ЛАЗЕР, СЛЭБ-ЛАЗЕР, ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР (ВАРИАНТЫ) И ГАЗОВЫЙ СЛЭБ-ЛАЗЕР

Область техники

Настоящее изобретение относится к генерации когерентного излучения в виде одной или нескольких низших поперечных мод в большом объеме лазерной активной среды, имеющей асимметричное поперечное сечение, для получения выходного пучка, выводимого дифракционным образом и имеющего сплошное сечение. Это достигается путем использования гибридного неустойчивого резонатора бегущей волны. Вообще говоря, хорошо известно, что неустойчивые резонаторы стоячей волны, имеющие осесимметричное или асимметричное поперечное сечение, имеют более высокие, в смысле дискриминации поперечных мод, характеристики по сравнению с устойчивыми резонаторами стоячей волны. В данном изобретении показано, что применение гибридных неустойчивых кольцевых резонаторов позволяет получить свойства, которые невозможно получить с использованием гибридных неустойчивых оптических резонаторов стоячей волны. Например, широко известно, что гибридные неустойчивые резонаторы стоячей волны, относящиеся к отрицательной ветви, имеют уникально низкий уровень чувствительности к разъюстировке концевых зеркал вследствие переворота пучка, происходящего в фокальной плоскости пары вогнутых зеркал. Именно это свойство и является причиной того, что гибридные неустойчивые резонаторы стоячей волны, относящиеся к отрицательной ветви, считаются более перспективными в ряде лазерных применений по сравнению с гибридными резонаторами стоячей волны, относящимися к положительной ветви. Однако в настоящем изобретении показано, что желаемое свойство внутрирезонаторного переворота пучка, приводящее к замене левого на правое, и низкая чувствительность к разъюстировке резонатора могут быть получены в гибридном резонаторе бегущей волны без ухудшения характеристик, связанных с наличием фокальной перетяжки внутри резонатора. Помимо этого, вследствие того, что резонатор является резонатором бегущей волны, эффекты пространственного "выгорания дыр", характерные для некоторых лазерных сред, сводятся к нулю. Кроме того, поскольку настоящее изобретение ограничено резонаторами, которые являются неустойчивыми лишь в одной плоскости, не использует волноводы с разветвленной структурой и базируется преимущественно на применении полностью отражательной оптики, концепция, изложенная в нем, легко масштабируется до очень высокого уровня средней выходной мощности лазера. В соответствии с этим общая цель настоящего изобретения состоит в разработке новых и более совершенных методов и устройств такого типа.

Общее описание предшествующих неустойчивых резонаторов

С момента первого появления неустойчивых резонаторов в литературе [1] и первых их систематических экспериментальных и аналитических исследований в 1965 году неустойчивые резонаторы нашли применение в эксимерных, ионных, молекулярных, твердотельных лазерах, а также в лазерах не жидких активных средах и лазерах на свободных электронах. Все эти лазеры в совокупности излучают в спектральном диапазоне от ультрафиолета до инфракрасной области.

В данной пионерской статье с помощью ad hoc геометрооптического подхода было показано, что потери мод не зависят от размеров концевых зеркал, и что хотя потери в резонаторе, определенные экспериментальным путем, как и ожидалось, оказались большими, было высказано соображение о том, что дифракционный вывод излучения мог бы быть полезным для селекции поперечных мод. В 1967 году во второй работе [2] были перечислены три общих свойства неустойчивых резонаторов: "1) Неустойчивые резонаторы могут иметь большой объем моды даже при очень коротком резонаторе; 2) Неустойчивая конфигурация резонатора позволяет легко варьировать величину дифракционного вывода излучения; 3) Анализ показывает, что неустойчивые резонаторы должны обеспечивать высокую степень дискриминации по отношению к поперечным модам высших порядков."

Первое экспериментальное доказательство высокой степени дискриминации поперечных мод в лазере с неустойчивым резонатором было приведено в [3]. С течением времени указанные три свойства неустойчивых резонаторов были многократно продемонстрированы экспериментальным образом и теоретически. В 1967 и 1969 годах концепция неустойчивых резонаторов была распространена на конфокальные неустойчивые резонаторы, и было впервые предложено несколько новых типов кольцевых неустойчивых резонаторов [4]. В комментариях к краткому обсуждению их свойств [5, 6] указывалось на появление "новой возможности создания однонаправленных кольцевых генераторов [5, стр.1002]". В этих публикациях [4-6] впервые были введены неустойчивые кольцевые резонаторы как с фокальной перетяжкой внутри резонатора, так и без нее. Данные кольцевые резонаторы были исследованы в [5, 6], и впервые было показано, что "хотя потери мод, распространяющихся в противоположных направлениях, идентичны, существенная разница в объемах мод в таких резонаторах может способствовать получению однонаправленной генерации [5, стр.1002]".

