Эффективная генерация одномодового излучения с помощью неустойчивого резонатора с полупрозрачным однородным выходным зеркалом тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ИМЕНИ П.Н.ЛЕБЕДЕВА ■о САМАРСКИЙ ФИЛИАЛ

На правах рукописи

Михеев Павел Анатольевич

ЭФФЕКТИВНАЯ ГЕНЕРАЦИЯ ОДНОМОДОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

С ПОМОЩЬЮ НЕУСТОЙЧИВОГО РЕЗОНАТОРА С ПОЛУПРОЗРАЧНЫМ ОДНОРОДНЫМ ВЫХОДНЫМ ЗЕРКАЛОМ

Специальность 01.04.05 - оптика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических паук-

Самара 1997

Работа выполнена в Самарском филиале Физического Института РАН и Самарском Государственном университете.

Научные руководители:

доктор физико-математических наук профессор Катулин В. А. кандидат физико-математических наук доцент Шепеленко A.A.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Котляр В. В.

доктор технических наук Еленевский Д. С.

Ведущая организация: Самарское НПО автоматических систем.

Защита состоится " ^-с^ег^с^ 1997 г. в. часов на

заседании диссертационного совета № К 063.94.05 по специальности 01.04.05 - оптика при Самарском государственном университете по адресу:

443011, Самара, ул. Академика Павлова 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СамГУ. Автореферат разослан " 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доцент Жукова В.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации определяется тем, что в связи с развитием мощных широкоапертурных лазерных систем существует проблема получения одномодового излучения с предельно малой расходимостью. Большинство практически значимых систем имеют умеренное усиление, и для них известным способам получения одномодового излучения присущи недостатки. В диссертации развит подход к решению данной проблемы на основе практически не исследованного типа неустойчивого резонатора, использующего простейшие оптические элементы.

В системах с большим усилением на проход, например, импульсных твердотельных и эксимерных часто применяются телескопические неустойчивые резонаторы [1]. Они позволяют получать одномодовое излучение в лазерах, поперечное сечение которых, характеризуется числом Френеля N порядка 10 и более. Устойчивые же резонаторы обычно обеспечивают одномодовую генерацию при N порядка 1.

Для лазеров с умеренным усилением на проход (для оценки таковыми считаются системы с goL < 4), составляющих большинство практически значимых типов лазеров, применение традиционной схемы телескопического неустойчивого резонатора (с кольцевым выводом излучения) приводит к тому, что расходимость выходного излучения оказывается существенно больше предельно возможной для заданного размера выходной апертуры. Такая ситуация имеет место, например, для широко распространенных СО2 лазеров киловаттной мощности с продольным или поперечным протоком активной среды, а также для многих твердотельных систем.

Анализ эффективности вывода энергии из активной среды лазера показывает, что в средах с умеренным усилением максимум эффективности достигается при величине коэффициента отражения выходного зеркала К от 30 до 70%. "Прозрачность" Т = !-К неустойчивого резонатора связана с его увеличением М (в приближении геометрической оптики) как Т = 1 - ММ'. Для обеспечения эффективного энергосъема потери резонатора в случае умеренного усиления должны быть не очень велики, следовательно, увеличение резонатора М не может быть большим. Например, значению II = 30% соответствует значение М= 1.8, а значению К = 70% -Д/ — 1.2. При М < 2-2.5, выходное излучение телескопического неустойчивого резонатора в поперечном сечении представляет собой достаточно узкое кольцо. Расходимость такого излучения значительно больше, чем у одномодового излучения, заполняющего всю апертуру.

В настоящее время известно несколько способов вывода излучения с заполненной апертурой из неустойчивого резонатора - поляризационный [2], с помощью гауссовых или супергауссовых [3] зеркал, а так же с помо-

щыо зеркала со ступенчатым профилем коэффициента отражения и выравниванием фазы [4]. Известны хорошие результаты, полученные с помощью цилиндрической [5], конической [6], тороидальной [7] оптики, а так же с помощью самофильтрующегося неустойчивого резонатора (SFUR) [8].

Перечисленные способы позволяют получать излучение, с качеством близким к предельно возможному, однако все они (за исключением SFUR) связаны с использованием нетрадиционных уникальных оптических элементов. Эти элементы, например, имеют зависимость коэффициента отражения от поперечной координаты или являются несферическими, что существенно ограничивает возможность их применения.

