RU2713561C1

RU2713561C1 - Disk laser unstable resonator for providing output laser signal with beam quality close to diffraction

Info

Publication number: RU2713561C1
Application number: RU2019116455A
Authority: RU
Inventors: Михаил Романович Волков; Иван Игоревич Кузнецов; Иван Борисович Мухин; Олег Валентинович Палашов
Priority date: 2019-05-28
Filing date: 2019-05-28
Publication date: 2020-02-05

Abstract

FIELD: laser engineering.SUBSTANCE: annular disc-shaped laser unstable resonator consists of an imaging system formed by an amplifying unit and a telescope for increasing the diameter of the laser beam, which is located between the amplifier unit and the feedback mirror telescope, as well as nonreciprocal optical element and rotary mirrors. At the same time amplifying unit, in its turn, consists of additional telescope for image transfer, two reflecting mirrors with concave spherical mirror surface and or two additional rotary mirrors in combination with one disk active element, or one additional rotary mirror in combination with two disk active elements.EFFECT: technical result consists in providing output laser signal with close to diffraction beam quality and average power of several kilowatts and more.1 cl, 6 dwg

Description

Дисковый лазерный неустойчивый резонатор для обеспечения выходного лазерного сигнала с близким к дифракционному качеством пучкаDisc laser unstable resonator to provide an output laser signal with a beam close to diffraction quality

Основной особенностью лазерных резонаторов с дисковыми активными элементами, работающими в режиме непрерывной генерации излучения, является очень малая величина усиления при прохождении излучения через активный элемент. Это, в первую очередь, связано с тем, что для работы в режиме непрерывной накачки толщина диска составляет 0,1-0,3 мм. А величина усиления в активном элементе экспоненциально зависит от его длины. Дополнительно, при такой толщине дискового активного элемента значительно возрастает влияние эффекта усиленного спонтанного излучения (УСИ) при увеличении диаметра излучения накачки - основном способе масштабирования дисковых лазеров. Соответственно, величина усиления за проход через активный элемент ограничена 5-10%. Другой особенностью дисковых активных элементов является его работа по принципу «активного зеркала», который состоит в том, что активный элемент представляет собой кристаллический диск, с нанесенными с противоположных торцевых сторон просветляющим на длинах волн излучения накачки и генерации (940 и 1030 нм соответственно) и высокоотражающим (99,8%) на длинах волн накачки и генерации покрытиями. Для обеспечения теплоотвода от активной среды кристаллический диск стороной с нанесенным высокоотражающим покрытием присоединяется к охлаждающему диск основанию. Описанные выше специфики оказывают сильное влияние на конструкцию лазерного резонатора, особенно при необходимости генерации излучения с близким к диффракционному качеством пучка.The main feature of laser resonators with disk active elements operating in the mode of continuous radiation generation is a very small gain when radiation passes through the active element. This is, first of all, due to the fact that the disk thickness is 0.1-0.3 mm for operation in continuous pumping mode. And the magnitude of the gain in the active element exponentially depends on its length. Additionally, with such a thickness of the disk active element, the effect of the amplified spontaneous emission (ASE) effect increases significantly with an increase in the diameter of the pump radiation — the main scaling method for disk lasers. Accordingly, the gain per passage through the active element is limited to 5-10%. Another feature of disk active elements is its work according to the “active mirror” principle, which consists in the fact that the active element is a crystalline disk with antireflecting deposited on the opposite ends at the wavelengths of the pump and generation radiation (940 and 1030 nm, respectively) and highly reflective (99.8%) at the pump and generation wavelengths of the coatings. To ensure heat dissipation from the active medium, the crystalline disk is attached with a highly reflective coating on the side to the cooling disk base. The specific features described above strongly influence the design of the laser resonator, especially if it is necessary to generate radiation with a beam close to the diffraction quality.

