RU2069431C1 - Multichannel coherent optical radiation source - Google Patents
Multichannel coherent optical radiation source Download PDFInfo
- Publication number
- RU2069431C1 RU2069431C1 RU94005898A RU94005898A RU2069431C1 RU 2069431 C1 RU2069431 C1 RU 2069431C1 RU 94005898 A RU94005898 A RU 94005898A RU 94005898 A RU94005898 A RU 94005898A RU 2069431 C1 RU2069431 C1 RU 2069431C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- mirror
- lasers
- axis
- distance
- radius
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Lasers (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к лазерной технике, в частности к многоканальным лазерам с новой формой оптического резонатора, конкретно, цилиндрической. The invention relates to laser technology, in particular to multichannel lasers with a new shape of the optical resonator, in particular, cylindrical.
Известны многоканальные источники оптического излучения [1, 2] представляющие собой набор параллельно расположенных волноводных CO2-лазеров.Multichannel sources of optical radiation are known [1, 2], which are a set of parallel waveguide CO 2 lasers.
Недостатком таких многоканальных источников является большая расходимость излучения и, как следствие, ограничение максимально достигаемой плотности мощности. Причина этого состоит в независимой генерации лазеров, при которой расходимость излучения определяется размером апертуры отдельного лазера. The disadvantage of such multichannel sources is the large divergence of the radiation and, as a consequence, the limitation of the maximum achievable power density. The reason for this is the independent generation of lasers, in which the radiation divergence is determined by the size of the aperture of an individual laser.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является многоканальный источник когерентного оптического излучения [3] выполненный в виде набора периодически расположенных лазеров с дифракционной связью в резонаторе Тальбо. В этом источнике зеркало, осуществляющее связь лазеров, располагается от их выходных апертур на pасстоянии zt= 2a2/λ расстояние Тальбо, a период набора, λ длина волны. Такая система образует резонатор Тальбо, в котором излучение, возвращающееся в лазеры после отражения от зеркала связи, наиболее полно воспроизводит структуру поля периодического набора лазеров. В результате достигается синфазная генерация всех лазеров, при которой расходимость излучения значительно уменьшается, так как определяется размером апертуры всего набора.The closest in technical essence to the proposed device is a multi-channel source of coherent optical radiation [3] made in the form of a set of periodically arranged lasers with diffraction coupling in the Talbot resonator. In this source, the mirror connecting the lasers is located from their output apertures at a distance z t = 2a 2 / λ Talbot distance, a set period, λ wavelength. Such a system forms a Talbot resonator in which the radiation returning to the lasers after reflection from the coupling mirror most fully reproduces the field structure of the periodic set of lasers. As a result, in-phase generation of all lasers is achieved, in which the radiation divergence is significantly reduced, since it is determined by the size of the aperture of the entire set.
Недостатком вышеуказанного источника излучения является следующее:
дифракционные потери в резонаторе Тальбо, вызванные неполным воспроизведением периодического поля набора лазеров из-за их конечного числа;
большие размеры источника, так как расстояние Тальбо zt возрастает по квадратичному закону с периодом набора а и может составлять несколько метров;
снижение плотности мощности излучения вследствие утечки ее в боковые лепестки диаграммы направленности, формируемой набором лазеров;
ограниченная (порядка несколько градусов) величина угла, под которым сходится излучение при фокусировке, что обусловлено конечными размерами апертуры набора.The disadvantage of the above radiation source is the following:
diffraction losses in the Talbot cavity caused by incomplete reproduction of the periodic field of a set of lasers due to their finite number;
large size of the source, since the Talbot distance z t increases quadratically with the set period a and can be several meters;
a decrease in the radiation power density due to leakage into the side lobes of the radiation pattern formed by a set of lasers;
a limited (of the order of several degrees) value of the angle at which the radiation converges upon focusing, which is due to the finite dimensions of the aperture of the set.
