Твердотельный лазер
Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано в лазерах с активными элементами из кристаллических или аморфных твердых веществ, в которых применяется оптическая накачка. Цель изобретения - повышение стабильности излучения, снижение чувствительности к разъюстировке зеркал и расширение функциональных возможностей за счет управления угловым положением излучения. Лазер содержит двухзеркальный плоскопараллельный оптический резонатор, в котором расположен активный элемент, один торец которого плоский, а другой выпуклый сферический с радиусом кривизны, равным R = (d+2s)
(
o-1)/2o, где d и s - соответственно длины накачиваемой зоны активного элемента и его ненакачиваемого концевого участка со стороны выпуклого торца; o - показатель преломления в активном элементе. Активный элемент помещен в узел оптической накачки, обеспечивающий непрерывную либо импульсно-периодическую накачку. Расстояние от зеркал резонатора до торцов активного элемента связаны определенным соотношением с размерами активного элемента и величиной фокусного расстояния термической линзы в нем. При этом зеркало со стороны выпуклого торца оказывается расположенным на малом удалении от активного элемента, что позволяет разместить активный элемент и это зеркало в едином компактном жестком узле. Выбранная конфигурация активного элемента и резонатора обеспечивает малую чувствительность параметров генерации к флуктуациям термической линзы в активном элементе, а также к разъюстировкам зеркала, расположенного со стороны плоского торца. Малая чувствительность к разъюстировкам этого зеркала, превышающим единицы градусов, обеспечивает устойчивость лазера к механическим возмущениям, а также позволяет управлять угловым положением выходного излучения путем поворотов указанного зеркала при использовании его в качестве выходного. 1 з. п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано в лазерах с активными элементами из кристаллических или аморфных твердых веществ, в которых применяется оптическая накачка. Известен твердотельный лазер (1), содержащий активный элемент, помещенный в двухзеркальный оптический резонатор. Торцы активного элемента выполнены плоскими, а геометрические параметры резонатора подчиняются соотношению: 
(1) где g1 и g2 параметры устойчивости резонатора; a и b расстояние от торцов активного элемента до зеркал резонатора. При этом обеспечивается нечувствительность поперечного размера пучка в активном элементе к малым флуктуациям величины, наведенной в активном элементе термической линзы, что позволяет снизить чувствительность величины выходной мощности к указанным флуктуациям. Недостатком известного технического решения является чувствительность положения оси излучения к колебаниям термической линзы и высокая чувствительность мощности излучения к разъюстировкам зеркал резонатора. Известен также твердотельный лазер (2), включающий активный элемент, помещенный в двухзеркальный резонатор, одно зеркало резонатора является плоским, а другое вогнутым сферическим с радиусом кривизны R. Расстояния от активного элемента (от его главных плоскостей) до зеркал равны: до сферического зеркала R, а до плоского 
, где f- фокусное расстояние наведенной в активном элементе термической линзы. Лазер обладает повышенной стабильностью к флуктуациям термической линзы в активном элементе, а также к разъюстировкам плоского зеркала относительно активного элемента. Недостатками лазера являются его большая длина и критичность к разъюстировкам сферического зеркала, поскольку устойчивость резонатора лазера обеспечивается при R > f. Для лазеров на АИГ:Nd, например, величина f обычно составляет 0,3-1,5 м. При этом величина b определяет радиус 
низшей поперечной моды в активном элементе в соответствии с соотношением 2= 2b
/
, где длина волны излучения. Например, для w 0,5 мм, f 0,6 м и l = 1,06 мкм получаем b 0,37 и R 3,15 м, то есть общая длина резонатора превышает 3,5 м. Наиболее близким к предлагаемому изобретению является твердотельный лазер (3), содержащий активный элемент из алюмоиттриевого граната с неодимом и два плоских зеркала, установленные по разные стороны от активного элемента, торцы активного элемента выполнены вогнутыми с радиусом кривизны 2 м. В лазере обеспечивается малая чувствительность параметров излучения к угловому положению активного элемента относительно оптической оси, определяемой зеркалами резонатора. Недостатком этого устройства является его высокая чувствительность к разъюстировкам зеркал резонатора относительно друг друга, что ведет к нестабильности излучения при наличии механических возмущений конструкции. Целью изобретения является повышение стабильности излучения, снижение чувствительности к разъюстировке зеркал и расширение функциональных возможностей за счет управления угловым положением выходного излучения. Цель изобретения достигается тем, что в твердотельном лазере, содержащем установленные на одной оптической оси активный элемент, помещенный в узел оптической накачки, и два плоских зеркала, расположенные по разные стороны от активного элемента перпендикулярно оптической оси, один торец активного элемента выполнен плоским, а другой торец выпуклым сферическим с центром кривизны, расположенным на оптической оси, и радиусом кривизны R, равным 
(2) а зеркало, расположенное со стороны выпуклого торца, установлено на расстоянии с от выпуклого торца, определяемом соотношением: 
(3) где d длина накачиваемой зоны активного элемента вдоль оптической оси;
s и t длины не используемых при оптической накачке концевых участков активного элемента вдоль оптической оси соответственно со стороны выпуклого и плоского торцов;
o показатель преломления материала активного элемента;
l расстояние от плоского торца активного элемента до зеркала, расположенного со стороны этого торца;