Хотя активная среда СO₂-лазера рассматривалась как один из идеальных кандидатов для использования в сочетании с неустойчивой резонаторной системой, понадобилось почти пять лет после первого обсуждения неустойчивых резонаторов в литературе [1] для того, чтобы детали такой резонаторной системы были изложены в [7] в 1969 году. В данной работе сообщалось об использовании конфокального неустойчивого резонатора положительной ветви для генерации непрерывного излучения с выходной мощностью 22 Вт и кольцевого выводного зеркала для вывода из лазера коллимированной основной моды, имеющей форму кольца в ближней зоне. В течение года с момента вышедшей в 1970 году первой публикации, проливающей свет на истинные величины потерь первых шести низших мод в неустойчивых резонаторах стоячей волны с круглыми зеркалами, была опубликована работа [9], в которой сообщалось о создании на базе неустойчивой резонаторной системы непрерывного СO₂-лазера с выходной мощностью 30 кВт.

В 1972 г. был впервые запатентован не имеющий аналогов кольцевой неустойчивый резонатор [10]. Примерно в это же время был опубликован ряд экспериментальных работ по СO₂-лазерам, в которых детальным образом исследовались характеристики конфокальных неустойчивых резонаторов стоячей волны [11], однонаправленных симметричных конфокальных кольцевых резонаторов [12], асимметричных конфокальных кольцевых резонаторов [13], а также неустойчивых резонаторов стоячей и бегущей волны, работающих в режиме инжекции излучения и регенеративного усиления [14]. Было показано [11], что в конфокальных неустойчивых резонаторах стоячей волны измеренные дифракционные потери без каких-либо исключений находятся в полном соответствии с потерями, предсказываемыми строгой дифракционной теорией [8]. Это соответствие включает и детали поведения потерь моды в резонаторе вблизи точки перехода от низшей симметричной моды к следующей за ней по потерям симметричной моде [11, фиг.17]. Подобным образом однонаправленный режим работы неустойчивого резонатора бегущей волны, предложенный в середине 1968 г. в [4], был реализован впервые в [12, 13], как и предсказывалось ранее [5], лишь за счет размещения усиливающей среды в месте, для которого объемы прямой и обратной волны отличаются, что дает преимущество бегущей волне лишь одного направления. Более того, было показано, что использование неустойчивых резонаторов бегущей волны является мощным резонаторным подходом применительно к концепции лазерного регенеративного усиления [14]. В этом случае, как было показано, степень однонаправленности генерации значительно усиливается за счет выходного зеркала инжектирующего излучение лазера [14, фиг.35], которое служит в качестве возвратного зеркала для кольцевого резонатора [10, фиг.24, элемент 24]. Было показано, что в регенеративных усилителях, созданных на базе кольцевых оптических неустойчивых резонаторов, однонаправленный режим достигается легче, чем в случае использования неустойчивых резонаторов стоячей волны, поскольку изолятор в этом случае не требуется [10, фиг.29].

Как следует из сказанного, в течение декады с момента введения неустойчивых резонаторов и их первого анализа понимание неустойчивых резонаторов прошло путь от первоначального геометрооптического подхода [1] к подходу, основанному на итерационных расчетах в дифракционном приближении [8]. В течение этой декады теоретических исследований выходная мощность СO₂-лазеров возросла в конечном итоге от 20 Вт в первых устройствах стоячей волны [7] до уровня непрерывной выходной мощности предположительно в несколько сотен киловатт при использовании несимметричного кольцевого резонатора [12, 13].