Что касается поляризационного способа вывода излучения, то он удобен в лазерах видимого и ближнего инфракрасного диапазона. На момент постановки настоящей работы этот способ не был реализован, например, в мощных СО2 лазерах из-за отсутствия необходимых оптических элементов пригодных для внутрирезонаторного использования.

Изготовление зеркал с переменным коэффициентом отражения - достаточно сложная задача. Современная технология предполагает использование диэлектрических слоев переменной толщины от центра зеркала к краю. Это вызывает неоднородный по радиусу фазовый набег (аберрацию) проходящего и отраженного излучения, который желательно компенсировать, например, нанесением специальных дополнительных диэлектрических слоев. Наличие большого числа диэлектрических слоев снижает оптическую прочность зеркал, и в литературе до настоящего времени приводились примеры их использования только в системах небольшой средней мощности.

Использование цилиндрической, конической и тороидальной оптики правомерно в системах с соответствующей геометрией активной среды, кроме того такие оптические элементы существенно дороже сферических.

Из перечисленных способов в настоящее время только неустойчивый резонатор с зеркалом со ступенчатым профилем коэффициента отражения [4], а так же SFUR [8] нашли применение в промышленных лазерах кило-ваттной мощности.

Технология изготовления зеркал со ступенчатым коэффициентом отражения достаточно сложна из-за необходимости нанесения дополнительного покрытия, выравнивающего фазу выходного излучения.

Что же касается SFUR, то как показано в [9], при числах Френеля активной среды более нескольких единиц его использование возможно только в системах с большим усилением, так как потери такого резонатора становятся неприемлемо большими. Кроме того, пространственная фильт-

рация в резонаторе связана с необходимостью фокусировки излучения, что при больших интенсивностях может приводить к оптическому пробою.

В настоящей работе изучалась возможность решения проблемы получения одномодового излучения в широкоапертурных лазерах с помощью неустойчивого резонатора с полупрозрачным однородным выходным зеркалом (НРПОЗ).

НРПОЗ можно представить как обычный резонатор, образованный глухим и полупрозрачным зеркалами, параметры которого выбраны так, что он является неустойчивым, но, в то же время, имеет небольшие дифракционные потери. Согласно существующим представлениям о свойствах неустойчивого резонатора [1] селекция мод в нем существенно лучше, чем в устойчивом, поэтому в лазерных системах с относительно большим числом Френеля можно надеяться получить одномодовый выходной пучок с заполненной апертурой, используя зеркало с однородным пропусканием, ценой несколько повышенных дифракционных потерь. Достоинства такой схемы заключаются в ее простоте: используется сферическая оптика, обычные полупрозрачные зеркала, схема естественным образом вписывается в конструкцию лазера, при соответствующем выборе параметров излучение внутри резонатора не фокусируется

Идея вывода излучения из неустойчивого резонатора через полупрозрачное зеркало известна давно [10]. Однако, на момент постановка диссертационной работы существовали только единичные экспериментальные работы [11,12,13], где подобная схема была реализована, а экспериментальные результаты, приведенные в них, носят качественный характер. Теоретический анализ неустойчивого резонатора с малыми увеличениями полностью отсутствовал. Большинство исследований неустойчивого резонатора было выполнено для телескопической схемы с увеличением М>1.5, и именно такие резонаторы обычно используются в лазерных системах.

Существенной особенностью НРПОЗ, вытекающей из требования малости дифракционных потерь, является близость к единице его увеличения М. Однако, сохраняется ли модовая селективность неустойчивого резонатора при очень малых увеличениях, из-за недостатка экспериментальных работ было не ясно. Кроме того, при приближении М к единице анализ в рамках геометрической оптики показывает, что чувствительность неустойчивого резонатора к аберрациям быстро возрастает. Последнее отмечалось Ю.А.Ананьевым в [10], где НРПОЗ с М ~ 1 рассматривался, по-видимому, впервые. Там же указывались трудности экспериментальной реализации таких резонаторов, связанные с малыми прогибами зеркал. Таким образом вопрос о возможности применения резонатора такого типа в реальных лазерных системах до настоящего времени оставался открытым.

