UA127361C2

UA127361C2 - LASER RESONATOR WITH INTERNAL EXPANSION OF THE RADIATION BEAM APERTURE

Info

Publication number: UA127361C2
Application number: UAA202008353A
Authority: UA
Inventors: Михайло Іванович Дзюбенко; Володимир Петрович Радіонов
Original assignee: Інститут Радіофізики Та Електроніки Ім. О.Я. Усикова Національної Академії Наук України
Priority date: 2020-12-28
Filing date: 2020-12-28
Publication date: 2023-07-26

Abstract

Винахід належить до лазерної техніки та може застосовуватись для створення лазерів з підвищеною ефективністю використання енергії активної речовини. Лазерний резонатор з внутрішнім розширенням апертури пучка випромінювання, що містить прямокутний відбивач у вигляді призми з кутом 90° при вершині, який встановлено з одного боку активного елемента і опукле та увігнуте циліндричні дзеркала з іншого боку. Циліндричні дзеркала встановлені таким чином, що твірні їх поверхонь паралельні ребру вершини призми, а по одному з двох прямолінійних крайків кожного циліндричного дзеркала розташовані впритул до протилежних країв торцевої грані активного елемента. Дотичні площини, що можна провести до циліндричних дзеркал через ці крайки, утворюють кут 90° одна до одної та кути по 45° до торцевої грані. Другі прямолінійні крайки кожного циліндричного дзеркала розташовані в площині, що можна провести через ребро вершини призми під кутом т до бокової грані активного елемента, яка суміжна з опуклим дзеркалом. Кут д обумовлює розширення пучка випромінювання в активній речовині та вибирається з урахуванням посилення активної речовини. Форма кривизни циліндричних дзеркал розраховується з урахуванням вибраної величини кута б. Напрямні циліндричних дзеркал мають форму частини параболи та забезпечують умову, що всі паралельні промені, що проходять у напрямку від поверхні опуклого дзеркала до поверхні увігнутого дзеркала, які паралельні торцю активного елемента та перпендикулярні ребру прямокутного відбивача, після віддзеркалення від увігнутого дзеркала, а потім від обох граней прямокутного дзеркала будуть мати напрямок на фокусну лінію оптичної системи, яка є лінією перетину роздільної площини та продовження бокової грані активного елемента, яка межує з прямолінійною кромкою опуклого дзеркала. Технічний результат: в лазерному резонаторі забезпечується плавне розширення апертури пучка випромінювання на обох протилежних проходах випромінювання крізь активну речовину, це підвищує ефективність використання енергії активної речовини, а отже підвищує ККД лазера та потужність лазерного випромінювання.The invention belongs to laser technology and can be used to create lasers with increased efficiency of using the energy of the active substance. Laser resonator with an internal expansion of the aperture of the radiation beam, containing a rectangular reflector in the form of a prism with an angle of 90° at the top, which is installed on one side of the active element and convex and concave cylindrical mirrors on the other side. Cylindrical mirrors are installed in such a way that the components of their surfaces are parallel to the edge of the top of the prism, and one of the two rectilinear edges of each cylindrical mirror is located close to the opposite edges of the end face of the active element. The tangent planes that can be drawn to the cylindrical mirrors through these edges form an angle of 90° to each other and angles of 45° to the end face. The second rectilinear edges of each cylindrical mirror are located in a plane that can be drawn through the edge of the top of the prism at an angle t to the side face of the active element, which is adjacent to the convex mirror. The angle d determines the expansion of the radiation beam in the active substance and is chosen taking into account the amplification of the active substance. The shape of the curvature of cylindrical mirrors is calculated taking into account the selected value of the angle b. The guides of cylindrical mirrors have the shape of a part of a parabola and ensure that all parallel rays passing in the direction from the surface of the convex mirror to the surface of the concave mirror, which are parallel to the face of the active element and perpendicular to the edge of the rectangular reflector, after reflection from the concave mirror and then from both the faces of the rectangular mirror will have a direction to the focal line of the optical system, which is the line of intersection of the separation plane and the continuation of the side face of the active element, which borders the straight edge of the convex mirror. Technical result: in the laser resonator, a smooth expansion of the radiation beam aperture is ensured on both opposite paths of radiation through the active substance, this increases the efficiency of using the energy of the active substance, and therefore increases the efficiency of the laser and the power of laser radiation.

