Азимутальне вихідне дзеркало лазерного резонатора

Реферат: Азимутальне вихідне дзеркало лазерного резонатора містить металеві кільця, концентрично розташовані на прозорій плоскій пластині. Крім цього, ширина кілець та (або) відстані між ними послідовно змінюються у напрямку від краю до центра пластини, причому послідовність зміни може бути плавною або плавно дискретною. UA 115126 U (12) UA 115126 U UA 115126 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Запропонована корисна модель належить до лазерної техніки і може знайти використання зокрема в лазерах субміліметрового діапазону. В резонаторах лазерів часто використовуються увігнуті або опуклі дзеркала. Це дозволяє вирішувати різноманітні задачі: зниження дифракційних втрат, отримання потрібних типів коливань, певного просторового розподілення та частотного спектра випромінювання, підвищення ККД, потужності та ін. Найчастіше застосовуються увігнуті дзеркала. Однак виготовити увігнуте або опукле дзеркало з потрібною якістю поверхні набагато складніше ніж плоске дзеркало. Одне з дзеркал резонатора зазвичай виконується частково прозорим і крізь нього виводиться лазерне випромінювання. Як такі вихідні дзеркала можуть використовуватись різноманітні періодичні структури. Періодичні структури в останній час набувають все більшого застосування завдяки широким можливостям варіювання коефіцієнта пропускання та високим якостям вихідного пучка випромінювання. Класичним прикладом таких періодичних структур є металеві решітки та сітки з шириною дротинок та періодом, меншими за довжину хвилі випромінювання. Особливо широке застосування такі структури отримали в субміліметровому (субмм.) діапазоні хвиль (λ=0.1-1 мм), де технологічно не дуже складно зробити товщину дротинок та період набагато меншими за довжину хвилі. Електромагнітна хвиля при взаємодії з періодичною структурою частково проходить крізь неї, а частково відбивається від неї. Проходження та відбиття залежать від геометричних параметрів періодичної структури. Коефіцієнт пропускання такого дзеркала в першу чергу залежить від коефіцієнта заповнення решітки, тобто чим ширші щілини і тонші провідники, тим прозоріше дзеркало. Частково прозорі дзеркала, у вигляді періодичної структури, дуже важко виконати опуклими або увігнутими, тому вони зазвичай виконуються плоскими. Однією з властивостей дзеркал у вигляді періодичних структур є те, що електромагнітна хвиля при взаємодії з періодичною структурою набуває фазового зсуву, величина якого залежить від параметрів періодичної структури. Внаслідок цього при відбитті від періодичної структури фаза хвилі змінюється так, ніби хвиля віддзеркалюється від умовної еквівалентної поверхні, що не співпадає з поверхнею решітки. Відстань між решіткою та еквівалентною відбиваючою поверхнею залежить від параметрів решітки - ширини провідників, та відстаней між ними, тобто від коефіцієнта заповнення решітки. Експериментально фазовий зсув при відбитті від металевої решітки підтверджено в роботі (Каменев Ю.Е., Масалов А.А., Филимонова A.A. HCN-лазер с адаптивным выходным зеркалом / Квантовая Электроника, 2006, Том 36 №9, с. 849-852). В цій роботі комбіноване вихідне дзеркало субмм. лазера складається з металевого дзеркала з отвором та розміщеної на певній відстані від нього металевої решітки. Мінімальна відстань для фазування цих двох дзеркал задається фазовим зсувом 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 такого комбінованого дзеркала є те, що його дуже складно юстирувати і фазувати, а також практично неможливо виконати з кривизною. Відомий розрахунок і застосування як частково прозорих дзеркал періодичних структур у вигляді металевих решіток з паралельних провідників та сіток зі схрещених провідників (Т. Baron, S. Euphrasie, S. Ben Mbarek, P. Vairac, B. Cretin Design of metallic mesh absorbers for high bandwidth electromagnetic waves / Progress In Electromagnetics Research C, Vol. 8, 135-147, 2009). Перевагою таких дзеркал є широкі можливості варіювання їх прозорості шляхом зміни геометричних параметрів періодичної структури. Недоліком є складність виконання кривизни дзеркал. Відомо розрахунок і застосування частково прозорих дзеркал як одноелементних, так і багатоелементних решіток, що складаються з плоских стрічок (В.П. Шестопалов, А.А. Кириленко, С.А. Масалов, Ю.