Цель данной диссертационной работы состояла в том, чтобы выяснить возможность применения и определить условия использования НРПОЗ для генерации одномодового излучения в широкоапертурных лазерах с умеренным усилением активной среды.

Для этого в настоящей работе было проведено численное моделирование неустойчивого резонатора с полупрозрачным выходным зеркалом при увеличении близком к единице и экспериментальное изучение его свойств. Численное моделирование проводилось для пустого резонатора, и для резонатора с учетом эффектов насыщения усиления. Для расчетов использовались две модели: 1) цилиндрически симметричная, 2) более сложная и требующая больших вычислительных мощностей двумерная модель.

Эксперименты проводились на непрерывных С02 лазерах: с поперечной прокачкой, а так же диффузионно охлаждаемом, специально изготовленном для экспериментов; на импульсном твердотельном лазере на стекле с N(1. Зеркала с большим радиусом кривизны не использовались. Вместо двухзеркальных были предложены и использовались многозеркальные схемы НРПОЗ, состоящие из зеркал с радиусами кривизны не более 10 м. Такие схемы естественным образом вписываются в конструкции многопроходных резонаторов технологических лазеров. Для наилучшего согласования модового объема с активной средой, а так же для минимизации дифракционных потерь использовались нетелескопические схемы НРПОЗ.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ

1. Показано экспериментально и с помощью численного моделирования, что НРПОЗ с близким к единице увеличением позволяет получать од-номодовое излучение в лазерах с числами Френеля резонатора до 15 и умеренным усилением активной среды по качеству близкое к основной моде устойчивого резонатора.

2. Найдено, что минимум дифракционных потерь в таком резонаторе достигается при условии равенства эквивалентных чисел Френеля, определенных для переднего и заднего зеркал.

3. Экспериментально показано, что при наличии внутрирезонаторного астигматизма одномодовая генерация реализуется если параметры резонатора соответствуют неустойчивой области хотя бы в одной из задаваемых астигматизмом плоскостей симметрии.

4. Разработан простой метод измерения кривизны зеркал, позволяющий измерять радиусы кривизны зеркал порядка 10 м с точностью 0.5%.

Практическая ценность.

Экспериментально продемонстрирована возможность использования НРПОЗ в имеющих широкое практическое применение технологических

б

быстропроточных С02 лазерах. На промышленной модели лазера мощностью 1 Квт ("Плутон-1") по сравнению со штатным телескопическим неустойчивым резонатором с М=2 достигнуто двукратное уменьшение расходимости, что позволяет по крайней мере в три раза увеличить плотность мощности сфокусированного излучения (при снижении полной мощности на 30%).

Рассмотрено применение многозеркальных схем со сферическими поворотными зеркалами как средства возможной практической реализации НРПОЗ. Они делают экспериментальную реализацию возможной, но приводит к появлению внутрирезонаторного астигматизма. Экспериментально продемонстрирована возможность и определены условия получения од-номодовой генерации в этих условиях.

Экспериментально показано, что схема НРПОЗ с поворотом поля на 180°, компенсирующая неоднородности, связанные с протоком активной среды, позволяет получать одномодовую генерацию в лазере с поперечной прокачкой при числах Френеля резонатора до 15 (хотя и не обеспечивает полной компенсации неоднородности активной среды).

Продемонстрирована возможность пятикратного уменьшения расходимости излучения и получения практически равномерного распределения интенсивности в ближней зоне на промышленной модели импульсного лазера на стекле с неодимом ГОС-1001.

Разработан простой метод измерения кривизны зеркал для радиусов кривизны порядка Юме точностью 0.5%.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы были представлены на Международных конференциях ОЕ LASE '92 (San Diego, USA), OE LASE '94 (Los Angeles, USA), "Оптика лазеров" (Санкт-Петербург 1995 г.), ОЕ LASE '96 (San Jose, USA).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Диссертационная работа состоит из «ведения, трех глав, заключения и приложения.

В первой главе приведены результаты численного моделирования ПРПОЗ. Исследовался НРПОЗ с увеличением M от 1.1 до 1.33 при числах Френеля резонатора N ~ 5-15 и усилении среды t\»L ~ 0.5-2.5. Такие неличины чисел Френеля и усиления характерны для промышленных технологических лазеров.