Description

та перпендикулярні ребру прямокутного відбивача, після віддзеркалення від увігнутого дзеркала, а потім від обох граней прямокутного дзеркала будуть мати напрямок на фокусну лінію оптичної системи, яка є лінією перетину роздільної площини та продовження бокової грані активного елемента, яка межує з прямолінійною кромкою опуклого дзеркала. Технічний результат: в лазерному резонаторі забезпечується плавне розширення апертури пучка випромінювання на обох протилежних проходах випромінювання крізь активну речовину, це підвищує ефективність використання енергії активної речовини, а отже підвищує ККД лазера та потужність лазерного випромінювання.and perpendicular to the edge of the rectangular reflector, after reflection from the concave mirror, and then from both faces of the rectangular mirror, will have a direction to the focal line of the optical system, which is the line of intersection of the separation plane and the continuation of the side face of the active element, which borders the straight edge of the convex mirror. Technical result: in the laser resonator, a smooth expansion of the radiation beam aperture is ensured on both opposite paths of radiation through the active substance, this increases the efficiency of using the energy of the active substance, and therefore increases the efficiency of the laser and the power of laser radiation.

З ї ЯWith her Ya

ДЕН Не КН В фе КН х вер нттх і їх я ие Яке Я 00 Кене светр у Кая Я іDEN Ne KN V fe KN x ver ntth and ih I ie Yake I 00 Kene sweater in Kaya I and

Фіг. 2Fig. 2

Винахід належить до лазерної техніки та може застосовуватись для створення лазерів з підвищеною ефективністю використання енергії активної речовини.The invention belongs to laser technology and can be used to create lasers with increased efficiency of using the energy of the active substance.

Підвищення ефективності використання енергії активної речовини дозволяє підвищити ефективність лазера та збільшити потужність випромінювання. Найбільш ефективно енергія активної речовини використовується в тому випадку, коли апертура пучка випромінювання, що проходить крізь речовину, збільшується пропорційно зростанню його інтенсивності. При цьому можна забезпечити рівномірне посилення в кожній частині активної речовини та досягти майже максимального використання інверсійної заселеності, не перетнувши межі насищення.Increasing the efficiency of using the energy of the active substance makes it possible to increase the efficiency of the laser and increase the radiation power. The energy of the active substance is most effectively used when the aperture of the radiation beam passing through the substance increases in proportion to the increase in its intensity. At the same time, it is possible to ensure uniform amplification in each part of the active substance and achieve almost maximum use of the inversion population without crossing the saturation limit.

Відомий лазерний резонатор, який іноді називають телескопічним (Звелто ОО. Принципь! лазеров. М. "Мир", 1984, стр. 145-153). Він складається з увігнутого та опуклого дзеркал, які мають спільний фокус. Опукле дзеркало має менший діаметр і поверх його країв з резонатора виводиться випромінювання паралельним пучком кільцевого перерізу.A known laser resonator, which is sometimes called telescopic (Zvelto OO. Princip! lazerov. M. "Mir", 1984, pp. 145-153). It consists of concave and convex mirrors that have a common focus. The convex mirror has a smaller diameter, and over its edges, radiation is emitted from the resonator by a parallel beam of annular cross-section.

Перевагою цього лазерного резонатора є те, що на шляху від опуклого дзеркала до увігнутого випромінювання розповсюджується пучком, що розширюється. Це дозволяє досягти майже максимальної ефективності використання енергії активної речовини на цьому проході.The advantage of this laser cavity is that on the way from the convex mirror to the concave radiation is propagated by an expanding beam. This makes it possible to achieve almost the maximum efficiency of using the energy of the active substance in this passage.

