Дисковый лазерный неустойчивый резонатор для обеспечения выходного лазерного сигнала с близким к дифракционному качеством пучка
DISK LASER UNSTABLE RESONATOR FOR PROVIDING OUTPUT LASER SIGNAL WITH BEAM QUALITY CLOSE TO DIFFRACTION

Дисковый лазерный неустойчивый резонатор для обеспечения выходного лазерного сигнала с близким к дифракционному качеством пучка
Основной особенностью лазерных резонаторов с дисковыми активными элементами, работающими в режиме непрерывной генерации излучения, является очень малая величина усиления при прохождении излучения через активный элемент. Это, в первую очередь, связано с тем, что для работы в режиме непрерывной накачки толщина диска составляет 0,1-0,3 мм. А величина усиления в активном элементе экспоненциально зависит от его длины. Дополнительно, при такой толщине дискового активного элемента значительно возрастает влияние эффекта усиленного спонтанного излучения (УСИ) при увеличении диаметра излучения накачки - основном способе масштабирования дисковых лазеров. Соответственно, величина усиления за проход через активный элемент ограничена 5-10%. Другой особенностью дисковых активных элементов является его работа по принципу «активного зеркала», который состоит в том, что активный элемент представляет собой кристаллический диск, с нанесенными с противоположных торцевых сторон просветляющим на длинах волн излучения накачки и генерации (940 и 1030 нм соответственно) и высокоотражающим (99,8%) на длинах волн накачки и генерации покрытиями. Для обеспечения теплоотвода от активной среды кристаллический диск стороной с нанесенным высокоотражающим покрытием присоединяется к охлаждающему диск основанию. Описанные выше специфики оказывают сильное влияние на конструкцию лазерного резонатора, особенно при необходимости генерации излучения с близким к диффракционному качеством пучка.
Схема устойчивого лазерного резонатора в сочетании с дисковым активным элементом позволяет генерировать излучение в многомодовом режиме, а при приближении к границе устойчивости - и в режиме генерации основной моды излучения. Принципиальное устройство устойчивых дисковых лазерных генераторов и усилителей предложено в европейском патенте ЕР №0632551 еще в 1994 году. Патенты ЕР №0632551, US №6987789, US №9490604 и заявка ЕР №2475054 посвящены возможностям увеличения средней мощности дискового лазера путем использования нескольких активных элементов в устойчивом лазерном резонаторе.
Данные патенты отличаются, в основном, способами накачки активных элементов, а также их компоновкой в лазерном резонаторе. Таким путем удается достичь средней мощности в десятки киловатт. Однако при генерации излучения основной моды устойчивого резонатора увеличение числа активных элементов приводит к значительному усложнению юстировки лазерного резонатора. Такие лазеры в режиме генерации основной моды излучения хорошо работают при субкиловаттной мощности лазерного излучения. Однако дальнейшее увеличение мощности излучения можно осуществить только за счет увеличения диаметра пятна накачки, что, в свою очередь, приводит к существенному увеличению длины устойчивого лазерного резонатора. Одновременно, такое масштабирование мощности ведет к усилению эффекта УСИ (усиленное спонтанное излучение) и уменьшению усиления в дисковом активном элементе. Так, длина устойчивого лазерного резонатора для дискового лазера с мощностью 10 кВт и дифракционным качеством лазерного пучка может составлять более 100 м. Учитывая, что резонатор работает на границе устойчивости, а усиление составляет несколько процентов, его юстировка и стабильная работа практически невозможны. Здесь необходимо отметить, что преобразование диаметра пучка внутри устойчивого резонатора с помощью телескопических схем не увеличивает стабильность работы.