В качестве первого приближения для оценки величины дифракционных потерь и их зависимости от параметров НРПОЗ с M» 1 использовалась одномерная численная модель. Распределение интенсивности нзлуче-

ния на концевых зеркалах резонатора находилось методом Фокса-Ли в осесимметричном приближении. Активная среда представлялась в виде двух однородных тонких слоев, расположенных перед концевыми зеркалами. Решалась система двух интегральных уравнений вида:

о

С, = (а,/а2)А-, С2={а2/а,)0; N„= а,а2Дд; g^т\)L = glL/[] + Цт\)/1г];

где gnL - ненасыщенное усиление на проход; /(г))- распределение интенсивности внутри усиливающего слоя; /3- интенсивность насыщения; а;, а2 -радиусы апертур; А, В, £) - элементы АВСБ-матрицы резонатора, записанной в соответствии с [1]. Параметры резонатора и активной среды соответствовали используемым в эксперименте.

В случае НРПОЗ дифракционные потери на концевых зеркалах должны быть по возможности снижены, что требует обязательного учета их конечных размеров. Введем два эквивалентных числа Френеля Neql и N^2 на заднем и выходном зеркалах соответственно. Согласно [10] Иед это выраженное в единицах длины волны расстояние между эквифазными поверхностями сходящейся и расходящейся волн на крае зеркала, представляющих геометрическое решение. Исходя из этого определения было получено:

КЧ1 = в/А ^АС/ВБ, = а\1Х ^ЯС/АВ . (2)

В результате численных экспериментов было обнаружено, что дифракционные потери при полном обходе резонатора минимальны при выполнении условия:

(3)

При выполнении условия (3) для значения g0L = 1.2 потери по расчетам снижаются в ~2 раза по сравнению с тем, когда это условие существенно нарушено. Мода резонатора в этом случае заполняет апертуры зеркал оптимальным образом.

С уменьшением gl)L эффект становится менее выраженным, и для пустого резонатора разность полных потерь при равенстве и существенном неравенстве эквивалентных чисел Френеля составляет только 2%, при суммарной величине потерь порядка 10%.

Рис. 1

Основная мода устойчивого резонатора (пунктир) и НРПОЗ в ближней зоне 15 - интенсивность насы-

Угол ©/©„„„

Рис. 2

Расчетные доли мощности в дальней зоне для НРПОЗ (сплошная кривая), устойчивого 1 и неустойчивого телескопического 2 с М=2 резонаторов с одинаковыми выходными апертурами. 0Овб - угол в котором содержится 86% мощности моды устойчивого резонатора.

ского резонатора. Для одинаковых

Таким образом, обнаруженный эффект, по-видимому, обусловлен большим усилением периферийных участков моды, по сравнению с центральными, в соответствии с распределением насыщенного усиления.

По расчетам, для основной моды НРПОЗ распределение интенсивности в ближней зоне значительно более плоское, чем в случае Гаус-сового пучка. Это соответствует существенно меньшей лучевой нагрузке на оптические элементы.

На Рис. 1 и Рис. 2 представлены результаты расчетов для симметричных НРПОЗ и устойчивого резонатора с одинаковыми апертурами и одинаковыми дифракционными потерями при полном обходе, составлявшими 5.8%. При этом, в случае НРПОЗ Л'12= 10.3. а для устойчивого резонатора М12=0.93. Расчетное значение выходной мощности в случае НРПОЗ при прочих равных условиях на 30% больше. Это обеспечивается за счет большей интенсивности на краях апертуры. Расходимость по уровню 0.86 от полной мощности основной моды НРПОЗ, и основной моды устойчивого резонатора (почти Гауссова пучка - пунктирная кривая 1 Рис, 2) практически одинакова.

Пунктирной кривой 2 на Рис. 2 показано расчетное распределение доли мощности в телесном угле в дальней зоне для кольцевого излучения неустойчивого телескопиче-геометрических размеров и усиления 9

активной среды, оптимального пропускания резонаторов выходная мощность оказывается практически одинаковой. В то же время, выходное излучение НРПОЗ имеет расходимость (например, по уровню 83% от полной мощности, определяемому вторым минимумом интенсивности в дальней зоне излучения телескопического неустойчивого резонатора), в два раза меньшую, чем расходимость излучения телескопического неустойчивого резонатора с такой же апертурой.