f фокусное расстояние осесимметричной термической линзы, наводимой в активном элементе. Требуемая точность соблюдения соотношений (2) и (3) определяется необходимостью поддержания резонатора лазера в центральной части его зоны устойчивости и в каждом конкретном случае легко рассчитывается по известной методике (Magni V. Resonators for solid-state lasers with large-volume bundamental mode and high alignment stability. Applied Optics, 1986, v.25, N 1, p.107-117). Признаками, отличающими предложенный лазер от прототипа, являются форма торцов активного элемента (один торец плоский, а другой выпуклый с заданным радиусом кривизны), а также связь между геометрическими параметрами резонатора (значениями d, s, t и l), выражаемая определенным соотношением. Указанная совокупность отличительных признаков обеспечивает выполнение условий
A2 -1; B2 0; 
(4)
где А1, B1 элементы матрицы преобразования для плеча резонатора со стороны плоского торца, вычисленной от соответствующей главной плоскости активного элемента и имеющий вид:
(5)
A2, B2 элементы матрицы преобразования для плеча резонатора со стороны выпуклого торца, вычисленной от соответствующей главной плоскости активного элемента и имеющей вид (сам выпуклый торец включен в данное плечо и не учитывался при расчете матрицы преобразования самого активного элемента):
(6)
На фиг. 1 изображена схема предлагаемого твердотельного лазера; на фиг. 2 зависимость мощности излучения от угла разъюстировки выходного зеркала предлагаемого лазера при различных длинах резонатора. Примером конкретной реализации устройства является лазер, содержащий размещенные на одной оптической оси 1 активный элемент 2 и два плоских зеркала 3 и 4. Один торец 5 активного элемента 2 плоский, а другой торец 6 выпуклый с радиусом кривизны R, определяемым формулой (2). Лазер также содержит узел 7 оптической накачки активного элемента 2. В качестве выходного зеркала может использоваться либо зеркало 3, либо зеркало 4, либо оба зеркала 3 и 4 одновременно. В последнем случае осуществляется одновременная генерация двух выходных лазерных пучков 8 и 9. Коэффициент отражения зеркала, не являющегося выходным, целесообразно выбирать близким к 100% а коэффициент отражения выходного зеркала оптимальным с точки зрения получения максимальной мощности (энергии) излучения. При использовании зеркала 3 в качестве выходного и размещении его на поворотном основании 10, осуществляющем наклоны зеркала 3 относительно плоскости, перпендикулярной оптической оси 1, обеспечивающей возможность управления угловым положением пучка 8 за счет поворота зеркала 3. Лазер может работать как в непрерывном, так и в импульсно-периодическом режиме. В последнем случае в формуле (3) используется величина термической линзы f в активном элементе 2 в момент генерации очередного импульса излучения. Если активный элемент помимо наведенной термической линзы имеет некую исходную линзовость, то под величиной f следует понимать фокусное расстояние результирующей линзы накачиваемого активного элемента без учета сферического выпуклого торца. Оптическая накачка активного элемента 2 производится, например, дуговыми либо вольфрамовыми лампами накачки, либо светодиодами, лазерными диодами, излучением других лазерных источников и т. д. В примере конкретной реализации предлагаемого устройства активный элемент лазера выполнен из кристалла АИГ:Nd3+ размером 4 х 65 мм. Накачиваемая зона имеет длину 60 мм в центральной части активного элемента, ненакачиваемые концевые участки длину по 2,5 мм с каждой стороны. Один торец активного элемента плоский, другой выпуклый с радиусом кривизны R 
15 мм. Торцы активного элемента просветлены на длину волны 1,06 мкм. Накачка активного элемента 2 осуществляется равномерно по длине его накачиваемой зоны с помощью дуговой лампы накачки типа ДНП-6/60. Активный элемент и лампа накачки помещены в кварцевый моноблочный посеребренный осветитель, а все указанные элементы установлены в корпус квантрона К-301А. В качестве зеркал 3 и 4 резонатора используются диэлектрические зеркала с коэффициентами отражения 99% для зеркал 4 и 86% для зеркала 3. Выходным зеркалом резонатора является зеркало 3. Расстояние от зеркал 3 до плоского торца 5 активного элемента 2 составляет 20-62 см, а соответствующее расстояние с от зеркала 4 до выпуклого торца 6 равно приблизительно 1,8-1,7 см. При этом общая длина резонатора L составляет приблизительно 30-70 см. Охлаждение активного элемента, лампы и осветителя осуществляется дистиллированной водой с общим расходом около 20 л/мин. Как показали проведенные испытания, предлагаемый лазер малочувствителен к разъюстировкам зеркала 3 (см. фиг. 2) и допускает управление угловым положением выходного пучка 8 в пределах больше 2 путем соответствующего поворота зеркала 3.
Формула изобретения
а зеркало, расположенное со стороны выпуклого торца, установлено на расстоянии с от выпуклого торца, определяемом соотношением
где d длина зоны накачки активного элемента вдоль оптической оси;
S и t длины не используемых при оптической накачке концевых участков активного элемента вдоль оптической оси соответственно со стороны выпуклого и плоского торцов;
o показатель преломления материала активного элемента;l расстояние от плоского торца активного элемента до зеркала, расположенного со стороны этого торца;
f фокусное расстояние осесимметричной термической линзы, наводимой в активном элементе. 2. Лазер по п. 1, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет управления угловым положением выходного излучения, выходное зеркало укреплено на поворотном основании.
РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе
Номер и год публикации бюллетеня: 10-2002
Извещение опубликовано: 10.04.2002