При генерации излучения с использованием широкоаппертурных активных элементов часто применяют неустойчивую схему лазерного резонатора. Конструкционно она отличается от устойчивой тем, что в неустойчивой схеме распространение излучения задается геометрической расходимостью излучения, а не дифракционной. Эта особенность позволяет создавать резонаторы, работающие далеко от границы устойчивости и с компактными габаритами. При этом качество лазерного пучка может быть близким к дифракционному. Однако основным недостатком неустойчивой схемы резонатора в применении к дисковым лазерам является требование большого коэффициента увеличения (в десятки и сотни процентов) неустойчивого резонатора для обеспечения выходного лазерного сигнала с близким к дифракционному качеством пучка. Следовательно, для сохранения баланса энергии внутри резонатора, требуется большая величина усиления сигнала за проход резонатора, равная 2-й степени от коэффициента увеличения. Здесь и далее под усилением сигнала за проход резонатора понимается изменение мощности лазерного пучка внутри резонатора начиная от точки вывода излучения и заканчивая ей, включая все потери и усиление в активных элементах. Однако в тонкодисковых активных элементах максимальное усиление составляет 1,05-1,1 раза из-за эффекта УСИ. Поэтому в неустойчивом резонаторе необходимо использовать большое количество дисковых лазерных квантронов для обеспечения большого коэффициента увеличения и, следовательно, большой величины усиления сигнала за проход резонатора. Кроме того, для дальнейшего масштабирования такого лазера требуется увеличение диаметра пятна накачки в каждом из квантронов, что, в свою очередь, приведет к дополнительному увеличению эффекта УСИ и, соответственно, дополнительному увеличению числа квантронов в неустойчивой схеме резонатора.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является дисковый лазер, обладающий неустойчивой схемой лазерного резонатора и качеством лазерного пучка, близким к дифракционному, известный из патента US №7978746 Unstable laser disk resonator. Схема неустойчивого резонатора данного ближайшего аналога состоит из набора сферических зеркал в сочетании с дисковыми активными элементами, а также отражающих зеркал и зеркала обратной связи. Сферические зеркала и изменение фазового профиля в дисковых активных элементах организованы таким образом, чтобы переносить изображение излучения с одного дискового элемента на другой последовательно по ходу луча. Излучение из резонатора выходит через зеркало обратной связи. Такая конструкция неустойчивого резонатора позволяет обеспечивать одинаковый диаметр лазерного пучка на активном элементе, при этом одна из двух мод неустойчивого резонатора быстро затухает. Диаметр пучка накачки на дисковых активных элементах в неустойчивом резонаторе может быть произвольным. Но основным недостатком любой неустойчивой схемы является требование большой величины усиления сигнала за проход резонатора (в десятки и стони процентов) в то время как в тонкодисковых активных элементах, используемых в устройстве, предложенном в патенте US 7978746, максимальное усиление составляет 1,05-1,1 раза из-за эффекта УСИ. Поэтому в данном ближайшем аналоге для существенного увеличения усиления за обход резонатора схема неустойчивого резонатора подразумевает использование 10 дисковых лазерных квантронов. Это чрезвычайно усложняет конструкцию как неустойчивого лазерного резонатора, так и всей лазерной установки. Кроме того, для дальнейшего масштабирования такого лазера требуется увеличение диаметра пятна накачки в каждом из квантронов, что, в свою очередь, приведет к дополнительному увеличению эффекта УСИ, дополнительному уменьшению усиления и, соответственно, дополнительному увеличению числа квантронов в неустойчивой схеме резонатора. Другим недостатком данного ближайшего аналога является трудность его применения для мультикиловаттного диапазона средней мощности. Такую мощность излучения возможно извлечь всего из одного дискового квантрона, а согласно описанию ближайшего аналога для достижения близкого к дифракционному качества пучка потребуется установить до 10 квантронов, понизив мощность каждого в 10 раз, что совершенно неприемлемо с точки зрения стоимости и сложности конструкции.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является разработка дискового неустойчивого лазерного резонатора для обеспечения выходного лазерного сигнала с близким к дифракционному качеством пучка и средней мощностью в несколько киловатт и более, использующего минимальное количество дисковых активных элементов.
Технический результат достигается тем, что дисковый лазерный неустойчивый резонатор для обеспечения выходного лазерного сигнала с близким к дифракционному качеством пучка, содержит оптический резонатор, имеющий оптическую ось, зеркало обратной связи, по крайней мере один дисковый активный элемент, расположенный последовательно вдоль оптической оси вместе с по крайней мере двумя отражающими зеркалами, каждое из которых имеет вогнутую сферическую зеркальную поверхность, систему формирования изображения между зеркалом обратной связи и по крайней мере одним дисковым активным элементом.
