Открытый оптический резонатор

Полезная модель относится к оптическому приборостроению, в частности к голографическим и лазерным интерферометрам, в которых в качестве когерентных источников света используются импульсные лазеры на твердом теле (рубин, неодим) и может быть использована для создания источников направленного излучения. Задача, на решение которой направлена полезная модель, заключается в том, чтобы создать открытый оптический резонатор, посредством которого можно было бы получать пучок излучения с равномерным распределением освещенности по его сечению, и содержащий минимальное число оптических элементов (внешних и внутренних). Технический результат достигается тем, что в открытом оптическом резонаторе, содержащем, оптически связанные и установленные перпендикулярно оптической оси на фиксированном расстоянии друг от друга, глухое вогнутое сферическое зеркало, модулятор добротности, активный элемент и зеркало, выводящее излучение из резонатора, согласно предлагаемой полезной модели, зеркало, выводящее излучение из резонатора, выполнено в виде плоско-выпуклого оптического элемента, который установлен выпуклой поверхностью со стороны отражающей поверхности глухого вогнутого сферического зеркала, при этом плоско-выпуклый оптический элемент имеет кривизну выпуклой поверхности, определяемой соотношением 1/R_О.Э., где - R_О.Э. - радиус кривизны выпуклой поверхности. Применение предлагаемой полезной модели позволит, при использовании в импульсных лазерах на твердом теле, в которых кристалл рубин характеризуется существенными остаточными натяжениями и неравномерным распределением показателя преломления по всему объему рубинового стержня, получать (селектировать) пучок с равномерным распределением потока излучения по сечению светового пучка. 1 ил.

Полезная модель относится к оптическому приборостроению, в частности к голографическим и лазерным интерферометрам, в которых в качестве когерентных источников света используются импульсные лазеры на твердом теле (рубин, неодим) и может быть использована для создания источников направленного излучения.

Для обеспечения необходимой точности оптических измерений посредством этих приборов лазерное излучение, прежде всего, должно иметь равномерное распределение освещенности по сечению пучка.

Для достижения равномерного распределения потока излучения при создании лазеров осуществляют рациональный выбор, как конфигурации, так и конструкции отражательных элементов открытого оптического резонатора. Особенно актуальным этот вопрос является при создании реальных открытых оптических резонаторов применительно к импульсным лазерам на твердом теле - неодиме и рубине. Эти лазеры в настоящее время являются пока единственными когерентными источниками, которые применяются для диагностики и визуализации быстропротекающих процессов (экспериментальная газовая динамика, баллистика, физика горения и взрыва, изучение процессов смешения, воспламенения и горения топлив и др. задачи).

Известен открытый оптический резонатор (см. Дж.Бирнбаум «Оптические квантовые генераторы», под ред. Ф.С.Файзуллова. - М.: Советское радио, 1967 г. с.83-95; 101-104), состоящий из двух двояковыпуклых сферических зеркал и активной средой между ними. Сферические зеркала имеют одинаковые радиусы кривизны, а фокальные плоскости их совмещены (конфокальный резонатор).

В конфокальном резонаторе можно достичь на выходе равномерный поток излучения при условии удаления зеркал друг от друга на десятки метров, что на практике сложно реализовать.

Известен также открытый оптический резонатор (см. Дж.Бирнбаум «Оптические квантовые генераторы», под ред. Ф.С.Файзуллова. - М.: Советское радио, 1967 г. с.106, абзац 4), состоящий из двух плоских зеркал, одно из которых глухое, а второе - полупрозрачное, с заданным коэффициентом пропускания, выводящее излучение из резонатора. Этот тип резонатора выполнен в разных модификациях: плоское глухое зеркало и полупрозрачное зеркало; призма полного внутреннего отражения (глухое) и стопа Столетова; плоское (глухое) зеркало и стопа Столетова с установкой внутри резонатора диафрагмы малого диаметра. Имеются технические решения, в которых внутри такого резонатора устанавливают одну или две одиночные линзы с совмещенными фокальными отрезками и диафрагмой в совмещенной в фокальной плоскости.