Схема устойчивого лазерного резонатора в сочетании с дисковым активным элементом позволяет генерировать излучение в многомодовом режиме, а при приближении к границе устойчивости - и в режиме генерации основной моды излучения. Принципиальное устройство устойчивых дисковых лазерных генераторов и усилителей предложено в европейском патенте ЕР №0632551 еще в 1994 году. Патенты ЕР №0632551, US №6987789, US №9490604 и заявка ЕР №2475054 посвящены возможностям увеличения средней мощности дискового лазера путем использования нескольких активных элементов в устойчивом лазерном резонаторе.The scheme of a stable laser resonator in combination with a disk active element allows one to generate radiation in the multimode mode, and when approaching the stability boundary, also in the mode of generation of the fundamental radiation mode. The basic design of stable disk laser generators and amplifiers was proposed in European patent EP No. 0632551 back in 1994. Patents EP No. 0632551, US No. 6987789, US No. 9490604 and application EP No. 2475054 are devoted to the possibilities of increasing the average power of a disk laser by using several active elements in a stable laser resonator.

Данные патенты отличаются, в основном, способами накачки активных элементов, а также их компоновкой в лазерном резонаторе. Таким путем удается достичь средней мощности в десятки киловатт. Однако при генерации излучения основной моды устойчивого резонатора увеличение числа активных элементов приводит к значительному усложнению юстировки лазерного резонатора. Такие лазеры в режиме генерации основной моды излучения хорошо работают при субкиловаттной мощности лазерного излучения. Однако дальнейшее увеличение мощности излучения можно осуществить только за счет увеличения диаметра пятна накачки, что, в свою очередь, приводит к существенному увеличению длины устойчивого лазерного резонатора. Одновременно, такое масштабирование мощности ведет к усилению эффекта УСИ (усиленное спонтанное излучение) и уменьшению усиления в дисковом активном элементе. Так, длина устойчивого лазерного резонатора для дискового лазера с мощностью 10 кВт и дифракционным качеством лазерного пучка может составлять более 100 м. Учитывая, что резонатор работает на границе устойчивости, а усиление составляет несколько процентов, его юстировка и стабильная работа практически невозможны. Здесь необходимо отметить, что преобразование диаметра пучка внутри устойчивого резонатора с помощью телескопических схем не увеличивает стабильность работы.These patents differ mainly in the methods of pumping the active elements, as well as their arrangement in the laser cavity. In this way, it is possible to achieve an average power of tens of kilowatts. However, when generating radiation from the fundamental mode of a stable cavity, an increase in the number of active elements leads to a significant complication of alignment of the laser cavity. Such lasers in the regime of generation of the fundamental radiation mode work well at sub-kilowatt laser power. However, a further increase in the radiation power can be achieved only by increasing the diameter of the pump spot, which, in turn, leads to a significant increase in the length of the stable laser resonator. At the same time, such a scaling of power leads to an increase in the ASE effect (amplified spontaneous emission) and a decrease in the gain in the disk active element. Thus, the length of a stable laser resonator for a disk laser with a power of 10 kW and diffraction quality of the laser beam can be more than 100 m. Given that the resonator operates at the stability boundary and the gain is several percent, its alignment and stable operation are almost impossible. It should be noted here that the conversion of the beam diameter inside a stable resonator using telescopic circuits does not increase the stability of operation.