С исторической точки зрения интересно отметить, что оригинальная концепция неустойчивого оптического резонатора [1], предложенная Сигменом в 1965 году, никогда и нигде не заявлялась для патентования. По видимому это объяснялось тем, что в первый период обсуждения и разработок отсутствовала надежная дифракционная модель неустойчивого резонатора. Между тем, существенная практическая ценность конфокальных неустойчивых резонаторов была независимо предсказана в 1968 году в [7] и продемонстрирована экспериментально в [15] в 1969 году. В результате этих исследований конфокальный неустойчивый резонатор положительной ветви (телескопический резонатор) был запатентован в России [16] с датой приоритета 18.03.1968, но в течение длительного времени оставался неизвестным мировому сообществу. Идея кольцевого неустойчивого резонатора, предложенная в 1968 году в [4], никогда не заявлялась для патентования вплоть до 1972 года. С ретроспективной точки зрения это могло быть связано с общим непониманием того, насколько полно может быть подавлена обратная волна, распространяющаяся в резонаторе. В 1972 г. неустойчивые кольцевые резонаторы были запатентованы в [10] благодаря разработке эффективных методов обеспечения однонаправленного режима работы лазеров с такими резонаторами. В любом случае обзор работ по неустойчивым резонаторам, отражающий взгляды того времени, может быть найден в [6, 17], а наиболее полное обсуждение всех упомянутых, а также других типов неустойчивых резонаторов, наряду с подробной библиографией, - в [18, 19].

Устойчивые кольцевые резонаторы были широко известны в лазерной технике со второй половины шестидесятых годов, т.к. еще ранее было предложено, наряду с другими применениями, использовать их для измерения вращения объектов в инерциальном гравитационном поле [20]. Как было показано специально для этих применений, разностная частота между волнами, распространяющимися по кольцу в прямом и обратном направлениях, пропорциональна угловой скорости вращения кольцевой лазерной системы. Неустойчивые кольцевые резонаторы принципиально отличаются от устойчивых кольцевых резонаторов тем, что в неустойчивых кольцевых резонаторах диаметры мод прямого и обратного направлений в общем случае различны, а в устойчивых кольцевых резонаторах одинаковы. Это обстоятельство служит основой одного из методов достижения однонаправленного режима работы [5, 6] путем использования диафрагмы внутри резонатора. Помимо этого, подавление волн, распространяющихся в одном из возможных направлений, как в симметричных [12], так и в асимметричных [6, 12, 13] кольцевых неустойчивых резонаторах, может быть осуществлено путем разумного размещения активной среды внутри резонатора. Для достижения этого активную среду размещают внутри резонатора в той области, где объем моды одной из бегущих волн является большим и превосходит объем другой бегущей волны [17, фиг.16, 17]. В близком к симметричному неустойчивом кольцевом резонаторе отношение выходных мощностей прямой и обратной волн оказалось в экспериментах близким к 20 [12, фиг.6]. Другим путем достижения однонаправленного режима является использование возвратного зеркала [10, фиг.2], размещенного вне резонатора. Следует отметить, что аспект однонаправленности, как в устойчивых, так и в неустойчивых резонаторах с симметричной апертурой, является центральным в идее достижения регенеративного усиления без введения оптического изолятора между задающим генератором и регенеративным усилителем [14, фиг.8, 29]. Подобно этому в таких применениях, как разнообразные методы диагностики плазмы [21] или анализ спектрального состава излучения лазера [22], использование кольцевых резонаторов является в высшей степени желательным или даже принципиальным. Поэтому неудивительно, что в описании всех этих применений, изобретений и устройств, без исключения, всегда имеет место то или иное обсуждение обоих направлений распространения внутри кольца.

Очевидно, что если при рассмотрении оптического устройства бегущей волны, в котором волны двух противоположных направлений распространения выходят из устройства в различных и единственных для каждой из волн направлениях, обсуждать только одно из направлений распространения, то это равносильно обсуждению лишь половины оптической проблемы. Действительно, без такого обсуждения невозможно даже с уверенностью сказать, какая из двух распространяющихся навстречу друг другу мод используется для вывода, т.е. в каком направлении будет выходить излучение. И наоборот, если дискуссия относительно двух возможных направлений распространения отсутствует в описании того или иного изобретения или устройства, такие изобретения или устройства должны рассматриваться как изобретения и устройства, основанные, по своей природе и применениям, на концепции стоячей волны.

