Вивідне дзеркало лазерного резонатора

Реферат: Вивідне дзеркало лазерного резонатора належить до області лазерної техніки субміліметрового діапазону хвиль. Вивідне дзеркало містить непрозорий відбивач з отвором, який забезпечує потрібний перетин вивідного пучка випромінювання, і частково прозору металеву решітку, яка забезпечує потрібну прозорість вивідного дзеркала. Металевий відбивач виконаний у вигляді відбиваючої усередину бічної поверхні зрізаного прямого кругового конуса з кутом розхилу 90°. Така поверхня забезпечує більш якісне юстирування вивідного дзеркала. Розміщення частково прозорої металевої решітки із зовнішнього боку непрозорого відбивача на відстані, яка залежить від параметрів металевої решітки, зменшує втрати випромінювання на ньому. За допомогою запропонованого винаходу досягається підвищення потужності і ККД лазера. UA 111353 C2 (12) UA 111353 C2 UA 111353 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Запропонований винахід належить до лазерної техніки і може знайти використовування в лазерах субміліметрового діапазону. У субміліметровому діапазоні хвиль (=0.1-1 мм) як лінії передачі широкого поширення набули порожнисті діелектричні хвилеводи круглого перерізу з внутрішнім діаметром 20 мм. Як джерела випромінювання в цьому діапазоні часто використовуються газорозрядні субміліметрові лазери. Для досягнення максимального посилення в активній речовині лазера вибирається оптимальне співвідношення між довжиною резонатора і діаметром розрядної трубки (яка водночас виконує функції хвилеводу резонатора). Зазвичай довжина резонатора такого лазера перевищує 1 м, при цьому оптимальний діаметр розрядної трубки може перевищувати 50 мм. Як вивідне (частково прозорого) дзеркала субміліметрових лазерів може використовуватись дротяна решітка або металеве дзеркало з отвором. Якщо як вивідне дзеркало використовується дротяна решітка, то коефіцієнт пропускання такого дзеркала регулюється вибором співвідношення між діаметром і кроком дротинок решітки. Переріз пучка лазерного випромінювання при такому дзеркалі дорівнює діаметру розрядної трубки лазера. Це потребує перетворення лазерного пучка великого перерізу для його узгодження з лінією передачі, що має значно менший внутрішній діаметр. Якщо як вивідне дзеркала в лазері використовується металеве дзеркало з отвором, то коефіцієнт пропускання дзеркала залежить від діаметру вивідного отвору. Переріз лазерного пучка в цьому випадку дорівнює діаметру отвору у вивідному дзеркалі. Оскільки посилення в активній речовині газорозрядних субміліметрових лазерів низьке, отвір у вивідному дзеркалі має діаметр близько 5 мм, що значно менше внутрішнього перерізу лінії передачі. Лазерний пучок малого перерізу при попаданні в лінію передачі більшого перерізу має значні втрати на перетворення його в хвилеводну моду, характерну для даної лінії передачі. Отже, в обох випадках виникає проблема узгодження лазера з лінією передачі. Існує пристрій, який дозволяє вирішити проблему узгодження лазера з лінією передачі (Киселев В.К., Мизрахи С.В. Квазиоптический секционный волноводный переход субмиллиметрового диапазона /Радиофизика и электроника. - Харьков Ин-т радиофизики и электроники НАН Украины. - 2003 - т. 8, № 1. - C. 156-158). Такий хвилеводний перехід утворений декількома секціями зрізаних конічних хвилеводів і служить для з'єднання хвилеводів різного перерізу. Переваги квазіоптичного хвилеводного переходу в тому, що він дозволяє передавати енергію електромагнітного випромінювання між хвилеводами різного перерізу з мінімальними втратами енергії. Недоліком хвилеводного переходу є його порівняно великі габарити. При істотній різниці перерізів лазерного пучка і лінії передачі, довжина хвилеводного переходу може перевищувати довжину лазера. Це створює проблеми при розміщенні лазерної установки. Відомо вивідне дзеркало лазерного резонатора, що дозволяє отримати лазерний пучок 9 необхідного перерізу (Патент України № 78870, МПК H01S 3/08. Вивідне дзеркало лазерного резонатора; 25.04.2007). Це дзеркало утворено плоским металевим відбивачем з отвором та частково прозорим відбивачем у вигляді дротяної решітки. Отвір у металевому відбивачі вибирають відповідно до перерізу хвилеводу лінії передачі, а необхідний загальний коефіцієнт пропускання вивідного дзеркала забезпечують підбором параметрів дротяної решітки. Переваги даного дзеркала в тому, що воно дозволяє отримати лазерний пучок необхідного перерізу, забезпечивши при цьому оптимальний коефіцієнт пропускання вивідного дзеркала. Недоліком даного