При генерации излучения с использованием широкоаппертурных активных элементов часто применяют неустойчивую схему лазерного резонатора. Конструкционно она отличается от устойчивой тем, что в неустойчивой схеме распространение излучения задается геометрической расходимостью излучения, а не дифракционной. Эта особенность позволяет создавать резонаторы, работающие далеко от границы устойчивости и с компактными габаритами. При этом качество лазерного пучка может быть близким к дифракционному. Однако основным недостатком неустойчивой схемы резонатора в применении к дисковым лазерам является требование большого коэффициента увеличения (в десятки и сотни процентов) неустойчивого резонатора для обеспечения выходного лазерного сигнала с близким к дифракционному качеством пучка. Следовательно, для сохранения баланса энергии внутри резонатора, требуется большая величина усиления сигнала за проход резонатора, равная 2-й степени от коэффициента увеличения. Здесь и далее под усилением сигнала за проход резонатора понимается изменение мощности лазерного пучка внутри резонатора начиная от точки вывода излучения и заканчивая ей, включая все потери и усиление в активных элементах. Однако в тонкодисковых активных элементах максимальное усиление составляет 1,05-1,1 раза из-за эффекта УСИ. Поэтому в неустойчивом резонаторе необходимо использовать большое количество дисковых лазерных квантронов для обеспечения большого коэффициента увеличения и, следовательно, большой величины усиления сигнала за проход резонатора. Кроме того, для дальнейшего масштабирования такого лазера требуется увеличение диаметра пятна накачки в каждом из квантронов, что, в свою очередь, приведет к дополнительному увеличению эффекта УСИ и, соответственно, дополнительному увеличению числа квантронов в неустойчивой схеме резонатора.When generating radiation using wide-aperture active elements, an unstable laser resonator circuit is often used. Structurally, it differs from the stable one in that in an unstable scheme, the propagation of radiation is determined by the geometric divergence of the radiation, and not by the diffraction one. This feature allows you to create resonators that work far from the stability boundary and with compact dimensions. In this case, the quality of the laser beam can be close to diffraction. However, the main disadvantage of the unstable resonator design as applied to disk lasers is the requirement of a large magnification factor (tens and hundreds percent) of the unstable resonator to provide an output laser signal with a beam close to the diffraction quality. Therefore, to maintain the energy balance inside the resonator, a large amount of signal amplification per cavity pass is required, equal to the 2nd degree of the magnification factor. Hereinafter, the signal amplification for the passage of the resonator is understood as the change in the power of the laser beam inside the resonator starting from the point of radiation output and ending with it, including all losses and gain in the active elements. However, in thin-disc active elements, the maximum gain is 1.05-1.1 times due to the ASE effect. Therefore, in an unstable resonator, it is necessary to use a large number of disk laser quantrons to provide a large magnification factor and, therefore, a large signal gain per cavity passage. In addition, further scaling of such a laser requires an increase in the diameter of the pump spot in each of the quantrons, which, in turn, will lead to an additional increase in the ASE effect and, accordingly, an additional increase in the number of quantrons in an unstable resonator circuit.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является дисковый лазер, обладающий неустойчивой схемой лазерного резонатора и качеством лазерного пучка, близким к дифракционному, известный из патента US №7978746 Unstable laser disk resonator. Схема неустойчивого резонатора данного ближайшего аналога состоит из набора сферических зеркал в сочетании с дисковыми активными элементами, а также отражающих зеркал и зеркала обратной связи. Сферические зеркала и изменение фазового профиля в дисковых активных элементах организованы таким образом, чтобы переносить изображение излучения с одного дискового элемента на другой последовательно по ходу луча. Излучение из резонатора выходит через зеркало обратной связи. Такая конструкция неустойчивого резонатора позволяет обеспечивать одинаковый диаметр лазерного пучка на активном элементе, при этом одна из двух мод неустойчивого