Решаемая техническая задача изобретения состоит в устранении указанных недостатков, то есть в разработке компактного устройства, обеспечивающего синфазное излучение кругового набора лазеров и, как следствие этого, получение высокой плотности мощности при минимальных дифракционных потерях в общем резонаторе. The technical problem of the invention to be solved is to eliminate these drawbacks, that is, to develop a compact device that provides in-phase radiation of a circular array of lasers and, as a result, obtains a high power density with minimal diffraction losses in the general resonator.
Эта задача достигается тем, что в многоканальном источнике когерентного оптического излучения, содержащем периодический набор лазеров и зеркало связи, образующие резонатор Тальбо, зеркало связи выполнено полупрозрачным в форме кругового цилиндра, лазеры установлены в плоскости, перпендикулярной оси симметрии зеркала, и ориентированы в радиальном направлении по отношению к этой оси, причем апертуры лазеров расположены на дуге окружности с центром на оси зеркала, а радиус этого зеркала r и расстояние R от апертур лазеров до оси зеркала удовлетворяют соотношению:
где r радиус зеркала связи,
R расстояние от апертур лазеров до оси зеркала,
Φo угол между осями соседних лазеров,
λ длина волны генерации.This task is achieved by the fact that in a multichannel source of coherent optical radiation containing a periodic set of lasers and a communication mirror forming the Talbot resonator, the communication mirror is translucent in the form of a circular cylinder, the lasers are mounted in a plane perpendicular to the symmetry axis of the mirror, and oriented in the radial direction along relative to this axis, the laser apertures being located on an arc of a circle centered on the axis of the mirror, and the radius of this mirror r and the distance R from the laser apertures to the mirror axis satisfy the ratio:
where r is the radius of the communication mirror,
R is the distance from the laser apertures to the mirror axis,
Φ o the angle between the axes of adjacent lasers,
λ generation wavelength.
Достигаемый технический результат настоящего изобретения состоит в следующем:
1. отсутствие потерь, обусловленных дифракцией излучения по угловой координате, так как вследствие угловой периодичности кругового набора в цилиндрическом резонаторе Тальбо осуществляется полное воспроизведение структуры оптического поля лазеров по этой координате;
2. высокая компактность, поскольку с уменьшением радиуса кривизны зеркала связи r сокращается расстояние R от апертур лазеров до оси зеркала;
3. высокая плотность мощности вследствие объемного характера когерентного излучения, формируемого круговым набором лазеров;
4. размер излучающей апертуры по угловой координате составляет 2π..The technical result of the present invention is as follows:
1. the absence of losses due to diffraction of radiation by the angular coordinate, since due to the angular periodicity of the circular dialing in a Talbo cylindrical resonator, the structure of the optical field of the lasers is completely reproduced along this coordinate;
2. high compactness, since with a decrease in the radius of curvature of the communication mirror r, the distance R from the laser apertures to the mirror axis decreases;
3. high power density due to the volume nature of coherent radiation generated by a circular array of lasers;
4. The size of the radiating aperture in the angular coordinate is 2π ..
Изобретение поясняет фигура 1, где схематически изображен предложенный многоканальный источник когерентного оптического излучения, и фигура 2, где приведено изменение расстояние R-r от апертур лазеров до зеркала связи в зависимости от кривизны зеркала связи r-1.The invention is illustrated in figure 1, which schematically shows the proposed multi-channel source of coherent optical radiation, and figure 2, which shows the change in the distance Rr from the laser apertures to the communication mirror depending on the curvature of the communication mirror r -1 .