Оценки качества выходного излучения НРПОЗ при наличии внутри-резонаторного астигматизма проводились с помощью двумерной модели. Расчеты показали, что, во-первых, наличие астигматизма, вносимого поворотным зеркалом (для оптической схемы использованной в эксперименте) является вполне допустимым, так как приводит к несущественным увеличению дифракционных потерь и ухудшению качества выходного излучения. Во-вторых, внутрирезонаторный астигматизм в основном проявляется в изменении формы распределения интенсивности в ближней и дальней зонах. В ближней зоне распределение интенсивности становится вытянутым в направлении, определенном наибольшим значением увеличения М, в дальней - вытянутым в противоположном направлении.

Во второй главе описаны методы измерений кривизны зеркал, величины М2 [14] и расходимости лазерного излучения, использовавшиеся в диссертационной работе. Метод измерения больших радиусов кривизны зеркал оригинален, его разработка была вызвана тем, что для получения в условиях эксперимента интересующих нас значений увеличения следует знать радиусы кривизны зеркал с точностью не хуже 1%. Измерения радиуса кривизны II отражающей поверхности становятся сложными, если Я>5 м, что характерно для резонаторов технологических С02 лазеров. Приводятся оценка погрешности метода и требования к используемым оптическим элементам. Предложенный метод легко доступе}! в лаборатории и на производстве.

В третьей главе приведены результаты экспериментального исследования НРПОЗ. В экспериментах использовались: 1) импульсный лазер на неодимовом стекле ГОС-1СЮ1; 2) киловаттный быстропроточный СОг лазер "Плутон-1", в котором направление потока газа, вектор электрического поля разряда и оптическая ось резонатора взаимно ортогональны; 3) СОт лазер с диффузионным охлаждением. Основное отличие этих лазеров друг от друга состоит в разном оптическом качестве активной среды и характере распределения усиления в поперечном сечении резонатора. В твердотельном лазере в активной среде присутствуют неоднородности, вызванные термодеформациями стержня, а усиление практически одинаково в поперечном сечении резонатора. Для лазера с поперечной прокачкой ха-

рактерна хорошая оптическая однородность активной среды, а усиление неодинаковым образом спадает к краям апертуры во взаимоперпендикулярных направлениях. В лазере с диффузионным охлаждением активная среда наилучшего качества, усиление спадает к краям апертуры симметрично.

]. В серийном исполнении лазер на неодимовом стекле ГОС-1001 работает с плоским резонатором в режиме свободной генерации. Проведенные измерения показали, что для плоского резонатора с диафрагмой на выходном зеркале радиусом а = 1 см расходимость излучения (по уровню 80% от полной энергии) составляла около 5 мрад (полный угол). В дальней зоне распределение интенсивности представляло собой одно или несколько пятен неправильной формы.

В экспериментах с НРПОЗ, при наличии на выходном зеркале диафрагмы радиусом 1 см (это соответствовало числу Френеля Лг= аг!ХБ к 70) в ближней зоне распределение интенсивности было однородным с резким краем. Просматривалась слабо выраженная кольцевая структура. В дальней зоне распределение энергии при этом имело ярко выраженный керн размером 0.8 мрад (60% энергии) и слабые крылья в пределах 5 мрад. Распределение излучения в керне не было аксиально симметричным и улучшить его юстировкой не удавалось. По уровню 90% энергии расходимость составляла 1.45 мрад. Максимальная энергия в импульсе составляла 120 Дж, что эквивалентно 60% от энергии, генерируемой резонатором с плоскими зеркалами.

С увеличением диаметра диафрагмы и, следовательно, N качество излучения ухудшалось. В ближней зоне характер распределения заметно менялся, а в дальней появлялась система колец неправильной формы.

2. Излучение лазера "Плутон-1" со штатным телескопическим неустойчивым резонатором имело в дальней зоне существенно несимметричное распределение интенсивности с двумя отчетливо выраженными максимумами, разнесенными в направлении, поперечном к направлению протока газа. Расходимость по уровню 84% мощности составляла 1.9 мрад при мощности 1.2 Квт. В ближней зоне распределение интенсивности имело небольшие отклонения от радиально симметричного.