Новым является то, что дисковый лазерный неустойчивый резонатор является кольцевым и содержит поворотные зеркала и невзаимный оптический элемент, система формирования изображения образована телескопом для увеличения диаметра пучка и усилительным узлом, включающим телескоп для переноса изображения, два отражающих зеркала с вогнутой сферической зеркальной поверхностью и либо два дополнительных поворотных зеркала в сочетании с одним дисковым активным элементом либо одно дополнительное поворотное зеркало в сочетании с двумя дисковыми активными элементами и обеспечивающим возможность многократного прохода оптического излучения через каждый дисковый активный элемент.
Изобретение поясняется следующими чертежами.
На фиг. 1 приведена принципиальная схема дискового лазерного неустойчивого резонатора: 1 - усилительный узел, 2 - телескоп для увеличения диаметра пучка, 3 - выходное зеркало с профилированным пропусканием, 4 - невзаимный оптический элемент, 5 - поворотные зеркала.
На фиг. 2 приведена схема организации усилительного узла 1 с одним дисковым активным элементом 6, которая реализована как многопроходная телескопическая система переноса изображения на основе сферических отражающих зеркал 8 с дисковым активным элементом 6 и дополнительными поворотными зеркалами 9 и 10; 7 - телескоп для переноса изображения.
На фиг. 3 приведена схема организации усилительного узла 1 с двумя дисковыми активными элементами.
На фиг. 4 приведена зависимость усиления в усилительном узле с одним дисковым активным элементом от количества проходов излучения через дисковый активный элемент.
На фиг. 5 приведено поперечное распределение выходного пучка в перетяжке (а) и каустика выходного пучка (б).
2
На фиг. 6 приведены экспериментально измеренные характеристики усиления лазерного излучения в зависимости от плотности мощности накачки [кВт/см] в тонкодисковом Yb:YAG активном элементе (квадраты) и в композитном дисковом Yb:YAG/YAG активном элементе (кружки).
Предлагаемое устройство (см. фиг. 1) представляет собой кольцевой резонатор и в общем случае состоит из системы формирования изображения, образованной усилительным узлом 1 и телескопом 2 для увеличения диаметра пучка лазерного излучения, расположенного между усилительным узлом 1 и телескопом 2 зеркала обратной связи 3, а также невзаимного оптического элемента 4 и поворотных зеркал 5.
Устройство осуществляет свою работу следующим образом.
Генерируемое излучение усиливается в усилительном узле 1, увеличивается в диаметре в телескопе 2 для увеличения диаметра пучка лазерного излучения (который определяет коэффициент увеличения неустойчивого резонатора) и направляется на зеркало обратной связи 3, имеющее профилированное пропускание. Для подавления обратной моды в резонатор установлен невзаимный оптический элемент 4 (вращатель Фарадея в сочетании с поляризатором). В результате генерируемое излучение распространяется в одну сторону вдоль замкнутой кривой, задаваемой поворотными зеркалами 5.
Усилительный узел 1, в свою очередь, состоит из дополнительного телескопа 7 для переноса изображения, двух отражающих зеркал 8 с вогнутой сферической зеркальной поверхностью и либо двух дополнительных поворотных зеркал 9 и 10 в сочетании с одним дисковым активным элементом 6 (см. фиг. 2) либо одного дополнительного поворотного зеркала 9 в сочетании с двумя дисковыми активными элементами 6 и 11 (см. фиг. 3). Усилительный узел 1 обеспечивает возможность многократного прохода оптического излучения через каждый дисковый активный элемент. Возможность организации такой многопроходной схемы усиления известна из уровня техники [см., например патент RU 2607839 или заявку US 2012/0212804].
