Патент на изобретение №2316862

(54) ОДНОМОДОВЫЙ ЛАЗЕР

(57) Реферат:

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано в системах дистанционного определения загрязнения окружающей среды, оптической связи и локации, в системах лазерной обработки материалов. Лазер содержит неустойчивый резонатор, образованный двумя зеркалами, который удовлетворяет следующим соотношениям: коэффициент увеличения М меньше 1,1, но больше единицы, а величина эквивалентного числа Френеля больше единицы и близка к полуцелому значению. Одно из зеркал является полностью отражающим, второе зеркало – частично пропускающее и используется для вывода излучения. Активный элемент может иметь различную форму. В частности, цилиндрическую или щелевую. Лазер позволяет при короткой длине резонатора одновременно получать одномодовый режим генерации с широким выходным пучком. Это обеспечивает малую расходимость и высокую осевую яркость выходного излучения, а также удобно для применений в системах лазерной обработки материалов. 1 ил.

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано в системах дистанционного определения загрязнения окружающей среды, оптической связи и локации, в системах лазерной обработки материалов.

Широко известны лазеры с различными типами устойчивых резонаторов, генерирующие в одномодовом режиме [1]. В этих лазерных системах уровень дискриминации поперечных мод высокого порядка определяется апертурой отражателей. Для фильтрации основной поперечной моды необходимо, чтобы число Френеля не превышало единицу.

Поэтому широкие выходные пучки могут быть получены только при большой длине резонатора L. В компактных лазерах с относительно небольшой длиной поперечные размеры используемой активной среды и ширина выходного пучка невелики и ограничены величиной ˜, где – длина волны генерации. Соответственно, угловая расходимость выходного излучения составляет не менее ˜.

Известны также лазеры, позволяющие при малой длине эффективно использовать активную среду с большими поперечными размерами, обеспечивая при этом одномодовый режим генерации. Эти лазеры содержат резонаторы неустойчивого типа, в которых вывод излучения осуществляется через край одного из зеркал [2] (прототип).

Однако площадь поперечного сечения выходного излучения в таких системах составляет только часть от площади поперечного сечения используемой активной среды. А для компактных лазеров с небольшой длиной – лишь малую часть. Это приводит к существенному уменьшению ширины выходного излучения. Кроме того, в лазерах с неустойчивыми резонаторами при цилиндрической геометрии активной среды и круглых отражателях выходное излучение имеет форму кольца, что не всегда является удобным.

Основной задачей, решаемой изобретением, является уменьшение расходимости и увеличение яркости выходного излучения при одновременном обеспечении компактности.

Поставленная задача решается следующим образом.

Предложен одномодовый лазер, содержащий неустойчивый резонатор, образованный двумя зеркалами, и активный элемент, например, цилиндрической или щелевой формы. Неустойчивый резонатор удовлетворяет условиям: коэффициент увеличения М не намного превышает единицу (М меньше 1,1), величина эквивалентного числа Френеля больше единицы и близка к полуцелому значению. Одно из зеркал является полностью отражающим, второе зеркало – частично пропускающее и используется для вывода излучения.

При величине эквивалентного числа Френеля больше единицы геометрические потери превышают дифракционные. Поэтому в предложенном лазере формируются моды неустойчивого резонатора. Близость этой величины к полуцелому значению обеспечивает фильтрацию наиболее добротной поперечной моды. Низкий коэффициент увеличения резонатора позволяет уменьшить геометрические потери, величина которых для щелевой геометрии составляет (1-1/М), для цилиндрической – (1-1/М²). Основная доля потерь резонатора связана с выводом излучения через частично пропускающее выходное зеркало.

Ширина выходного пучка не ограничена длиной резонатора и имеет максимально возможное значение, совпадающее с шириной активной среды, а не его малую часть.

Лазер позволяет при короткой длине резонатора одновременно получать одномодовый режим генерации с широким выходным пучком. Это обеспечивает малую расходимость и высокую осевую яркость выходного излучения.

Кроме того, предложенный компактный одномодовый лазер со стабильным распределением излучения и широким выходным пучком удобен для применений в системах лазерной обработки материалов. Особенно при большой площади обрабатываемой поверхности.

Изобретение поясняется чертежом.

Лазер содержит неустойчивый резонатор, образованный двумя зеркалами – полностью отражающим зеркалом 1 и частично пропускающим зеркалом 2. Вывод излучения 3 осуществляется через пропускающее зеркало шириной D. Активный элемент 4 может иметь различную форму. В случае цилиндрической формы активной среды поперечное сечение выходного пучка представляет собой круг с диаметром D. В случае щелевой – полосу длиной D и шириной d, много меньшей D.

Дополнительное излучение 5, появляющееся из-за геометрической расходимости внутри резонатора, имеет малую мощность по сравнению с основным выходным пучком 3, и также может быть использовано при решении некоторых задач. Его можно выводить как через край глухого зеркала (а), так и через край полупрозрачного (б) в зависимости от конкретной задачи. При цилиндрической геометрии это дополнительное излучение имеет форму узкого кольца с диаметром D и шириной несколько процентов от D. В щелевых лазерах – это два параллельных пучка, направленных вдоль краев активной среды, с одинаковыми поперечными размерами d на D(M-1)/2.

Лазер можно проиллюстрировать следующим примером.

Газовый СО₂ лазер с неустойчивым телескопическим резонатором, образованным полностью отражающим вогнутым зеркалом с радиусом кривизны 15,4 м и частично пропускающим выпуклым зеркалом с радиусом кривизны 15 м. Размеры зеркал и поперечные размеры активной среды составляют 40 мм. Расстояние между отражателями, приблизительно совпадающее с длиной активной среды, L=20 см. Длина волны излучения =10,6 мкм.

В этом лазере выполняются условия для формирования и селекции наиболее добротной поперечной моды неустойчивого резонатора, а выходное излучение имеет стабильное распределение шириной ˜40 мм. Соответственно, угловая расходимость выходного пучка составляет ˜0,5 мрад.

Для сравнения при аналогичных габаритах в существующих одномодовых лазерах поперечный размер выходного пучка ограничен величиной ˜3-4 мм, а угловая расходимость не менее 5-7 мрад. Следовательно, такой лазер на порядок и более превосходит существующие аналоги по таким характеристикам, как ширина выходного пучка, угловая расходимость и осевая яркость излучения.

Источники информации

1. О.Звелто. Физика лазеров. М., Мир, 1979.

2. Ю.А.Ананьев. Оптические резонаторы и лазерные пучки. М., Наука, 1990.

Формула изобретения

Одномодовый лазер, содержащий неустойчивый резонатор, образованный двумя зеркалами, и активный элемент, расположенный между ними, отличающийся тем, что неустойчивый резонатор выполнен с коэффициентом увеличения, меньшим 1,1, но большим 1, величина эквивалентного числа Френеля больше 1 и близка к полуцелому значению, а одно из зеркал выполнено частично пропускающим и является выходным.

РИСУНКИ