Недоліком цього лазерного резонатора є те, що на шляху від увігнутого дзеркала до опуклого випромінювання розповсюджується паралельним пучком. Це не дозволяє досягти високої ефективності використання енергії активної речовини на цьому проході.The disadvantage of this laser resonator is that on the way from the concave mirror to the convex radiation spreads in a parallel beam. This does not allow to achieve a high efficiency of using the energy of the active substance in this passage.

Найбільш близьким за технічними ознаками до запропонованого винаходу та вибраним як прототип є лазерний резонатор (05 3622907 А - 1971-11-23. "Сотровзійе озсПШайюг атрійіегThe laser resonator (05 3622907 A - 1971-11-23. "Sotrovziye ozsPShaiyug atriyieg) is the closest in terms of technical features to the proposed invention and chosen as a prototype

Іазег"), який утворено опуклим та увігнутим циліндричними дзеркалами, що розташовані з обох боків активного елемента прямокутного перерізу. Випромінювання виводиться з резонатора поверх країв опуклого дзеркала паралельним пучком прямокутного перерізу.Yazeg"), which is formed by convex and concave cylindrical mirrors located on both sides of the active element of rectangular cross-section. Radiation is emitted from the resonator over the edges of the convex mirror by a parallel beam of rectangular cross-section.

Зо В основу винаходу поставлена задача забезпечити розширення апертури пучка випромінювання на обох протилежних проходах крізь активну речовину. Це дозволить підвищити ефективність використання енергії активної речовини.The invention is based on the task of ensuring the expansion of the aperture of the radiation beam on both opposite passages through the active substance. This will increase the efficiency of using the energy of the active substance.

Поставлена задача вирішується тим, що лазерний резонатор з внутрішнім розширенням апертури пучка випромінювання, що містить опукле та увігнуте циліндричні дзеркала та активний елемент прямокутного перерізу. На одному торці активного елемента встановлено прямокутний відбивач у вигляді призми з кутом 907" при вершині, а на протилежному торці активного елемента встановлено опукле та увігнуте циліндричні дзеркала таким чином, що твірні циліндричних поверхонь дзеркал паралельні ребру вершини призми, а по одному з двох прямолінійних крайків кожного циліндричного дзеркала розташовані впритул до протилежних країв торцевої грані активного елемента. Дотичні площини, що можна провести до циліндричних дзеркал через ці крайки, утворюють кут 90" одна до одної та кути по 45" до торцевої грані, а другі прямолінійні крайки кожного циліндричного дзеркала розташовані в роздільній площині, що можна провести через ребро вершини призми під кутом фФ до бокової грані активного елемента, яка суміжна з опуклим дзеркалом, цей кут ф обумовлює розширення пучка випромінювання в активній речовині та вибирається з урахуванням посилення активної речовини, а напрямні циліндричних дзеркал мають форму частини параболи та забезпечують умову, що всі паралельні промені, що проведені у напрямку від поверхні опуклого дзеркала до поверхні увігнутого дзеркала, які паралельні торцю активного елемента та перпендикулярні ребру прямокутного відбивача, після віддзеркалення від увігнутого дзеркала, а потім від обох граней прямокутного дзеркала будуть мати напрямок на фокусну лінію оптичної системи, яка є лінією перетину роздільної площини та продовження бокової грані активного елемента, яка межує з прямолінійною кромкою опуклого дзеркала.The problem is solved by the fact that a laser resonator with an internal expansion of the aperture of the radiation beam, containing convex and concave cylindrical mirrors and an active element of rectangular cross-section. On one end of the active element, a rectangular reflector in the form of a prism with an angle of 907" at the top is installed, and on the opposite end of the active element, convex and concave cylindrical mirrors are installed in such a way that the elements of the cylindrical surfaces of the mirrors are parallel to the edge of the top of the prism, and on one of the two straight edges of each cylindrical mirror are adjacent to the opposite edges of the end face of the active element. The tangent planes that can be drawn to the cylindrical mirrors through these edges form an angle of 90" to each other and angles of 45" to the end face, and the second rectilinear edges of each cylindrical mirror are located in the separating plane, which can be drawn through the edge of the top of the prism at an angle fF to the side face of the active element, which is adjacent to the convex mirror, this angle f determines the expansion of the radiation beam in the active substance and is chosen taking into account the amplification of the active substance, and the guides of the cylindrical mirrors have the form parts of the parabola and provide the condition that all parallel rays drawn in the direction from the surface of the convex mirror to the surface of the concave mirror, which are parallel to the face of the active element and perpendicular to the edge of the rectangular reflector, after reflection from the concave mirror and then from both faces of the rectangular mirror will have the direction to the focal line of the optical system, which is the line of intersection of the separation plane and the continuation of the side face of the active element, which borders the straight edge of the convex mirror.

