Введение к работе
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 спосооам 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 экспмерных 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 СОг 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 R от 30 до 70%. "Прозрачность" Т = 1-R 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 R = 30% соответствует значение М= 1.8, а значению R = 70% -М= 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 СОг 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 постановки 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 А/а 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 СО? лазерах: с поперечной прокачкой, а так же диффузионно охлаждаемом, специально изготовленном для экспериментов; на импульсном твердотельном лазере на стекле с Nd. 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.