резонатора быстро затухает. Диаметр пучка накачки на дисковых активных элементах в неустойчивом резонаторе может быть произвольным. Но основным недостатком любой неустойчивой схемы является требование большой величины усиления сигнала за проход резонатора (в десятки и стони процентов) в то время как в тонкодисковых активных элементах, используемых в устройстве, предложенном в патенте US 7978746, максимальное усиление составляет 1,05-1,1 раза из-за эффекта УСИ. Поэтому в данном ближайшем аналоге для существенного увеличения усиления за обход резонатора схема неустойчивого резонатора подразумевает использование 10 дисковых лазерных квантронов. Это чрезвычайно усложняет конструкцию как неустойчивого лазерного резонатора, так и всей лазерной установки. Кроме того, для дальнейшего масштабирования такого лазера требуется увеличение диаметра пятна накачки в каждом из квантронов, что, в свою очередь, приведет к дополнительному увеличению эффекта УСИ, дополнительному уменьшению усиления и, соответственно, дополнительному увеличению числа квантронов в неустойчивой схеме резонатора. Другим недостатком данного ближайшего аналога является трудность его применения для мультикиловаттного диапазона средней мощности. Такую мощность излучения возможно извлечь всего из одного дискового квантрона, а согласно описанию ближайшего аналога для достижения близкого к дифракционному качества пучка потребуется установить до 10 квантронов, понизив мощность каждого в 10 раз, что совершенно неприемлемо с точки зрения стоимости и сложности конструкции.The closest in technical essence to the proposed invention is a disk laser having an unstable laser resonator circuit and a laser beam quality close to diffraction, known from US patent No. 7978746 Unstable laser disk resonator. The unstable resonator circuit of this closest analogue consists of a set of spherical mirrors in combination with disk active elements, as well as reflecting mirrors and feedback mirrors. Spherical mirrors and a change in the phase profile in disk active elements are organized in such a way as to transfer the radiation image from one disk element to another sequentially along the beam. The radiation from the resonator leaves through the feedback mirror. This design of an unstable resonator makes it possible to ensure the same diameter of the laser beam on the active element, while one of the two modes of the unstable resonator decays rapidly. The diameter of the pump beam on disk active elements in an unstable cavity can be arbitrary. But the main drawback of any unstable circuit is the requirement of a large amount of signal amplification per cavity passage (in tens and stony percent) while in thin-disc active elements used in the device proposed in US patent 7978746, the maximum gain is 1.05-1. 1 time due to the effect of WSI. Therefore, in this closest analogue, to significantly increase the gain bypassing the resonator, the unstable resonator scheme implies the use of 10 disk laser quantrons. This extremely complicates the design of both an unstable laser resonator and the entire laser setup. In addition, further scaling of such a laser requires an increase in the diameter of the pump spot in each of the quantrons, which, in turn, will lead to an additional increase in the ASE effect, an additional decrease in the gain, and, accordingly, an additional increase in the number of quantrons in an unstable resonator circuit. Another disadvantage of this closest analogue is the difficulty of its application for the multikilowatt range of average power. It is possible to extract such radiation power from just one disk quantron, and according to the description of the closest analogue, to achieve a beam close to diffraction quality, it will be necessary to install up to 10 quantrons, lowering each power by 10 times, which is completely unacceptable from the point of view of cost and design complexity.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является разработка дискового неустойчивого лазерного резонатора для обеспечения выходного лазерного сигнала с близким к дифракционному качеством пучка и средней мощностью в несколько киловатт и более, использующего минимальное количество дисковых активных элементов.The problem to which the invention is directed is the development of a disk unstable laser resonator to provide an output laser signal with a beam close to the diffraction quality and an average power of several kilowatts or more, using the minimum number of disk active elements.