Завдяки запропонованому набору дзеркал зі специфічною геометрією в лазерному резонаторі забезпечується плавне розширення апертури пучка випромінювання на обох протилежних проходах випромінювання крізь активну речовину. Це дозволяє досягти підвищеної (близької до максимально можливої) ефективності використання енергії активної речовини при посилені випромінювання, а отже підвищити ККД лазера та потужність лазерного випромінювання.Thanks to the proposed set of mirrors with a specific geometry in the laser resonator, a smooth expansion of the radiation beam aperture is ensured on both opposite paths of radiation through the active substance. This makes it possible to achieve increased (close to the maximum possible) efficiency of using the energy of the active substance with enhanced radiation, and therefore to increase the efficiency of the laser and the power of laser radiation.

Суть винаходу пояснюють креслення.The drawings explain the essence of the invention.

На фіг. 1 схематично зображено лазерний резонатор з внутрішнім розширенням апертури пучка випромінювання.In fig. 1 schematically shows a laser resonator with an internal expansion of the radiation beam aperture.

На фіг. 2 зображено хід променів випромінювання в лазерному резонаторі з внутрішнім розширенням апертури пучка випромінювання.In fig. 2 shows the course of radiation rays in a laser resonator with an internal expansion of the radiation beam aperture.

Лазерний резонатор утворено опуклим 1 та увігнутим 2 циліндричними дзеркалами, що розміщені на одному торці активного елемента З прямокутного перерізу, та прямокутним відбивачем 4 у вигляді призми з кутом 90" при вершині, що розміщений на протилежному торці активного елемента 3. Твірні поверхонь циліндричних дзеркал 1,2 паралельні ребру вершини призми 4. Циліндричні дзеркала 1,2 прямолінійними крайками розташовані впритул до протилежних ребер торцевої грані активного елемента 3. Дотичні площини, що можна провести до циліндричних поверхонь дзеркал 1,2 через ці крайки, утворюють кут 90" одна до одної та кут 45" до торцевої грані. Другі прямолінійні крайки кожного циліндричного дзеркала розташовані в площині 5, що можна провести через ребро вершини призми 4 під кутом Фф (фіг. 2) до бокової грані активного елемента 3, яка суміжна з опуклим дзеркалом 1. Кут ф обумовлює розширення пучка випромінювання в активній речовині та вибирається з урахуванням посилення активної речовини. Чим вище посилення в активній речовині, тим більше повинен бути кут Ф. Напрямні циліндричних дзеркал 1,2 мають форму частини параболи та забезпечують умову, що всі паралельні промені, які проходять у напрямку від поверхні опуклого дзеркала 1 до поверхні увігнутого дзеркала 2, які паралельні торцю активного елемента та перпендикулярні ребру прямокутного відбивача, після віддзеркалення від увігнутого дзеркала 2, а потім від обох граней прямокутного дзеркала 4, будуть мати напрямок на фокусну лінію Е оптичної системи. Ця лінія є лінією перерізу роздільної площини 5 та продовження бокової грані активного елемента 3, яка межує з прямолінійною кромкою опуклого дзеркала. При розрахунках форми поверхні циліндричних дзеркал 1, 2 бажано також брати до уваги і дифракційні властивості випромінювання. Це доволі складна задача, яку зокрема можна вирішувати за допомогою комп'ютерного моделювання.The laser resonator is formed by convex 1 and concave 2 cylindrical mirrors placed on one end of the active element C with a rectangular section, and a rectangular reflector 4 in the form of a prism with an angle of 90" at the top, placed on the opposite end of the active element 3. Forming surfaces of cylindrical mirrors 1 ,2 parallel to the edge of the top of the prism 4. Cylindrical mirrors 1,2 with rectilinear edges are located close to the opposite edges of the end face of the active element 3. The tangent planes that can be drawn to the cylindrical surfaces of the mirrors 1,2 through these edges form an angle of 90" to each other and an angle of 45" to the end face. The second straight edges of each cylindrical mirror are located in the