Наиболее близким техническим решением является открытый оптический резонатор (см. Р.Кольер, К.Беркхарт, Л.Лин. «Оптическая голография», под ред. Ю.И.Островского. Изд.-во «Мир». - М., 1973 г. с.354), состоящий из глухого сферического зеркала и плоского зеркала, выводящего излучение из резонатора, причем, внутри резонатора, кроме основных элементов - активного элемента (рубин) и модулятора добротности, между глухим зеркалом и торцом рубина, установлен пространственный фильтр (диафрагма). Следует отметить, что равномерность потока излучения на выходе резонатора в этом варианте достигается только в случае использования идеально однородного кристалла рубина, что на практике реализуется весьма редко. По этой же причине в резонаторе используется диафрагма большого диаметра, равная 2 мм.

Плоские элементы резонатора требуют большой параллельности отражающих поверхностей при его юстировке и стабильного положения зеркал во времени. Наличие диафрагмы в резонаторе приводит к обгоранию ее краев от импульса к импульсу. В результате этого пучок излучения представляет собой дифракционную картину. Присутствие внутри резонатора оптических элементов со сферическими поверхностями (две или четыре поверхности) еще в большей мере усложняет центрировку всех элементов и юстировку резонатора в целом. Одиночные линзы также характеризуются большой сферической аберрацией и кривизной светового поля.

Изготовляемые кристаллы рубина характеризуются существенными остаточными натяжениями и неравномерным распределением показателя преломления по всему объему рубинового стержня. Неоднородности собственно рубина приводят к одновременной генерации большого числа поперечных мод (типов колебаний) по сечению кристалла рубина, т.е. в пучке излучения наблюдаются области с резким перепадом потока излучения (см. В.Т.Черных и др. «Голографическая интерферометрия фазовых объектов» под ред. Г.И.Мишина. Изд. «Наука», Ленинград. отделение, 1979 г. 234 с.)

При таком состоянии оптической элементной базы невозможно вести речь о получении одномодового режима генерации. Большие градиенты освещенности по сечению генерируемого пучка существенно искажают полосы, что затрудняет и ограничивает применение импульсных твердотельных лазеров в высокоточных оптических измерениях.

Задача, на решение которой направлена полезная модель, заключается в том, чтобы создать открытый оптический резонатор, посредством которого можно было бы получать пучок излучения с равномерным распределением освещенности по его сечению, и содержащий минимальное число оптических элементов (внешних и внутренних).

Таким образом, предлагаемая полезная модель направлена на создание открытого оптического резонатора, обеспечивающего равномерное распределение потока излучения по сечению пучка, прежде всего импульсных твердотельных лазеров.

Технический результат достигается тем, что в открытом оптическом резонаторе, содержащем, оптически связанные и установленные перпендикулярно оптической оси на фиксированном расстоянии друг от друга, глухое вогнутое сферическое зеркало, модулятор добротности, активный элемент и зеркало, выводящее излучение из резонатора, согласно предлагаемой полезной модели, зеркало, выводящее излучение из резонатора, выполнено в виде плоско-выпуклого оптического элемента, который установлен выпуклой поверхностью со стороны отражающей поверхности глухого вогнутого сферического зеркала, при этом плоско-выпуклый оптический элемент имеет кривизну выпуклой поверхности, определяемой соотношением 1/R_О.Э., где - R_О.Э. - радиус кривизны выпуклой поверхности.

Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором представлена схема предлагаемого открытого оптического резонатора.

Цифрами на чертеже обозначены:

1 - глухое вогнутое сферическое зеркало,

2 - модулятор добротности,

3 - активный элемент,

4 - плоско-выпуклый оптический элемент (зеркало, выводящее излучение из резонатора).

Открытый оптический резонатор содержит, оптически связанные и установленные перпендикулярно оптической оси на фиксированном расстоянии друг от друга, глухое вогнутое сферическое зеркало 1, модулятор добротности 2, активный элемент 3 и зеркало, выводящее излучение из резонатора.