Технический результат достигается тем, что дисковый лазерный неустойчивый резонатор для обеспечения выходного лазерного сигнала с близким к дифракционному качеством пучка, содержит оптический резонатор, имеющий оптическую ось, зеркало обратной связи, по крайней мере один дисковый активный элемент, расположенный последовательно вдоль оптической оси вместе с по крайней мере двумя отражающими зеркалами, каждое из которых имеет вогнутую сферическую зеркальную поверхность, систему формирования изображения между зеркалом обратной связи и по крайней мере одним дисковым активным элементом.The technical result is achieved by the fact that the disk laser unstable resonator for providing an output laser signal with a beam close to diffraction quality contains an optical resonator having an optical axis, a feedback mirror, at least one disk active element located in series along the optical axis along with at least two reflective mirrors, each of which has a concave spherical mirror surface, an imaging system between the feedback mirror and at least one disk active element.

Новым является то, что дисковый лазерный неустойчивый резонатор является кольцевым и содержит поворотные зеркала и невзаимный оптический элемент, система формирования изображения образована телескопом для увеличения диаметра пучка и усилительным узлом, включающим телескоп для переноса изображения, два отражающих зеркала с вогнутой сферической зеркальной поверхностью и либо два дополнительных поворотных зеркала в сочетании с одним дисковым активным элементом либо одно дополнительное поворотное зеркало в сочетании с двумя дисковыми активными элементами и обеспечивающим возможность многократного прохода оптического излучения через каждый дисковый активный элемент.What is new is that the disk laser unstable resonator is circular and contains rotary mirrors and a nonreciprocal optical element, the imaging system is formed by a telescope to increase the beam diameter and an amplification unit including a telescope for image transfer, two reflecting mirrors with a concave spherical mirror surface and either two additional rotary mirrors in combination with one disk active element or one additional rotary mirror in combination with two disk active elements and provides the possibility of multiple passes of radiation through the optical disc each active element.

Изобретение поясняется следующими чертежами.The invention is illustrated by the following drawings.

На фиг. 1 приведена принципиальная схема дискового лазерного неустойчивого резонатора: 1 - усилительный узел, 2 - телескоп для увеличения диаметра пучка, 3 - выходное зеркало с профилированным пропусканием, 4 - невзаимный оптический элемент, 5 - поворотные зеркала.In FIG. 1 is a schematic diagram of a disk laser unstable resonator: 1 — an amplifying unit, 2 — a telescope for increasing the beam diameter, 3 — an output mirror with profiled transmission, 4 — a nonreciprocal optical element, 5 — rotary mirrors.

На фиг. 2 приведена схема организации усилительного узла 1 с одним дисковым активным элементом 6, которая реализована как многопроходная телескопическая система переноса изображения на основе сферических отражающих зеркал 8 с дисковым активным элементом 6 и дополнительными поворотными зеркалами 9 и 10; 7 - телескоп для переноса изображения.In FIG. 2 shows a diagram of the organization of an amplifier unit 1 with one disk active element 6, which is implemented as a multi-pass telescopic image transfer system based on spherical reflective mirrors 8 with a disk active element 6 and additional rotary mirrors 9 and 10; 7 - telescope for image transfer.

На фиг. 3 приведена схема организации усилительного узла 1 с двумя дисковыми активными элементами.In FIG. 3 shows a diagram of the organization of the amplifier node 1 with two disk active elements.

На фиг. 4 приведена зависимость усиления в усилительном узле с одним дисковым активным элементом от количества проходов излучения через дисковый активный элемент.In FIG. Figure 4 shows the dependence of the gain in the amplification unit with one disk active element on the number of radiation passes through the disk active element.

На фиг. 5 приведено поперечное распределение выходного пучка в перетяжке (а) и каустика выходного пучка (б).In FIG. Figure 5 shows the transverse distribution of the output beam in the constriction (a) and the caustic of the output beam (b).

На фиг. 6 приведены экспериментально измеренные характеристики усиления лазерного излучения в зависимости от плотности мощности накачки [кВт/см²] в тонкодисковом Yb:YAG активном элементе (квадраты) и в композитном дисковом Yb:YAG/YAG активном элементе (кружки).In FIG. Figure 6 shows the experimentally measured characteristics of the amplification of laser radiation depending on the pump power density [kW / cm ² ] in a thin disk Yb: YAG active element (squares) and in a composite disk Yb: YAG / YAG active element (circles).

Предлагаемое устройство (см. фиг. 1) представляет собой кольцевой резонатор и в общем случае состоит из системы формирования изображения, образованной усилительным узлом 1 и телескопом 2 для увеличения диаметра пучка лазерного излучения, расположенного между усилительным узлом 1 и телескопом 2 зеркала обратной связи 3, а также невзаимного оптического элемента 4 и поворотных зеркал 5.The proposed device (see Fig. 1) is a ring resonator and in the General case consists of an imaging system formed by the amplification unit 1 and the telescope 2 to increase the diameter of the laser beam located between the amplification unit 1 and the telescope 2 feedback mirrors 3, as well as nonreciprocal optical element 4 and rotary mirrors 5.

Устройство осуществляет свою работу следующим образом.The device carries out its work as follows.