plane 5, which can be drawn through the edge of the top of the prism 4 at an angle Фф (Fig. 2) to the side face of the active element 3, which is adjacent to the convex mirror 1. Angle ф determines the expansion of the radiation beam in the active substance and is chosen taking into account the amplification of the active substance. The higher the amplification in the active substance, the larger the angle Ф should be. The guides of the cylindrical mirrors 1,2 have the shape of a part of a parabola and ensure the condition that all parallel rays that pass in the direction from the surface of the convex mirror 1 to the surface of the concave mirror 2, which are parallel to the face of the active element and perpendicular to the edge of the rectangular reflector, after reflection from the concave mirror 2 and then from both faces of the rectangular mirror 4, will have a direction to the focal line E of the optical system . This line is the line of intersection of the dividing plane 5 and the continuation of the side face of the active element 3, which borders the straight edge of the convex mirror. When calculating the shape of the surface of cylindrical mirrors 1, 2, it is desirable to also take into account the diffraction properties of radiation. This is a rather complex task, which can be solved in particular with the help of computer simulation.

Лазерний резонатор з внутрішнім розширенням апертури пучка випромінювання працює наступним чином. Активний елемент З збуджується будь-якими відомими способами, внаслідок чого в ньому генерується випромінювання. Система дзеркал 1, 2, 4 формує лазернеA laser resonator with an internal expansion of the radiation beam aperture works as follows. The active element C is excited by any known means, as a result of which radiation is generated in it. The system of mirrors 1, 2, 4 forms a laser

Зо випромінювання. В поверхневій частині активного елемента З умови генерації подібні до умов генерації в кільцевому лазері. Тобто для пучків випромінювання 6 (рис. 2), які віддзеркалюється від крайових зон дзеркал 1, 2, 4, що межують з активним елементом З, умови посилення однакові для обох протилежних напрямків розповсюдження. Зокрема, генерація тут може відбуватись в режимі стоячої хвилі. Цю поверхневу зону активного елемента З можна вважати зоною формування когерентного випромінювання. Лазерне випромінювання, завдяки дифракції ї завдяки геометрії дзеркал, з кожним проходом "зміщується" в середню частину активного елемента З до площини 5. При цьому геометрія дзеркал діє таким чином, що всередину "зміщується" тільки випромінювання, що розповсюджується в напрямку від опуклого дзеркала 1 до прямокутного дзеркала 4 та від дзеркала 4 до увігнутого дзеркала 2. Випромінюванню, що розповсюджується у зворотному напрямку, геометрія дзеркал не дає змоги відхилятись всередину активного елемента 3. При зміщенні випромінювання всередину активного елементаFrom radiation. In the surface part of the active element C, the conditions of generation are similar to the conditions of generation in a ring laser. That is, for radiation beams 6 (Fig. 2), which are reflected from the edge zones of mirrors 1, 2, 4 bordering the active element Z, the amplification conditions are the same for both opposite directions of propagation. In particular, the generation here can take place in the mode of a standing wave. This surface zone of the active element C can be considered the zone of formation of coherent radiation. Laser radiation, due to diffraction and thanks to the geometry of the mirrors, "shifts" with each pass into the middle part of the active element C to plane 5. At the same time, the geometry of the mirrors acts in such a way that only the radiation propagating in the direction from the convex mirror 1 "shifts" inside to the rectangular mirror 4 and from the mirror 4 to the concave mirror 2. The radiation propagating in the reverse direction is prevented by the geometry of the mirrors from being deflected inside the active element 3. When the radiation is shifted inside the active element