Отличием предлагаемого открытого оптического резонатора является то, что зеркало, выводящее излучение из резонатора, выполнено в виде плоско-выпуклого оптического элемента 4. Плоско-выпуклый оптический элемент 4 установлен выпуклой поверхностью со стороны отражающей поверхности глухого вогнутого сферического зеркала 1. Плоско-выпуклый оптический элемент 4 имеет кривизну выпуклой поверхности, определяемой соотношением 1/R_O.Э., где - R_О.Э. - радиус кривизны выпуклой поверхности оптического элемента (о.э.).

Предлагаемый открытый оптический резонатор создан на основе оптических элементов, имеющих следующие параметры.

Глухое вогнутое сферическое зеркало 1 изготовлено из кварца, его радиус кривизны R_Г.З равен 820 мм, а коэффициент отражения равен 99,98%.

Плоско-выпуклое зеркало 4 также изготовлено из кварца и имеет радиус кривизны R_О.Э. , равный 10 мм, что соответствует кривизне 1/R_О.Э. , равной 0,1. Коэффициент отражения плоско-выпуклого зеркала 4 составляет 49%.

Расстояние между зеркалами 1 и 4 равно 400 мм.

Открытый оптический резонатор действует следующим образом.

Возникающая одновременно генерация большого числа поперечных мод по сечению активного элемента 3 селектируется зеркалом 4, выводящим излучение из резонатора.

Все внеосевые моды, распространяющиеся под углами к оптической оси, выходят из резонатора, что на фигуре изображено лучевыми направлениями. На выходе из резонатора формируется квазипараллельный пучок излучения, характеризующийся равномерным распределением потока излучения.

Причем, чем больше кривизна выпуклой поверхности плоско-выпуклого оптического элемента 4 в осевой области резонатора, тем равномернее будет распределение освещенности по сечению пучка.

Поскольку плоско-выпуклый оптический элемент 4 (зеркало, выводящее излучение из резонатора), имеет внешнюю сторону плоской, то оптический резонатор можно юстировать, как с использованием светового пучка лазера непрерывного действия, так и посредством применения автоколлиматора. Отсутствие внутри оптического резонатора одиночных линз, пространственных фильтров (диафрагм) делает предлагаемый открытый оптический резонатор простым по конструкции и эффективным при эксплуатации.

Последнее доказано экспериментально. Лазер, созданный на основе предлагаемого оптического резонатора, имеет в качестве активного элемента 3 стандартный кристалл рубина и электрооптический затвор. Длительность импульса излучения 30 нс, энергия в импульсе равна 0,4 дж. Лазер использовался в качестве источника света в голографическом интерферометре при излучении обтекания тел в свободном полете. Полученные интерференционные картины обтекания тел в свободном полете, показывают высокий контраст полос, равномерное распределение освещенности по всему полю полос, причем полосы имеют высокую прямолинейность.

Таким образом, применение предлагаемой полезной модели позволит, при использовании в импульсных лазерах на твердом теле, в которых кристалл рубин характеризуется существенными остаточными натяжениями и неравномерным распределением показателя преломления по всему объему рубинового стержня, получать (селектировать) пучок с равномерным распределением потока излучения по сечению светового пучка.

Открытый оптический резонатор, содержащий оптически связанные и установленные перпендикулярно оптической оси на фиксированном расстоянии друг от друга глухое вогнутое сферическое зеркало, модулятор добротности, активный элемент и зеркало, выводящее излучение из резонатора, отличающийся тем, что зеркало, выводящее излучение из резонатора, выполнено в виде плосковыпуклого оптического элемента, который установлен выпуклой поверхностью со стороны отражающей поверхности глухого вогнутого сферического зеркала, при этом плосковыпуклый оптический элемент имеет кривизну выпуклой поверхности, определяемой соотношением 1/R_О.Э., где R_О.Э. - радиус кривизны выпуклой поверхности оптического элемента.