Генерируемое излучение усиливается в усилительном узле 1, увеличивается в диаметре в телескопе 2 для увеличения диаметра пучка лазерного излучения (который определяет коэффициент увеличения неустойчивого резонатора) и направляется на зеркало обратной связи 3, имеющее профилированное пропускание. Для подавления обратной моды в резонатор установлен невзаимный оптический элемент 4 (вращатель Фарадея в сочетании с поляризатором). В результате генерируемое излучение распространяется в одну сторону вдоль замкнутой кривой, задаваемой поворотными зеркалами 5.The generated radiation is amplified in the amplification unit 1, increases in diameter in the telescope 2 to increase the diameter of the laser beam (which determines the magnification factor of the unstable resonator) and is sent to feedback mirror 3, which has a profiled transmission. To suppress the inverse mode, a nonreciprocal optical element 4 is installed in the resonator (a Faraday rotator in combination with a polarizer). As a result, the generated radiation propagates in one direction along a closed curve defined by rotary mirrors 5.

Усилительный узел 1, в свою очередь, состоит из дополнительного телескопа 7 для переноса изображения, двух отражающих зеркал 8 с вогнутой сферической зеркальной поверхностью и либо двух дополнительных поворотных зеркал 9 и 10 в сочетании с одним дисковым активным элементом 6 (см. фиг. 2) либо одного дополнительного поворотного зеркала 9 в сочетании с двумя дисковыми активными элементами 6 и 11 (см. фиг. 3). Усилительный узел 1 обеспечивает возможность многократного прохода оптического излучения через каждый дисковый активный элемент. Возможность организации такой многопроходной схемы усиления известна из уровня техники [см., например патент RU 2607839 или заявку US 2012/0212804].The amplification unit 1, in turn, consists of an additional telescope 7 for image transfer, two reflecting mirrors 8 with a concave spherical mirror surface and either two additional rotary mirrors 9 and 10 in combination with one disk active element 6 (see Fig. 2) or one additional rotary mirror 9 in combination with two disk active elements 6 and 11 (see Fig. 3). The amplification unit 1 provides the possibility of multiple passage of optical radiation through each disk active element. The possibility of organizing such a multi-pass amplification scheme is known from the prior art [see, for example, patent RU 2607839 or application US 2012/0212804].