вивідного дзеркала є те, що його дуже складно юстирувати. Необхідно, щоб відбиваюча поверхня металевого відбивача і еквівалентна відбиваюча поверхня решітки були сфазовані і строго перпендикулярні осі резонатора. При підборі решіток і регулювальних прокладок не вдається забезпечувати сувору паралельність між решіткою і металевим відбивачем, а отже, і якісне юстирування такого дзеркала за допомогою лише одного штатного юстирувального пристрою. У результаті цього збільшуються втрати в резонаторі і, отже, знижуються потужність лазерного випромінювання і ККД лазера. Крім того, розміщення решітки перед відбивачем з отвором (з боку, зверненого всередину резонатора) призводить до додаткових втрат енергії випромінювання в резонаторі. Найбільш близьким за технічною суттю до пропонованого винаходу і вибраним як прототип є вивідне дзеркало лазерного резонатора (CN 200976450(Y)). Вивідне дзеркало складається з непрозорого та частково прозорого дзеркал. Непрозоре дзеркало виконано у вигляді співвісних та з'єднаних між собою більшої і меншої зрізаних 90° конічних поверхонь. В центрі непрозорого дзеркала є отвір, за яким встановлено частково прозоре дзеркало, що повністю перекриває отвір. Частково прозоре дзеркало встановлено таким чином, що є можливість, в разі потреби, змінювати відстань між ним та непрозорим відбивачем, наприклад за допомогою 1 UA 111353 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 регулювальних прокладок. Це дозволяє сфазовувати ці два дзеркала, що актуально у субміліметровому діапазоні. Переваги даного дзеркала в тому, що воно дозволяє отримати лазерний пучок необхідного перерізу, забезпечивши при цьому оптимальний коефіцієнт пропускання вивідного дзеркала. Таке комбіноване дзеркало легко юстирувати за допомогою лише одного штатного юстирувального пристрою завдяки тому, що конічні 90° дзеркальні поверхні майже не потребують юстирування. Недоліком даного дзеркала є те, що на стику конічних дзеркальних поверхонь підвищуються втрати випромінювання, оскільки там спостерігається відхилення від законів геометричної оптики. Це відбувається за рахунок хвилевих властивостей випромінювання, а також не ідеальності реальних стиків граней. В результаті вздовж стику конічних дзеркальних поверхонь присутня зона підвищених втрат, яка має певну ширину, що залежить від довжини хвилі випромінювання і технології виконання дзеркала. Крім того, при нахилі такого дзеркала для випромінювань, що відбиваються від діаметрально протилежних точок дзеркала, утворюється різниця довжини шляхів між протилежними дзеркалами. Отже, при нахилі такого дзеркала резонатор не можливо налаштувати на одну резонансну довжину У субміліметровому діапазоні це призводить до значних втрат випромінювання, оскільки субміліметрові лазери потребують точного налаштування відстані між дзеркалами на резонансну довжину. В основу винаходу поставлено задачу вдосконалити вивідне дзеркало лазерного резонатора шляхом зменшення втрат випромінювання на ньому, та збереження налаштування резонатора на резонансну довжину при нахилі відбивача, що забезпечує підвищення потужності і ККД лазера. Поставлена задача вирішується тим, що у вивідному дзеркалі лазерного резонатора, яке містить непрозорий відбивач з отвором посередині і не менша за розміром цього отвору частково прозора металева решітка, що розташована за відбивачем з можливістю змінювання відстані між металевою решіткою та відбивачем, згідно винаходу, непрозорий відбивач з отвором, виконаний у вигляді відбиваючої усередину бічної поверхні зрізаного прямого кругового конуса з кутом розхилу 90°, спрямованого великою основою всередину резонатора, а малою основою до частково прозорої металевої решітки. Виконання відбивача з отвором у вигляді конічної 90-градусної відбиваючої всередину поверхні майже виключає необхідність його юстирування і в той же час нахил такого відбивача не призводить до порушення налаштування резонатора на резонансну довжину. Така поверхня має властивості відбивати випромінювання у зворотному напрямку майже не залежно від кута нахилу падаючого пучка відносно осі конуса, тобто порушення юстирування такої поверхні не призводить до суттєвої зміни напрямку відбитого пучка. При цьому, шляхи падаючого і відбитого від такого відбивача випромінювання є діаметрально протилежні відносно осі резонатора. Завдяки цьому, навіть при нахилі відбивача відстань, що пройдена випромінюванням за два проходи через резонатор, однакова, незалежно від того, по якому шляху випромінювання розповсюджується. Отже налаштування