К. Сиренко Резонансное рассеяние волн. Т. 1 Дифракционные решетки / Киев: Наукова думка, 1986). В роботі розглянуто відбиття та пропускання решіток, а також їх фазового зсуву в залежності від ширини стрічок та відстаней між ними. Розглянуто багатоелементні решітки, що складаються з окремих груп, в яких міститься кілька металевих стрічок різних за шириною та відстанями між ними. Ці групи періодично повторюються. Така структура надає решітці певних резонансних якостей. Електромагнітна хвиля набуває різного фазового зсуву на різних стрічках, але завдяки малому (відносно довжини хвилі) періоду повторення груп стрічок, відбиття від решітки відбувається як від плоского дзеркала Перевагою таких решіток є певні властивості частотної фільтрації. 1 UA 115126 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Недоліком є складність виконання кривизни дзеркал. Найбільш близьким за технічною суттю до пропонованої корисної моделі і вибраним як прототип є азимутальне вихідне дзеркало лазерного резонатора (O.V. Gurin, A.V. Degtyarev, M.N. Legenkyi, V.A. Maslov, V.A. Svich, V.S. Senyuta, A.N. Topkov Generation of transverse modes with azimuthal polarization in a terahertz band waveguide laser / Telecommunications and Radio Engineering. 2014, 73 (20): 1819-1830). Як вихідне дзеркало застосована кільцева решітка, що виконана на плоскій круглій пластині з прозорого матеріалу і має вигляд плоских тонких металевих стрічок круглої кільцевої форми. Кільця концентрично розташовані на пластині, їх спільний центр розташований в центрі пластини, а діаметри кілець періодично змінюються. Ширина кілець і відстань між ними не змінюється. Тобто така структура має вигляд мішені. Ширина кілець та відстані між ними менші за довжину хвилі лазерного випромінювання. Таке вихідне дзеркало дозволяє генерувати лазерне випромінювання з азимутальною поляризацією, що має ряд переваг. Зокрема таке випромінювання добре фокусується, що має переваги при передачі та обробці сигналу, а також практичну користь при зварюванні та свердлінні матеріалів. Перевагою вихідного дзеркала у вигляді концентричних кілець є генерація випромінювання з азимутальною поляризацією, що має ряд переваг у практичному застосуванні. Недоліком є складність виконання кривизни дзеркал. В основу корисної моделі поставлено задачу вдосконалити азимутальне вихідне дзеркало лазерного резонатора, яке виконано на плоскій прозорій пластині шляхом надання йому властивостей увігнутого або опуклого дзеркала, в залежності від того, яку каустику резонатора потрібно забезпечити, що дозволить підвищити потужність і ККД лазера. Поставлена задача вирішується тим, що у азимутальному вихідному дзеркалі лазерного резонатора, що містить металеві кільця, концентрично розташовані на прозорій плоскій пластині, відповідно до корисної моделі ширина кілець та (або) відстані між ними послідовно змінюються у напрямку від краю до центра пластини, причому послідовність зміни може бути плавною або плавно дискретною. Завдяки тому, що ширина кілець та (або) відстані між ними послідовно змінюються у напрямку від краю до центра пластини, послідовно змінюється і фазовий зсув, що вносить така періодична структура. Еквівалентна відбиваюча поверхня плоскої періодичної структури набуває властивостей увігнутого або опуклого частково прозорого дзеркала. Набуті властивості увігнутості або опуклості дзеркала залежать від того, як і на скільки змінюється ширина кілець та (або) відстані між ними. Надання вихідному дзеркалу властивостей увігнутого або опуклого дзеркала дозволяє отримувати потрібну каустику резонатора забезпечивши цим поліпшення параметрів лазера. Зокрема, якщо у відкритому резонаторі хоча б одне з дзеркал має властивості трохи увігнутого дзеркала, це зменшує дифракційні втрати випромінювання у порівнянні з лазером, обидва дзеркала, у якому плоскі. Це дозволяє підвищити потужність та ККД лазера. Суть корисної моделі пояснюється кресленнями. На фіг. 1, 2, 4, 5 схематично зображено два приклади виконання азимутального вихідного дзеркала, що найбільш затребувані у практичному застосуванні (з увігнутою формою еквівалентної відбиваючої поверхні). На фіг. 3, 6 зображено еквівалентну відбиваючу поверхню таких дзеркал. На фіг. 1 зображено переріз, а на фіг. 2 - вигляд зверху азимутального дзеркала у варіанті, коли ширина кілець плавно зменшується у напрямку від країв до центру дзеркала, та (або) відстані між кільцями плавно збільшуються у цьому ж напрямку. На фіг. 3 зображено еквівалентну (увігнуту) відбиваючу поверхню такого дзеркала. На фіг. 4 зображено переріз, а на фіг. 5 - вигляд зверху азимутального вихідного дзеркала з плавно дискретною зміною ширина кілець та відстаней між ними. На фіг. 6 зображено еквівалентну відбиваючу поверхню