В первом альтернативном случае по независимому п. 1 формулы изобретения дополнительный телескоп 7 и дополнительное поворотное зеркало 9 осуществляют перенос изображения с зеркала обратной связи 3 на дисковый активный элемент 6, а благодаря многократному отражению излучения от сферических отражающих зеркал 8, дискового активного элемента 6 и дополнительного поворотного зеркала 10 обеспечивается многократное прохождение излучения через дисковый активный элемент 6. Для этого дисковый активный элемент 6 и дополнительное поворотное зеркало 10 установлены в фокусах сферических зеркал 8, а расстояние между сферическими зеркалами 8 равно двойному фокусному расстоянию. Регулировка углов поворота (в горизонтальной плоскости) дополнительных поворотных зеркал 9 и 10 позволяет легко регулировать количество проходов излучения через дисковый активный элемент 6 от двух раз до нескольких десятков. Такой подход позволяет достигать усиления за обход резонатора в десятки раз. Например, на Фиг. 4 представлены экспериментальные результаты усиления сигнала в многопроходной схеме усиления с дисковым активным элементом в зависимости от количества проходов. Видно, что усиление действительно может составлять до 3 раз, чего более чем достаточно для работы неустойчивого резонатора. В отличие от обычной схемы неустойчивого резонатора, применяемой в прототипе, в кольцевом резонаторе излучение распространяется только в одном направлении и, как результат, имеет одинаковый диаметр лазерного излучения при каждом проходе через дисковый активный элемент. При усилении в 1,05 раза в одном дисковом активном элементе 6 и десяти обходах излучения в многопроходной схеме усиления возможно обеспечить суммарный коэффициент усиления в 1.63 раза, а соответственно коэффициент увеличения резонатора в ~1.3 раза, что достаточно для обеспечения качества лазерного пучка М²<2 (М²=1 соответствует идеальному гауссову пучку). На Фиг. 5 изображено экспериментальное распределение фокусировки излучения, сгенерированного в предлагаемой схеме резонатора с описанными выше параметрами. Видно, что излучение хорошо фокусируется и, согласно расчетам, качество М²=2.1. Незначительное ухудшение качества пучка по сравнению с ожидаемым связано с наличием небольших фазовых искажений в используемом в эксперименте дисковом активном элементе.In the first alternative case, according to the independent claim 1 of the claims, an additional telescope 7 and an additional rotary mirror 9 transfer the image from the feedback mirror 3 to the disk active element 6, and due to the multiple reflection of radiation from spherical reflecting mirrors 8, disk active element 6 and additional rotary mirror 10 provides multiple passage of radiation through the disk active element 6. For this, the disk active element 6 and an additional rotary mirror 10 mounted in the foci of the spherical mirrors 8, and the distance between the spherical mirrors 8 is equal to the double focal length. Adjusting the rotation angles (in the horizontal plane) of the additional rotary mirrors 9 and 10 makes it easy to adjust the number of radiation passes through the disk active element 6 from two times to several tens. Such an approach allows one to achieve amplification per round-trip of the resonator by a factor of ten. For example, in FIG. Figure 4 shows the experimental results of signal amplification in a multi-pass amplification circuit with a disk active element depending on the number of passes. It is seen that the gain can indeed be up to 3 times, which is more than enough for the operation of an unstable resonator. Unlike the conventional unstable resonator circuit used in the prototype, radiation in a ring resonator propagates in only one direction and, as a result, has the same laser radiation diameter at each passage through the disk active element. With a gain of 1.05 times in one disk active element 6 and ten rounds of radiation in a multi-pass amplification scheme, it is possible to provide a total gain of 1.63 times, and accordingly a cavity gain of ~ 1.3 times, which is sufficient to ensure the quality of the laser beam M ² < 2 (M ² = 1 corresponds to an ideal Gaussian beam). In FIG. 5 shows the experimental distribution of focusing of the radiation generated in the proposed resonator circuit with the parameters described above. It can be seen that the radiation is well focused and, according to calculations, the quality of M ² = 2.1. A slight deterioration of the beam quality compared to the expected one is associated with the presence of small phase distortions in the disk active element used in the experiment.

Необходимо отметить, что конструкционно места расположения дискового активного элемента 6 и дополнительного поворотного зеркала 10 взаимны. То есть эти элементы могут быть поменяны местами. Более того, в разработанной схеме резонатора вместо дополнительного зеркала 10 может быть установлен дополнительный дисковый активный элемент 11, что и реализовано во втором альтернативном случае согласно независимому пункту формулы (см. фиг. 3). В данном альтернативном случае реализации изобретения по п. 1 формулы также достигается близкое к дифракционному качество пучка выходного лазерного излучения, но за счет использования дополнительного дискового активного элемента 11 появляется возможность увеличить среднюю мощность излучения до 10-20 кВт. Необходимо отметить, что при таком добавлении дискового активного элемента 11, в отличие от прототипа, нет необходимости вносить изменения в организацию лазерного резонатора (менять положение и характеристики зеркал, оптическую ось резонатора; добавлять оптические элементы), Для большего количества дисковых активных элементов такие изменения потребовались бы.It should be noted that the structural location of the disk active element 6 and the additional rotary mirror 10 are mutual. That is, these elements can be interchanged. Moreover, in the developed resonator circuit, instead of an additional mirror 10, an additional disk active element 11 can be installed, which is implemented in the second alternative case according to the independent claim (see Fig. 3). In this alternative embodiment of the invention according to claim 1, the formula also achieves close to the diffraction quality of the output laser beam, but through the use of an additional disk active element 11, it is possible to increase the average radiation power to 10-20 kW. It should be noted that with this addition of the disk active element 11, unlike the prototype, there is no need to make changes to the organization of the laser resonator (change the position and characteristics of the mirrors, the optical axis of the resonator; add optical elements). For more disk active elements, such changes were required would.