резонатора на резонансну довжину не порушується при нахилі відбивача. Крім того, на такому відбивачі відсутня зона підвищених втрат (оскільки нема стику конічних поверхонь). Усе це підвищує потужність лазерного випромінювання і ККД лазера. Суть винаходу пояснюється ілюстрацією, на якій схематично зображено вивідне дзеркало лазерного резонатора. Вивідне дзеркало утворено частково прозорим дзеркалом 1 (в субміліметровому діапазоні функції частково прозорого дзеркала зазвичай виконує металева решітка), що встановлено перпендикулярно осі 2 резонатора і відбивачем 3 у вигляді відбиваючої усередину бічної поверхні прямого кругового зрізаного конуса з кутом розхилу 90°, оберненого великою основою всередину резонатора, а малою основою до дзеркала 1, Відстань між металевою решіткою 1 і відбивачем 3 підбирається такою, щоб лазерні випромінювання, відбиті від них всередину резонатора уздовж осі 2, знаходились у фазі. Діаметр малої основи зрізаного конуса вибирається таким, що відповідає внутрішньому діаметру квазіоптичного хвилеводу лінії передачі. Металева решітка 1 повинна цілком перекривати діаметр малої основи конуса. Прозорість металевої решітки 1 підбирається такою, щоб загальний коефіцієнт пропускання вивідного дзеркала лазерного резонатора був оптимальним для цього лазера. Вивідне дзеркало працює таким чином. Промінь, потрапивши з лазерного резонатора на конічний відбивач 3, двічі відбивається від його поверхні і повертається в резонатор. При цьому незначний нахил осі конічного відбивача 3 відносно осі 2 резонатора практично не призводить до зміни фази і напряму відбитого випромінювання, і тому майже не впливає на процес генерації. Це робить конічний відбивач 3 таким, що не потребує юстирування. Випромінювання, 2 UA 111353 C2 5 10 15 20 що потрапило в область отвору відбивача 3, потрапляє на частково прозоре дзеркало 1. При цьому частина випромінювання проходить крізь дзеркало 1 і виходить з лазерного резонатора, а частина випромінювання повертається назад всередину резонатора. Шляхом підбору прозорості металевої решітки 1 здійснюється оптимізація коефіцієнта пропускання такого зіставного вивідного дзеркала. При цьому необхідно, щоб хвилі випромінювань, відбиті в резонатор від конічного відбивача 3 і від металевої решітки 1, були у фазі. Цього домагаються шляхом регулювання відстані між металевою решіткою 1 і відбивачем 3. Зазвичай це здійснюється за допомогою підбору регулювальних прокладок між металевою решіткою 1 і відбивачем 3. При зміні металевої решітки 1 і регулювальних прокладок може порушуватися перпендикулярність металевої решітки 1 відносно осі 2 резонатора, що призводить до пригноблення генерації. За допомогою штатного юстирувального пристрою, на якому встановлено таке вивідне дзеркало, здійснюється корегування перпендикулярності металевої решітки 1 відносно осі 2 резонатора і, отже, відновлюються умови генерації. Також можна використати інший варіант юстирування вивідного дзеркала. Для цього треба встановити на юстирувальному пристрої лише металеву решітку 1, а конічний відбивач 3 розмістити за межами юстирувального пристрою (наприклад закріпити на розрядній трубці). В цьому випадку як юстирування металевої решітки 1, так і підбір відстані між конічним відбивачем 3 і металевої решітки 1, можна здійснювати за допомогою штатного юстирувального пристрою, без використання регулювальних прокладок. Завдяки тому, що у вивідному дзеркалі лазерного резонатора відбивач з отвором виконаний у вигляді конічної 90-градусної відбиваючої всередину поверхні без стиків з підвищеними втратами, яка при нахилі практично не призводить до зміни фази і напряму відбитого випромінювання і, отже не потребує юстирування, вдається підвищити потужність лазерного випромінювання і ККД лазера. 25 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 30 35 Вивідне дзеркало лазерного резонатора, що містить непрозорий відбивач з отвором посередині і не меншу за розміром цього отвору частково прозору металеву решітку, що розташована за відбивачем з можливістю змінювання відстані між частково прозорою металевою решіткою та відбивачем, яка залежить від параметрів частково прозорої металевої решітки, яке відрізняється тим, що непрозорий відбивач з отвором виконаний у вигляді відбиваючої усередину бічної поверхні зрізаного прямого кругового конуса з кутом розхилу 90°, спрямованого великою основою всередину резонатора, а малою основою - до частково прозорої металевої решітки. Комп’ютерна верстка Д. Шеверун Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3