Устройство содержит периодический набор лазеров 1, расположенных по дуге окружности радиуса R вокруг полупрозрачного зеркала связи 2 в виде кругового цилиндра радиуса r. Окружность лежит в плоскости, перпендикулярной оси симметрии О зеркала связи, ее центр лежит на этой оси. Оптические оси лазеров ориентированы в радиальном направлении по отношению к оси симметрии О; их выходные апертуры 3, обращенные к оси О, прозрачны; на противоположных окнах
глухие зеркала 4.The device contains a periodic set of
Устройство работает следующим образом. Излучение каждого лазера 1 распространяется до зеркала связи 2 и обратно. Вследствие расходимости в процессе дифракции и отражения от выпуклого зеркала связи 2 излучение каждого лазера попадает в апертуры 3 других лазеров набора. Тем самым осуществляется оптическая дифракционная связь между лазерами, благодаря которой происходит фазовая синхронизация лазеров и в наборе возникает коллективная генерация. При выборе радиуса зеркала связи в соответствии с условием воспроизведения периодических полей (подробно см. ниже) круговой набор лазеров 1 с таким зеркалом связи 2 образует цилиндрический резонатор Тальбо. В этом случае для кругового периодического набора лазеров исчезают потери, обусловленные дифракцией излучения по угловой координате, и порог синфазной генерации достигает минимума. The device operates as follows. The radiation from each
При синфазной генерации фазы получения лазеров совпадают и в окрестности оси полупрозрачного зеркала происходит когерентное сложение их полей. В результате значительно повышается плотность мощности излучения, сходящегося к оси системы, по сравнению со случаем независимой генерации лазеров. Угловой размер апертуры многоканального источника с цилиндрическим резонатором Тальбо составляет 2π в плоскости, перпендикулярной его оси. During in-phase generation, the phases for obtaining lasers coincide, and in the vicinity of the axis of the semitransparent mirror, their fields are coherently added. As a result, the power density of radiation converging to the axis of the system is significantly increased, compared with the case of independent laser generation. The angular size of the aperture of a multichannel source with a Talbo cylindrical resonator is 2π in a plane perpendicular to its axis.
Параметры цилиндрического резонатора Тальбо определяются на основе теории дифракции из условия воспроизведения периодической структуры поля набора лазеров. Для реальных систем имеют место следующие условия:
(1)
где r радиус зеркала связи,
R расстояние от апертур лазеров до оси зеркала,
Φo угол между осями соседних лазеров,
λ длина волны генерации,
s характерный размер поперечной моды.The parameters of a Talbot cylindrical resonator are determined on the basis of diffraction theory from the conditions for reproducing the periodic structure of the field of a set of lasers. For real systems, the following conditions apply:
(one)
where r is the radius of the communication mirror,
R is the distance from the laser apertures to the mirror axis,
Φ o the angle between the axes of adjacent lasers,
λ generation wavelength,
s characteristic size of the transverse mode.
Это позволяет для функции источника двумерной задачи дифракции использовать асимптотику, справедливую при :
(2)
Из условия (1) следует, что применимо малоугловое приближение, при котором поле отдельного лазера E(r,Φ′) на зеркале связи согласно формуле Кирхгофа для скалярной задачи дифракции имеет вид:
(3)
Аналогично представляется на окружности R поле, отраженное от зеркала связи:
(4)
Здесь Φ угловая координата для выходного излучения лазеров E(R,Φ) на окружности радиуса R;
Φ′ координата на зеркале связи;
Φ″ координата на окружности R для излучения E(R,Φ″),, падающего обратно на апертуры лазеров;
При поперечной моде лазера f(R,Φn), где Φn= Φ - nΦo,, n его номер в наборе, коэффициент оптической связи n-го и m-го лазеров в цилиндрическом резонаторе в соответствии с (3, 4) определяется выражением:
(5)
Для основной поперечной моды лазера вида
матричный коэффициент связи вычисляется по формуле:
(6)
где волновой параметр цилиндрической системы,
m, n 1, 2, N, N число лазеров в наборе.This allows us to use the asymptotics valid for the source function of the two-dimensional diffraction problem :
(2)
It follows from condition (1) that the small-angle approximation is applicable, in which the field of an individual laser E (r, Φ ′) on the coupling mirror according to the Kirchhoff formula for the scalar diffraction problem has the form:
(3)
Similarly, on the circle R, the field reflected from the coupling mirror is represented:
(4)
Here Φ is the angular coordinate for the output radiation of the lasers E (R, Φ) on a circle of radius R;
Φ ′ coordinate on the communication mirror;
Φ ″ coordinate on the circle R for radiation E (R, Φ ″), incident back on the laser apertures;
In the transverse laser mode f (R, Φ n ), where Φ n = Φ - nΦ o ,, n its number in the set, the optical coupling coefficient of the nth and mth lasers in a cylindrical cavity in accordance with (3, 4) defined by the expression:
(5)
For the main transverse laser mode of the form
matrix coupling coefficient is calculated by the formula:
(6)
Where wave parameter of a cylindrical system,
m,
Установившаяся коллективная генерация лазеров в наборе описывается задачей на собственные значения:
(7)
где матрица оптической связи, элементы которой суть коэффициенты Mmn.The steady-state collective generation of lasers in a set is described by the eigenvalue problem:
(7)
Where optical coupling matrix whose elements are coefficients M mn .