В частном случае реализации устройства каждый дисковый активный элемент 6 является композитным, т.е. представляет собой сэндвич-структуру из легированного и нелегированного дисков, скрепленных торцевыми сторонами. В таком дисковом активном элементе фактически отсутствует одна из границ, и спонтанное излучение покидает легированную область, не успев усилиться. Благодаря своей геометрии, композитный дисковый активный элемент обеспечивает подавление эффекта УСИ и, соответственно, увеличение усиления (см. фиг. 6). В этом случае количество обходов излучения через композитный дисковый активный элемент может быть уменьшено приблизительно в 2 раза по сравнению с обычным дисковым активным элементом. Этот частный случай актуален при диаметре лазерного пучка в активном элементе 1 см и более.In the particular case of the implementation of the device, each disk active element 6 is composite, i.e. It is a sandwich structure of alloyed and undoped disks fastened with end faces. In such a disk active element, one of the boundaries is actually absent, and spontaneous emission leaves the doped region before it has time to amplify. Due to its geometry, the composite disk active element suppresses the ASE effect and, accordingly, increases the gain (see Fig. 6). In this case, the number of radiation bypasses through the composite disk active element can be reduced by approximately 2 times compared with a conventional disk active element. This particular case is relevant when the diameter of the laser beam in the active element is 1 cm or more.

Таким образом, предложенное в устройстве сочетание неустойчивой схемы резонатора и усилительного узла, реализующего многопроходную схему усиления, обеспечивает за счет большой величины усиления сигнала за проход резонатора и, соответственно, большого коэффициента увеличения неустойчивого резонатора возможность генерации излучения с качеством пучка, близким к дифракционному и средней мощностью в несколько киловатт и более (вплоть до десятков киловатт) даже при использовании только одного дискового активного элемента, что невозможно ни в каком другом типе лазерного резонатора с дисковым активным элементом включая прототип. При этом кольцевая схема неустойчивого резонатора применена для обеспечения одинакового размера генерируемого лазерного пучка при каждом проходе через дисковый активный элемент. Такой подход позволяет расширить область применимости неустойчивых резонаторов на дисковые лазеры и обеспечить возможность генерации излучения с качеством пучка, близким к дифракционному, в характерном для одного дискового активного элемента мультикиловаттном диапазоне мощностей.Thus, the combination of an unstable resonator circuit and an amplifier unit that implements a multi-pass amplification circuit proposed in the device provides, due to the large magnification of the signal per pass of the resonator and, accordingly, a large increase in the unstable resonator, the possibility of generating radiation with a beam quality close to diffraction and average with a capacity of several kilowatts and more (up to tens of kilowatts) even when using only one disk active element, which is impossible in no other type of laser resonator with a disk active element including a prototype. In this case, the unstable resonator ring circuit is used to ensure the same size of the generated laser beam at each pass through the disk active element. This approach allows us to expand the range of applicability of unstable resonators to disk lasers and to provide the possibility of generating radiation with a beam quality close to diffraction in the multikilowatt power range characteristic of a single disk active element.

Claims

1. Disk laser unstable resonator to provide an output laser signal with a near-diffraction quality of the beam, containing an optical resonator having an optical axis, a feedback mirror, at least one disk active element located in series along the optical axis together with at least two reflective mirrors, each of which has a concave spherical mirror surface, an imaging system between the feedback mirror and at least one disk active m element, characterized in that the disk laser unstable resonator is circular and contains rotary mirrors and a nonreciprocal optical element, the imaging system is formed by a telescope to increase the beam diameter and an amplification unit including an additional telescope for image transfer, two reflecting mirrors with a concave spherical mirror surface and either two additional rotary mirrors in combination with one disk active element or one additional rotary mirror in combined with two disk active elements, and providing the possibility of multiple passage of optical radiation through each disk active element.

2. Disk laser unstable resonator for providing an output laser signal with a beam quality close to diffraction, according to claim 1, characterized in that each disk active element is composite.