такого дзеркала. Азимутальне вихідне дзеркало лазерного резонатора містить металеві кільця 1 (фіг. 1, 2, 4, 5) концентрично розташовані на прозорій плоскій круглій пластині 2, так, що центри кілець 1 співпадають з центром пластини 2. Ширина кілець 1, та (або) відстані між ними послідовно змінюються у напрямку від краю до центра пластини 2. Ширина кілець 1 та відстані між ними менші за довжину хвилі лазерного випромінювання. Послідовність зміни кілець 1, та (або) відстаней між ними може бути або плавною (фіг. 1, 2), або плавно дискретною (фіг. 4, 5). При плавній зміні (фіг. 1, 2) вдається отримати увігнутість L-еквівалентної відбиваючої поверхні 3 (фіг. 3) (або опуклість при зворотній зміні ширини кілець та відстаней між ними) не більше половини довжини хвилі. Значно більша кривизна еквівалентної відбиваючої поверхні досягається при плавно дискретній зміні кілець 1 та (або) відстаней між ними (фіг. 4, 5). У цьому випадку ширина кілець 1 та (або) відстані між ними плавно змінюються у межах окремих 2 UA 115126 U 5 10 15 20 25 30 35 кільцевих груп, які послідовно повторюються. Ширина таких груп перевищує довжину хвилі випромінювання. Еквівалентна відбиваюча поверхня 3 окремих кільцевих груп, та сумарна еквівалентна відбиваюча поверхня 4 всього дзеркала показана на фіг. 6. Азимутальне вихідне дзеркало лазерного резонатора працює таким чином. Лазерне випромінювання частково проходить крізь дзеркало, а частково відбивається у зворотному напрямку. При взаємодії з кільцями 1 електромагнітна хвиля набуває фазового зсуву. Це еквівалентно тому, що випромінювання відбивається від умовної еквівалентної поверхні 3, що не співпадає з поверхнею кілець 1. Величина фазового зсуву залежить від ширини кілець 1 та відстаней між ними. Якщо ширина кілець 1 та відстані між ними змінюються по поверхні дзеркала, то еквівалентна відбиваюча поверхня може набувати неплоскої форми, в тому числі увігнутої, або опуклої. Завдяки тому, що у азимутальному вихідному дзеркалі лазерного резонатора, що містить концентричні металеві кільця/ розташовані на плоскій прозорій пластині, ширина кілець 1 та (або) відстані між ними послідовно змінюються, еквівалентна відбиваюча поверхня 3 не є плоскою. Це дозволяє виконати на плоскій поверхні пластини 2 дзеркало, що має властивості увігнутого або опуклого дзеркала, в залежності від того, як і у якій послідовності змінюються ширина кілець 1 та відстані між ними. Зокрема надання властивостей увігнутості вихідному дзеркалу дозволяє знизити дифракційні втрати випромінювання у відкритому резонаторі з плоскими дзеркалами. При плавній зміні ширини кілець 1 та (або) відстаней між ними (фіг. 1, 2) вдається виконати увігнутість L-еквівалентної відбиваючої поверхні 3 (фіг. 3) (або опуклість при зворотній зміні ширини кілець 1 та (або) відстаней між ними) не більше половини довжини хвилі. Якщо потрібно забезпечити еквівалентну кривизну, що перевищує половину довжини хвилі, дзеркало виконується з плавно - дискретною зміною кілець 1 та (або) відстаней між ними (фіг. 4, 5). У цьому випадку ширина кілець 1 та (або) відстані між ними плавно змінюються у межах окремих кільцевих груп, які послідовно повторюються. Ширина таких груп перевищує довжину хвилі випромінювання. Еквівалентна відбиваюча поверхня 3 (фіг. 6) у такому випадку набуває пилкоподібну форму. Кривизна L кожної групи кілець не перевищує половини довжини хвилі. Однак, в цьому випадку відбувається ефект, подібний ефекту у лінзах Френеля. Сумарна еквівалентна відбиваюча поверхня 4 набуває кривизни LΣ, що складається з суми кривизни L окремих груп кілець. В такий спосіб вдається одержати кривизну LΣ сумарної еквівалентної відбиваючої поверхні 4, що в багато разів перевищує довжину хвилі лазерного випромінювання. Виконання на плоскій прозорій поверхні опуклих і особливо увігнутих частково прозорих дзеркал з плавною зміною прозорості по їх поверхні дозволяє забезпечити потрібну каустику резонатора, та оптимальний енергетичний розподіл в ньому, а отже підвищити потужність та ККД лазера. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 40 Азимутальне вихідне дзеркало лазерного резонатора, що містить металеві кільця, концентрично розташовані на прозорій плоскій пластині, яке відрізняється тим, що ширина кілець та (або) відстані між ними послідовно змінюються у напрямку від краю до центра пластини, причому послідовність зміни може бути плавною або плавно дискретною. 3 UA 115126 U 4 UA 115126 U Комп’ютерна верстка О. Рябко 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 5