Модуль собственного значения определяет дифракционные потери k-ой коллективной моды генерации. Из решения собственной задачи (7) следует, что потери синфазной моды k=1 минимальны, если система образует цилиндрический резонатор Тальбо, то есть расстояние между выходными апертурами лазеров и зеркалом связи составляет половину расстояния Тальбо для цилиндрической геометрии. Зависимость расстояния Тальбо от кривизны зеркала связи r-1 изображена на фигуре 2 в единицах, отнесенных к величине z = 2(RΦo)2/λ.. Зависимость, представленная на фигуре 2, с удовлетворительной точностью (не хуже 3%) аппроксимируется следующей формулой:
где r радиус зеркала связи,
R расстояние от апертур лазеров до оси зеркала,
Φo угол между осями соседних лазеров,
λ длина волны генерации.Eigenvalue module determines the diffraction loss of the kth collective generation mode. It follows from the solution of the intrinsic problem (7) that the in-phase mode losses k = 1 are minimal if the system forms a Talbo cylindrical resonator, i.e., the distance between the output apertures of the lasers and the coupling mirror is half the Talbot distance for cylindrical geometry. Talbot distance dependence the curvature of the communication mirror r -1 is shown in figure 2 in units related to the value z = 2 (RΦ o ) 2 / λ .. The dependence shown in figure 2, with satisfactory accuracy (not worse than 3%) is approximated by the following formula:
where r is the radius of the communication mirror,
R is the distance from the laser apertures to the mirror axis,
Φ o the angle between the axes of adjacent lasers,
λ generation wavelength.
В двумерной системе потери синфазной моды обращаются в нуль, что свидетельствует о полном воспроизведении периодической структуры поля этой моды по угловой координате в цилиндрическом резонаторе Тальбо. In the two-dimensional system, the in-phase mode losses vanish, which indicates the complete reproduction of the periodic field structure of this mode in the angular coordinate in the cylindrical Talbot resonator.
Пример. Example.
Параметры многоканального источника оптического излучения с цилиндрическим резонатором Тальбо на примере набора полупроводниковых лазеров:
длина волны l = 1,3мкм;
радиус зеркала связи r=2 см;
расстояние Тальбо 2(R-r)=6 cм;
радиус окружности R=5 см;
расстояние между осями соседних лазеров RΦo= 350мкм;
число лазеров в наборе N=103.Parameters of a multi-channel optical radiation source with a Talbo cylindrical resonator using an example of a set of semiconductor lasers:
wavelength l = 1.3 μm;
communication mirror radius r = 2 cm;
Talbot distance 2 (Rr) = 6 cm;
circle radius R = 5 cm;
the distance between the axes of adjacent lasers RΦ o = 350 μm;
the number of lasers in the set N = 10 3 .
Таким образом, предложена схема многоканального источника когерентного оптического излучения, отличающегося от известных аналогичных устройств высокой концентрацией плотности мощности светового поля на оси системы, которая достигается в результате интерференции когерентного излучения, сходящегося от расположенных по окружности лазеров в режиме фазовой синхронизации. Thus, a scheme is proposed for a multichannel source of coherent optical radiation, which differs from known similar devices by a high concentration of the light field power density on the axis of the system, which is achieved as a result of interference of coherent radiation converging from lasers located around the circumference in phase synchronization mode.
Предложенный многоканальный источник может быть использован при создании систем лазерной технологии, в частности для круговой обработки изделия, а также систем лазерного управляемого термоядерного синтеза для объемного сжатия и нагрева мишени. The proposed multichannel source can be used to create laser technology systems, in particular for circular processing of a product, as well as laser controlled thermonuclear fusion systems for bulk compression and heating of a target.
