиусом кривизны RI поворота оптической оси, на которое пучок излучения падает под углом а; м
COS 2(2
COS (p
„ COS 2i
cos  Гнр- радиус кривизны зеркала нечетного со стороны концевого
зеркала с радиусом кривизны RI поворота оптической оси, на которое пучок излучения падает под углом Р; м
Гчф- радиус кривизны зеркала четного со стороны концевого зеркала с радиусом кривизны RI поворота оптической оси, на которое пучок излучения падает под углом ф; м
радиус кривизны зеркала .й етного со стороны концевого зеркала с радиусом кривизны RI поворота оптической оси, на которое пучок излучения падает под углом |/; м
Сущность предлагаемого технического решения заключается в следующем.
Для повышения мощности лазера необходимо обеспечить максимальное заполнение активной среды полем резонатора. В простейшем случае для двухзеркального несвернутого резонатора это достигается соответствующим выбором радиусов кривизны зеркал резонатора, используя известные зависимости размера каустики поля низшей моды от длины волны, длины резонатора и радиусов кривизны зеркал 3. Этот выбор ведут с учетом необходимой селекции низшей моды, определяемой дифракционными потерями резонатора и свойствами активной среды. В результате определяются оптимальные радиусы кривизны зеркал резонатора R и R2., которые в общем случае могут быть разного знака.
xO(
5 многоканальнойрезонаторной свертки с параллельными каналами, в
каждом из каналов которой помещен активный элемент, аналогичный активному элементу лазера с несвернутым резонатором, оптическую ось лазера требуется поворачивать так, чтобы она проходила через активные элементы. Для этого в поворотах оптической оси ставится пара глухих сферических зеркал, одно из которых выпуклое, другое вогнутое. В прототипе предлагается при конструировании поворотов исходить из того, что сумма углов падения лазерного пучка на поворотные зеркала равна 90°, а соотношение радиусов кривизны зеркал в поворотах Квып / RBO™- равно . где вып - угол падения пучка излучения на выпуклое зеркало,. Однако, если первое верно всегда, то второе применительно только к вогнутым концевым зеркалам, и не отражает случая выпукло-вогнутого варианта концевых зеркал. Кроме того, если в каждом из поворотов характеристики зеркал будут подчиняться только указанным соотношениям, при этом радиусы кривизны зеркал выбираются произвольно (фиксировано только их отношение), в лазерном пучке, проходящем через поворотные зеркала, будет скомпенсирована астигматичность; но мощность лазера не будет максимальной, поскольку вся резонаторная схема окажется неоптимальной (не выполняется условие максимального заполнения активной среды полем). Чтобы этого не произошло, радиусы кривизны зеркал в поворотах должны быть связаны с радиусами кривизны концевых зеркал. Расчет показывает, что формулы связи должны быть следующими:
}  -ж  6
.3 - 7
(1)
Hy0 - 2 3 r/94
r  R X-
чср N 3n
Г.ф  1 Xг-(4)
причем a 9 p 45°, ф 9t ц/ 9 45°
где RI и R2 - радиусы кривизны концевых зеркал резонатора: м а - угол, под которым пучок излучения падает на одно из зеркал нечетного со стороны концевого зеркала с радиусом кривизны RI поворота оптической оси: град.
(3- угол, под которым пучок излучения падает на другое зеркало нечетного со стороны концевого зеркала с радиусом кривизны RI поворота оптической оси: град.
ф- угол, под которым пучок излучения падает на одно из зеркал четного со стороны концевого зеркала с радиусом кривизны RI поворота оптической оси: град.
COS 2a
COS a
COS 2/
COS
„ COS 2(p
COS  2ш
COS Ij/ v|/- угол, под которым пучок излучения падает на другое зеркало
четного со стороны концевого зеркала с радиусом кривизны RI поворота оптической оси: град.
г„а- радиус кривизны зеркала нечетного со стороны концевого зеркала с радиусом кривизны R поворота оптической оси, на которое пучок излучения падает под углом а; м
г„р- радиус кривизны зеркала нечетного со стороны концевого зеркала с радиусом кривизны RI поворота оптической оси, на которое пучок излучения падает под углом Р; м
Гчф- радиус кривизны зеркала четного со стороны концевого зеркала с радиусом кривизны RI поворота оптической оси, на которое пучок излучения падает под углом ф; м
Гчу- радиус кривизны зеркала четного со стороны концевого зеркала с радиусом кривизны RI поворота оптической оси, на которое пучок излучения падает под углом vj/; м
Использование указанных соотношений позволяет получать в каждом из каналов одну и ту же каустику поля, такую же как в оптимизированном одноканальном резонаторе с максимальным заполнением активной среды. Это приводит к увеличению мощности лазера путем увеличения количества каналов с активными элементами.
Сущность полезной модели поясняется чертежом. На фиг. 1 приведена конструкция лазера с резонатором свернутого типа, выполненная в соответствии с техническим решением. Предложенная конструкция вклюг С L -   j -8
чает два концевых зеркала оптического резонатора с радиусами кривизны R.j (1) и R.2 (2), между которыми на оптической оси параллельно друг другу установлены одинаковые активные элементы (3). В нечетных со стороны зеркала (1) с радиусом кривизны RI поворотах оптической оси установлены двухзеркальные промежуточные отражатели (4,10), состоящие из вогнутого зеркала (5) с радиусом кривизны Гна, на которое пучок излучения падает под углом а, и выпуклого зеркала (6) с радиусом кривизны г„р, на которое пучок излучения падает под углом р. В четных со стороны зеркала (1) с радиусом кривизны RI поворотах оптической оси установлены двухзеркальные промежуточные отражатели (7,11), состоящие из вогнутого зеркала (8) с радиусом кривизны Гчф, на которое пучок излучения падает под углом ф, и выпуклого зеркала (6) с радиусом кривизны г, на которое пучок излучения падает под углом |/. Радиусы кривизны зеркал отражателей выбраны из приведенного выше условия (1-4),
Если отсчет поворотов оптической оси проводить от концевого зеркала (2)с радиусом кривизны R2, то в нечетных поворотах будут зеркала отражателей с радиусами кривизны, являющимися функциями RI, а в четных функциями R2., причем а  45°, а ф  . Расчет показывает, что при угле падения пучка на зеркало промежуточного отражателя 45°сферические зеркала не компенсируют астигматичность
Устройство работает следующим образом. Пучок излучения поступает стороны зеркала (1) в одинаковые активные элементы (3). Перед вторым, третьим и т.д. элементами он поворачивается на 180° с помощью сферических зеркал (5,6) и (8,9), установленных на пути пучка так, что сумма углов падения пучка излучения на зеркала в каждом повороте составляет 90° , а радиусы зеркал, одно из которых вогнутое, а второе выпуклое, определены вышеуказанным соотношением (1-4). Вследствие определенной связи радиусов кривизны концевых зеркал (1,2) и зеркал промежуточных отражателей (4,7), каустика пучка в каждом из активных элементов одинакова, в ней отсутствует астигматичность, а мощность пучка тем выше, чем больше активных элементов в свертке.
Эффективность полезной модели проверена экспериментальным путем. Лазеры, конструкции которых включали 4-х, 8-ми, 12-ти и 16-ти канальные свертки имели мощности излучения, соотносящиеся, приблизительно, как 1:2:3:4 соответственно. Источники информации.
1 Ю.В. Печенин и др. «Лазер со свернутым резонатором Автор 2 О.А. Колосовский «Лазер с резонатором свернутого типа Авторское свидетельство СССР №1378737, МКИП01р/08, 1985 3
3/08,1985
/