Распределение интенсивности в ближней зоне НРПОЗ было неоднородным: со стороны набегающего потока просматривался более яркий серп, а в центре наблюдалось несколько ярких пятен. Тем не менее в дальней зоне распределение интенсивности было практически радиально симметричным.

Максимальная мощность, полученная в экспериментах, составляла около 850 Вт. Расходимость излучения по уровню 84% мощности состав-

ляла 0.9 мрад (полный угол), что в полтора раза больше расчетного значения. Это различие, по-видимому, обусловлено влиянием неоднородности среды и качеством зеркал резонатора. Тем не менее, полученная в эксперименте расходимость лучше даже предельно возможной (расчетной) для телескопического резонатора с М=2.

3. Эксперименты с г-образной схемой НРПОЗ, показали явную неоднородность в распределении интенсивности лазерного излучения в ближней зоне, связанную с поперечным протоком активной среды. Для компенсации указанной неоднородности на практике используются резонаторы с поворотом поля на 180°, осуществляемого с помощью крышеобразной призмы. Особенности схемы НРПОЗ, упомянутые выше, не позволяют использовать сферические зеркала в качестве заднего и выходного.

Количественный анализ схемы со сферическими зеркалами, образующими крышеобразную призму показал, что можно использовать пару из вогнутого и выпуклого зеркал с радиусами кривизны порядка 10 м. Чтобы обеспечить требуемые значения увеличения, радиусы кривизны этих зеркал должны отличаться на величину около 0.5 м. Поскольку зеркала имеют кривизну разного знака, то они почти полностью компенсируют астигматизм друг друга.

Схема НРПОЗ с поворотом поля на 180° позволяла добиться почти однородного распределения интенсивности в ближней зоне. Однако наилучшее качество пучка и одновременно мощность близкая к максимально возможной достигались в том случае, когда юстировкой резонатора обеспечивалась неоднородность распределения интенсивности в ближней зоне, так чтобы вниз по потоку интенсивность возрастала. Измерения параметра качества излучения М2 показали, что с увеличением апертур выходных зеркал, при А'¡2> 15, качество излучения ухудшается. Типичные величины М2 при ///?< 15 составляли 3-3.5, а при Мц> 15 - 4.5-5. Расходимость излучения по уровню 86% мощности (полный угол) при N¡2= 15 составляла 1 мрад.

4. Для практической реализации НРПОЗ перспективными представляются многопроходные схемы с промежуточными сферическими зеркалами. Они позволяют даже в нетелескопических конфигурациях создавать участки, на которых мода имеет практически плоский фазовый фронт и, следовательно, наилучшим образом заполняет активный объем. Кроме того, возможно использование технологичных зеркал с радиусами кривизны 5-10 м и менее. Однако сферические поворотные зеркала, расположенные под углом к оптической оси резонатора, вносят астигматизм, влияние которого на условия генерации основной моды НРПОЗ до настоящего времени исследовано не было.

В экспериментальной установке на основе СОг лазера с диффузионным охлаждением использовался трехзеркальный резонатор с поворотным сферическим зеркалом, обеспечивавшим известный внутрирезонаторный астигматизм. Была возможна ситуация, когда в одной из ортогональных плоскостей симметрии, задаваемых астигматизмом резонатор являлся устойчивым, а в другой - неустойчивым.

Эксперименты показали, что в НРПОЗ, а так же в резонаторе с параметрами в области перехода от неустойчивого к устойчивому, генерация излучения основной моды возможна и при наличии существенного внут-рирезонаторного астигматизма. Генерация основной моды при числах Френеля ~10 наблюдалась, если параметры резонатора соответствовали неустойчивой области хотя бы в одной из задаваемых астигматизмом плоскостей симметрии. Если резонатор был устойчив в обеих плоскостях, то наблюдались моды более высокого порядка.

Научная новизна работы.

Впервые было найдено условие минимума потерь НРПОЗ при заданной конфигурации, а так же определены уровни дифракционных потерь НРПОЗ в зависимости от параметров (увеличения, эквивалентного числа Френеля) с помощью численного моделирования.