Предложенная схема может быть обобщена на многоканальный когерентный источник со сферическим резонатором Тальбо. The proposed scheme can be generalized to a multichannel coherent source with a Talbo spherical resonator.
Claims (1)
где r радиус зеркала;
R расстояние от апертур лазеров до оси зеркала;
Φo угол между осями соседних лазеров;
λ длина волны генерации.A multichannel optical radiation source containing a set of lasers and a communication mirror forming a Talbot resonator, characterized in that the communication mirror is translucent in the shape of a round cylinder, while the lasers are mounted in a plane perpendicular to the symmetry axis of the mirror and are oriented in the radial direction with respect to this axis, and the laser apertures are located on an arc of a circle centered on the mirror axis, and the radius of the mirror and the distance from the laser apertures to the mirror axis satisfy the following relation:
where r is the radius of the mirror;
R is the distance from the laser apertures to the mirror axis;
Φ o the angle between the axes of adjacent lasers;
λ generation wavelength.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU94005898A RU2069431C1 (en) | 1994-02-21 | 1994-02-21 | Multichannel coherent optical radiation source |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU94005898A RU2069431C1 (en) | 1994-02-21 | 1994-02-21 | Multichannel coherent optical radiation source |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU94005898A RU94005898A (en) | 1995-11-10 |
RU2069431C1 true RU2069431C1 (en) | 1996-11-20 |
Family
ID=20152699
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU94005898A RU2069431C1 (en) | 1994-02-21 | 1994-02-21 | Multichannel coherent optical radiation source |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2069431C1 (en) |
-
1994
- 1994-02-21 RU RU94005898A patent/RU2069431C1/en active
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
1. Бабанов И.В., Глова А.Ф., Лебедев Е.Е. Характеристики излучения многоканального CO 2 -лазера, МКЛ-10. Квантовая электроника, 1993, т.20, N N 3, с. 216. 2. Качурин О.Р., Лебедев Ф.В., Напартович А.П. Свойства излучения набора CO 2 -лазеров в режиме разовой синхронизации. - Квантовая электроника, 1988, т. 15, N 9, с. 1808. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US5245619A (en) | Generation of low-divergence laser beams | |
Leger et al. | Coherent laser addition using binary phase gratings | |
Kogelnik et al. | Laser beams and resonators | |
US4074361A (en) | Parallel data processing system | |
US20020181035A1 (en) | Method and system for combining multiple low power laser sources to achieve high efficiency, high power outputs using transmission holographic methodologies | |
JPS5921528B2 (en) | optical system | |
EP1212648A2 (en) | Splicing asymmetric reflective array for combining high power laser beams | |
Ramsay et al. | A ray analysis of optical resonators formed by two spherical mirrors | |
EP0176812B1 (en) | Optical device | |
De Santis et al. | Synthesis of partially coherent fields | |
US4953175A (en) | Unstable laser resonator with output coupler having radially variable reflectivity | |
Liu | Lau cavity and phase locking of laser arrays | |
Tsuei et al. | Multiple scattering by two parallel dielectric cylinders | |
RU2069431C1 (en) | Multichannel coherent optical radiation source | |
Frieden | The extrapolating pupil, image synthesis, and some thought applications | |
CN116224606A (en) | Space-time combined regulation and control device and method for super-strong ultrashort laser | |
CN111024642B (en) | Terahertz wave beam splitting system | |
Gallagher et al. | Computer-generated microwave kinoforms | |
Chodzko | Multiple-selected-line unstable resonator | |
JPH0216502A (en) | Fresnel lens type composite reflecting device | |
US5353155A (en) | Methods and apparatus for combining arrays of light beams | |
EP4202560A1 (en) | Method for producing volume reflection holograms with substrate-guided reconstruction beams and/or substrate-guided diffracted beams in a single-beam set-up | |
CN116154599B (en) | Compact spectrum synthesizer | |
SU679057A1 (en) | Laser | |
Golubentsev et al. | Use of a spatial filter for phase locking of a laser array |