В отличие от очевидного различия в направленности генерации, которое считается наиболее отличительным признаком при сравнении устойчивых кольцевых резонаторов и устойчивых резонаторов стоячей волны, различия между неустойчивыми кольцевыми резонаторами и устойчивыми кольцевыми резонаторами являются значительно более богатыми и более сложными. Например, в устойчивом кольцевом резонаторе диаметр моды в прямой и обратной волнах в любом сечении внутри резонатора, а также полные объемы мод одинаковы для обеих волн. В противоположность этому диаметры моды для прямой и обратной волн, измеренные в любом поперечном сечении внутри неустойчивого резонатора, а также полные объемы моды в указанных двух волнах, распространяющихся навстречу друг другу, в общем случае являются различными.

В иллюстративных целях предположим, что неустойчивый кольцевой резонатор является и конфокальным и асимметричным. В нашем рассмотрении термин "конфокальный" означает, что конструкция резонатора выбрана таким образом, что либо прямая, либо обратная волна выходит из резонатора в виде коллимированного пучка. Термин "асимметричный" в данном случае означает, что расстояние между оптическими элементами, расширяющими пучок, больше (либо меньше) оставшейся части периметра резонатора. Для такого асимметричного конфокального случая [10] резонатор является конфокальным только в одном из направлений вдоль кольца. Другими словами, "этот вид асимметрии направлений может быть реализован только в [неустойчивом] кольцевом резонаторе" [19, с.839, строки 28, 29]. Поэтому для того, чтобы полностью и недвусмысленно описать модовые свойства неустойчивых кольцевых резонаторов, эти резонаторы надо рассматривать полностью обособленно от устойчивых резонаторов стоячей волны, устойчивых резонаторов бегущей волны, а также неустойчивых резонаторов стоячей волны.

Следовательно, при рассмотрении изобретений, новизна которых состоит в использовании тех или иных типов неустойчивых резонаторов с симметричной апертурой или гибридных неустойчивых резонаторов, нельзя утверждать, что данные изобретения включают кольцевые неустойчивые резонаторы, если сам патент не содержит обсуждения того, каким образом эффективно подавляется мода, распространяющаяся по неустойчивому кольцевому резонатору в одном из направлений. Точно так же, должно быть представлено какое-либо обсуждение того, как соотносятся между собой форма сечения пучка в генерирующей бегущей моде с сечением лазерной усиливающей среды, если эта мода остается не подавленной, поскольку, будучи не подавленной, эта мода определяет направление, в котором будет излучаться значительная выходная мощность лазера. В этом отношении патент США №5097479 [23] полностью соответствует этому замечанию, т.к. содержит описание подавления одной из бегущих волн в двухзеркальном разветвленном неустойчивом кольцевом резонаторе применительно к СО₂ лазерной среде типа слэба. Подобно этому патент США №3824487 [10] соответствует указанному требованию, поскольку в нем обсуждается как обратная волна, так и проблема согласования другой, не подавленной волны с большим объемом активной среды. С другой стороны, патенты США №4719639 [24] и №5048048 [25] неудовлетворительны в этом отношении, и, таким образом, их применимость принципиально самоограничена и распространяется лишь на гибридные неустойчивые резонаторы стоячей волны.

Как показано далее, лазер с резонатором бегущей волны, в котором для одного поперечного направления мода бегущей волны соответствует моде неустойчивого резонатора, а в ортогональном поперечном направлении соответствует волноводной моде либо гауссовой моде, характерной для распространения в свободном пространстве, может идеально годиться для эффективного съема энергии из активной среды любого типа, имеющей удлиненное поперечное сечение. Это, конечно, предполагает, что генерация в одном из направлений вдоль кольца неустойчивого кольцевого резонатора может быть эффективно подавлена. Если это так, то использование настоящего изобретения может принести выгоду в сочетании с эксимерными, ионными, молекулярными, твердотельными и жидкостными активными средами, а также средой лазера на свободных электронах, излучающими в совокупности во всем диапазоне спектра от ультрафиолета до инфракрасной области. Такие среды могут накачиваться высокочастотным разрядом, постоянным током, электронным пучком, некогерентным светом, когерентным светом или источником свободных электронов, либо любой комбинацией перечисленных методов.