2
2
2
В первом альтернативном случае по независимому п. 1 формулы изобретения дополнительный телескоп 7 и дополнительное поворотное зеркало 9 осуществляют перенос изображения с зеркала обратной связи 3 на дисковый активный элемент 6, а благодаря многократному отражению излучения от сферических отражающих зеркал 8, дискового активного элемента 6 и дополнительного поворотного зеркала 10 обеспечивается многократное прохождение излучения через дисковый активный элемент 6. Для этого дисковый активный элемент 6 и дополнительное поворотное зеркало 10 установлены в фокусах сферических зеркал 8, а расстояние между сферическими зеркалами 8 равно двойному фокусному расстоянию. Регулировка углов поворота (в горизонтальной плоскости) дополнительных поворотных зеркал 9 и 10 позволяет легко регулировать количество проходов излучения через дисковый активный элемент 6 от двух раз до нескольких десятков. Такой подход позволяет достигать усиления за обход резонатора в десятки раз. Например, на Фиг. 4 представлены экспериментальные результаты усиления сигнала в многопроходной схеме усиления с дисковым активным элементом в зависимости от количества проходов. Видно, что усиление действительно может составлять до 3 раз, чего более чем достаточно для работы неустойчивого резонатора. В отличие от обычной схемы неустойчивого резонатора, применяемой в прототипе, в кольцевом резонаторе излучение распространяется только в одном направлении и, как результат, имеет одинаковый диаметр лазерного излучения при каждом проходе через дисковый активный элемент. При усилении в 1,05 раза в одном дисковом активном элементе 6 и десяти обходах излучения в многопроходной схеме усиления возможно обеспечить суммарный коэффициент усиления в 1.63 раза, а соответственно коэффициент увеличения резонатора в ~1.3 раза, что достаточно для обеспечения качества лазерного пучка М<2 (М=1 соответствует идеальному гауссову пучку). На Фиг. 5 изображено экспериментальное распределение фокусировки излучения, сгенерированного в предлагаемой схеме резонатора с описанными выше параметрами. Видно, что излучение хорошо фокусируется и, согласно расчетам, качество М=2.1. Незначительное ухудшение качества пучка по сравнению с ожидаемым связано с наличием небольших фазовых искажений в используемом в эксперименте дисковом активном элементе.
Необходимо отметить, что конструкционно места расположения дискового активного элемента 6 и дополнительного поворотного зеркала 10 взаимны. То есть эти элементы могут быть поменяны местами. Более того, в разработанной схеме резонатора вместо дополнительного зеркала 10 может быть установлен дополнительный дисковый активный элемент 11, что и реализовано во втором альтернативном случае согласно независимому пункту формулы (см. фиг. 3). В данном альтернативном случае реализации изобретения по п. 1 формулы также достигается близкое к дифракционному качество пучка выходного лазерного излучения, но за счет использования дополнительного дискового активного элемента 11 появляется возможность увеличить среднюю мощность излучения до 10-20 кВт. Необходимо отметить, что при таком добавлении дискового активного элемента 11, в отличие от прототипа, нет необходимости вносить изменения в организацию лазерного резонатора (менять положение и характеристики зеркал, оптическую ось резонатора; добавлять оптические элементы), Для большего количества дисковых активных элементов такие изменения потребовались бы.
В частном случае реализации устройства каждый дисковый активный элемент 6 является композитным, т.е. представляет собой сэндвич-структуру из легированного и нелегированного дисков, скрепленных торцевыми сторонами. В таком дисковом активном элементе фактически отсутствует одна из границ, и спонтанное излучение покидает легированную область, не успев усилиться. Благодаря своей геометрии, композитный дисковый активный элемент обеспечивает подавление эффекта УСИ и, соответственно, увеличение усиления (см. фиг. 6). В этом случае количество обходов излучения через композитный дисковый активный элемент может быть уменьшено приблизительно в 2 раза по сравнению с обычным дисковым активным элементом. Этот частный случай актуален при диаметре лазерного пучка в активном элементе 1 см и более.
Таким образом, предложенное в устройстве сочетание неустойчивой схемы резонатора и усилительного узла, реализующего многопроходную схему усиления, обеспечивает за счет большой величины усиления сигнала за проход резонатора и, соответственно, большого коэффициента увеличения неустойчивого резонатора возможность генерации излучения с качеством пучка, близким к дифракционному и средней мощностью в несколько киловатт и более (вплоть до десятков киловатт) даже при использовании только одного дискового активного элемента, что невозможно ни в каком другом типе лазерного резонатора с дисковым активным элементом включая прототип. При этом кольцевая схема неустойчивого резонатора применена для обеспечения одинакового размера генерируемого лазерного пучка при каждом проходе через дисковый активный элемент. Такой подход позволяет расширить область применимости неустойчивых резонаторов на дисковые лазеры и обеспечить возможность генерации излучения с качеством пучка, близким к дифракционному, в характерном для одного дискового активного элемента мультикиловаттном диапазоне мощностей.