Было показано, что по качеству излучения НРПОЗ мало уступает основной моде устойчивого резонатора, в то время как распределение интенсивности в ближней зоне является более равномерным.

Разработан специальный метод измерения радиусов кривизны зеркал, обеспечивающий для радиусов кривизны порядка 10 м точность измерений «0.5%, который необходим в связи с тем, что увеличение и величины эквивалентных чисел Френеля резонатора в интересующей области значений имеют сильную зависимость от кривизны зеркал.

Впервые экспериментально реализован НРПОЗ в технологическом СО2 лазере с поперечным протоком активной среды киловаттного уровня мощности (промышленная модель "Плутон-Г'). По сравнению с излучением телескопического неустойчивого резонатора с увеличением М = 2, осевая плотность мощности в дальней зоне была увеличена по крайней мере в три раза за счет уменьшения расходимости, при снижении полной мощности на 30%. Таким образом, было экспериментально показано, что свойства НРПОЗ с М* 1 оказываются вполне приемлемыми для практики, по крайней мере для лазеров с высокой однородностью активной среды.

Впервые в данной работе изучалось качество выходного излучения НРПОЗ при наличии существенного внутрирезонаторного астигматизма.

Экспериментально показана возможность одномодовой генерации в ши-рокоапертурном резонаторе в этих условиях.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ДИССЕРТАЦИИ

I. Установлены основные свойства неустойчивого резонатора с выводом излучения через полупрозрачное однородное выходное зеркало (НРПОЗ) с близкими к единице значениями увеличения, определяющие возможность генерации высококачественного излучения в широкоапер-турных лазерах.

II. Показана экспериментально возможность практического использования НРПОЗ на примерах непрерывного электроразрядного быстропро-точного СО2 лазера киловаттной мощности, импульсного твердотельного лазера на неодимовом стекле и непрерывного электроразрядного С02 лазера с диффузионным охлаждением.

III. Определены значения дифракционных потерь основной моды НРПОЗ при близких к единице увеличениях. Найдено условие минимума дифракционных потерь учитывающее размеры апертур обоих концевых зеркал резонатора.

IV. Показано, что по сравнению с устойчивым резонатором, генерирующем основную моду, НРПОЗ может обеспечивать большую выходную мощность, при меньшей лучевой нагрузке на оптические элементы и сохранении расходимости излучения. Это связано с лучшим заполнения излучением активной среды из-за более равномерного поперечного распределения интенсивности основной моды НРПОЗ.

V. Показано, что элементы оптической схемы могут быть выбраны так, что использование в оптической схеме (с целью технологичности) поворотного сферического зеркала, вызывающего появление внутрирезона-торного астигматизма не приводит к существенному увеличению дифракционных потерь и ухудшению качества выходного излучения.

VI. Установлено, что в широкоапертурных лазерах с помощью НРПОЗ, а так же резонатора с параметрами в области перехода от неустойчивого к устойчивому, генерация излучения основной моды возможна и при наличии существенного внутрирезонаторного астигматизма. Одно-модовая генерация реализуется, если параметры резонатора соответствуют неустойчивой области, хотя бы в одной из задаваемых астигматизмом плоскостей симметрии; в то время как в устойчивом резонаторе в этих условиях наблюдается генерация моды более высокого порядка.

VII. Разработан простой метод измерения кривизны зеркал с радиусом кривизны порядка Юме точностью 0.5%.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

П.А.Михеев, В.Д.Николаев, А.А.Шепеленко. "Неустойчивый резонатор с полупрозрачным выходным зеркалом для быстропроточного СО2 лазера" - Квантовая электроника, т.19, стр.456-460, 1992.

П.А.Михеев, А.А.Шепеленко, И.А.Феоктистова. "Программа расчета электромагнитного поля в резонаторе лазера с учетом активной среды" - в сб. Применение лазерной техники в авиастроении, Самара: Самарский авиационный институт, 1991, стр.116-120.

Н.В.Купряев, П.А.Михеев, А.А.Шепеленко. "Генерация одномодового излучения в широкоапертурном неустойчивом резонаторе с полупрозрачным однородным выходным зеркалом и внутрирезонаторным астигматизмом" - Квантовая Электроника т.23, стр.356-358, 1996.