З апертура пучка з кожним проходом розширюється. Розширення пучка тим більше, чим більше вибрано кут Ф. Випромінювання віддзеркалюється від увігнутого дзеркала 2 паралельним пучком і частина його виходить із резонатора повз крайки опуклого дзеркала 1.From the aperture, the beam expands with each pass. The beam expansion is greater, the larger the angle F is selected. The radiation is reflected from the concave mirror 2 by a parallel beam and part of it leaves the resonator past the edges of the convex mirror 1.

Завдяки тому, що в лазерному резонаторі забезпечується плавне розширення апертури пучка випромінювання на обох протилежних проходах випромінювання крізь активну речовину, вдається досягти підвищеної (близької до максимально можливої) ефективності використання енергії активної речовини при посилені випромінювання, а отже підвищити ККД лазера та потужність лазерного випромінювання.Due to the fact that the laser resonator provides a smooth expansion of the aperture of the radiation beam on both opposite paths of radiation through the active substance, it is possible to achieve increased (close to the maximum possible) efficiency of using the energy of the active substance with enhanced radiation, and therefore to increase the efficiency of the laser and the power of laser radiation.

Claims

FORMULA OF THE INVENTION A laser resonator with an internal expansion of the aperture of the radiation beam, containing convex and concave cylindrical mirrors and an active element of rectangular section, which is characterized by the fact that a rectangular reflector in the form of a prism with an angle of 907 at the top is installed on one end of the active element, and on the opposite end of the active element, convex and concave cylindrical mirrors are installed in such a way that the generators of the cylindrical surfaces of the mirrors are parallel to the edge of the top of the prism, and one of the two rectilinear edges of each cylindrical mirror is located close to the opposite edges of the end

60 faces of the active element, while the tangent planes that can be drawn to the cylindrical mirrors through these edges form an angle of 90" to each other and angles of 45" to the end face, and the second rectilinear edges of each cylindrical mirror are located in a separating plane that can pass through the edge of the top of the prism at an angle Ф to the side face of the active element, which is adjacent to the convex mirror, this angle Ф determines the expansion of the radiation beam in the active substance and is chosen taking into account the amplification of the active substance, and the guides of the cylindrical mirrors have the shape of part of a parabola and provide the condition, that all parallel rays drawn in the direction from the surface of the convex mirror to the surface of the concave mirror, which are parallel to the face of the active element and perpendicular to the edge of the rectangular reflector, after reflection from the concave mirror and then from both faces of the rectangular mirror will have a direction to the focal line of the optical system , which is the line of intersection of the separation plane and the continuation of the side face of the active element, which borders the straight edge of the convex mirror. h eV h I nnia Z: SHO i x Y Ko I v logs Veni Akne km lya What i J ZE t pov J 3 i Ko o oreza Z "OK o FA pev o KK oyu Mao -e i I k Te U ey Nevnya B ho po ih Kolya Eh I h minni B h lit dinyu VK h i m E i i Z E in X tai : zei g v Z "rig, 1 s o Z p i I DN deko Ko VK VEK ekv 7 Her and B o i : U Y AK Be i Her gus s 5 i By i. x sv i (Y. orni ninnnn neon eh v t L . E . "Den mem retennss k uv yk po ; she m he ge

Fig. 2