В.С.Казакевич, П.А.Михеев, А.А.Шепеленко. "Об измерении кривизны длиннофокусных зеркал" - ПТЭ N2, стр.226-227, 1993.

П.А.Михеев, А.А.Шепеленко. "Характеристики основной моды неустойчивого резонатора с полупрозрачным выходным зеркалом и увеличением близким к единице". В сб. "Применение лазеров в науке и технике" -материалы V международного семинара. Новосибирск, ТОО "СиЛаП", стр.138-141, 1992.

P.A.Mikheyev, V.D.Nikolaycv, A.A.Shepelenko. "Unstable resonator with semitransparent output coupler for transverse- flow C02 laser". In I'roc. SPIE, V. 1752, pp.287-293, 1992.

P.A.Mikheyev, A.A Shepelenko. "Aberration sensitivity of unstable resonator with semitransparent output coupler". InProc. SPIE, V.2117, pp. 148-152, 1994.

N.V.Kupryayev, P.A.Mikheyev, A.A.Shepelenko. "Experimental investigation of unstable resonator with semitransparent out- put coupler in the presence of intracavity astigmatism". 8-th Laser Optics Conference Technical Digest, pp.81-82, St.Petersburg, 1995.

P.A.Mikheyev,N.V.Kupryayev, A.A.Shepelenko. "Experimental and numerical studies of single mode laser operation in unstable resonator with semitransparent output coupler and intracavity astigmatism". In Proc. SPIE, V.2702, pp.432-436, 1996.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ю.А.Ананьев. "Оптические резонаторы и лазерные пучки" - М.: Наука, 1990.

2. W.D.Fountain, M.Bass. "Single axial-mode operation of a polarization-

tion-coupkd stable/unstable resonator Nd:YAG laser oscillator" - IEEE J of QE-18, pp.432-436, 1982.

3. P.Lavigne, N.McCarthy, A.Parant at.al. "Laser mode control with variable reflectivity mirrors" - Can.J.Phys., V.66, pp.888-895, 1988.

4. K.Yasui, M.Tanaka, S.Yagi. "Unstable resonators with phase-unifying output coupler to extract a large Uniphase beam of a filled-in circular pattern" - J.Appl.Phys., V.65, pp.l 7-21,1989.

5. Ю.А.Ананьев, В.Н.Чернов, В.Е.Шерстобитов. "Твердотельный лазер с высокой пространственной когерентностью излучения" -Квантовая Электроника, № 4, стр.112-113,1989.

6. V.M.Veerasinghe, J.Gabzdil, R.D.Hibberd. "Properties of a laser beam generated from an axicon resonator" - Opt.& Las. Technology, V.21, pp.389-391, 1989.

7. E.F.Yelden, H.J.J.Seguin, C.E.Capjack at.al. "A multi-channel slot discharge laser employing a toric unstable resonator" - Opt.Comm., V.52, pp.195-198,1982.

8. Г.Н.Грачев, А.И.Иванченко, А.Л.Смирнов, В.Б.Шулятьев. "Неустойчивый резонатор с пространственной фильтрацией излучения "-Опт. и спектр.,Т.73, вып. 1, стр. 131-133,1991.

9. A.E.Siegman. "Performance limitations of the self-filtering unstable resonator" - Opt.Comm., V.88, pp.295-297,1992.

10. Ю.А.Ананьев. "Неустойчивые резонаторы и их применения" -Квантовая Электроника № 6, стр.3-34,1971.

11. S.J.Brosnan, R.L.Herbst, US Patent № 4360925, 1982.

12.0.П.Варнавский, А.М.Леонтович, А.М.Можаровский и др. "Лазер на ИАГ:Ш с самосинхронизацией мод с высокой энергией и яркостью излучения" - Квантовая Электроника, т. 10, № 9, стр. 18901891, 1983.

13. С.Г.Арутюнян, А.Р.Симонян, Ж.А.Саркисян. "Одномодовый СОл-лазер с неустойчивым резонатором" - в сб. "Газовые лазеры", изд. Ереванского университета, Ереван, стр.154-162,1989.

14. A.E.Siegman. "New developments in laser resonators" - In Proc. SPIE, Vol.1224, pp.2-14, 1990.

Самарский госуниверситет, тир. 100 экз.