Описание известных волноводных и слэб-лазеров с высокочастотным возбуждением

Настоящее изобретение может быть использовано, например, в мощных СО- или СO₂-лазерах с прямоугольной геометрией разряда, хотя область его практической пригодности не ограничивается этими применениями. В общем случае прямоугольной геометрией разряда считается такая, при которой поперечное сечение разряда является удлиненным и разряд происходит в наиболее типичном случае либо вдоль меньшего поперечного размера (слэб-устройства), либо вдоль большего размера сечения (слайс-устройства). В слайс-устройствах существует также особый случай, когда разряд осуществляется в направлении, перпендикулярном удлиненной поперечной апертуре. Во всех этих случаях отношение длинной стороны поперечного сечения к его короткой стороне является большим и выбрано таким, что в направлении вдоль длинной стороны может поддерживаться мода неустойчивого резонатора бегущей волны. Вследствие удлиненности поперечного сечения в таких лазерах могут с успехом использоваться оптические резонаторы, которые имеют различные функциональные характеристики, а также характеристики распространения в двух различных поперечных измерениях. Впервые оптический резонатор подобной геометрии был экспериментально исследован в [26] в составе слэб-лазера на неодимовом стекле. Резонатор включал в себя одно плоское и одно выпуклое цилиндрическое зеркало, так что резонатор был неустойчивым вдоль большого поперечного измерения слэба (240 мм) и эквивалентным Фабри-Перо резонатору вдоль короткой стороны сечения (20мм). Впоследствии подобные резонаторы были названы гибридными [27]. Таким образом, двумя типами гибридных резонаторов, к которым особенно хорошо применимо настоящее изобретение, являются такие, в которых поле вдоль короткого поперечного размера описывается либо i) волноводной модой, либо ii) гауссовой модой свободного пространства, в то время как вдоль большего поперечного измерения оно функционально описывается модой неустойчивого резонатора.

В предпочтительных вариантах выполнения данного изобретения предлагаемая оптическая конфигурация может найти практическое применение в мощных волноводных газовых лазерах с диффузионным охлаждением газа, использующих разряд с геометрией типа слэба, в соответствии с патентом '639 [24], или слайс-геометрией, в соответствии с патентом '663 [28].

Волноводный слэб-лазер, возбуждаемый поперечным высокочастотным электрическим разрядом, содержит волновод, образованный обращенными друг к другу отражающими поверхностями двух расположенных параллельно удлиненных электродов. Электроды изготовляют из материала, хорошо отражающего лазерное излучение, что обеспечивает малые потери излучения в волноводе. Пространство между электродами заполняется газовой активной средой, возбуждаемой поперечным электрическим разрядом, создаваемым в активной среде при подаче мощности высокочастотного возбуждения на электроды. Около торцов волновода, образованного поверхностями электродов, устанавливают зеркала, формирующие лазерный резонатор. Помимо возбуждения газа электрическим разрядом и формирования верхней и нижней стенок оптического волновода, электроды служат охлаждающими элементами и обеспечивают отвод тепла от активной среды. Для обеспечения хорошего диффузионного теплоотвода из области разряда электроды изготовляют из материала с высокой теплопроводностью, а величина зазора между ними выбирается малой и обычно не превышает нескольких миллиметров.

Электрическое поле в таком разряде направленно существенно перпендикулярно к поверхностям охлаждающих элементов и ориентировано существенно в направлении высоты поперечного сечения активной среды. Типичными примерами таких лазеров являются волноводные лазеры с высокочастотным возбуждением на СO₂ [29, 30], СО [31] и Хе [32]. Для слайс-лазеров, выполненных в соответствии с патентом '663 [28], также характерна газовая усиливающая среда, возбуждаемая высокочастотным электрическим разрядом и имеющая удлиненное поперечное сечение с короткой и длинной сторонами. В отличие от волноводных лазеров, область разряда определяется в них электрическим полем, создаваемым в направлении, перпендикулярном короткой стороне поперечного сечения. В слайс-лазерах разряд ограничен пространством, заключенным между парой близко расположенных непроводящих охлаждающих элементов. Эти охлаждающие элементы расположены напротив друг друга таким образом, что промежуток между их обращенными друг к другу поверхностями не только достаточно мал, чтобы обеспечить диффузионное охлаждение газа, заполняющего промежуток, но и является приемлемым с точки зрения создания световода для распространения лазерного излучения между непроводящими поверхностями. Таким образом, разряд в газе возбуждается системой электродов, расположенных так, что электрическое поле в разрядной камере существенно параллельно поверхностям охлаждающих элементов, т.е. направлено поперечным образом по отношению к высоте (меньшему измерению) поперечного сечения активной среды. Как указано в патенте '663 [28], такие слайс-лазеры имеют ряд преимуществ по сравнению с обычными волноводными лазерами. Эти преимущества, среди прочих, включают в себя независимый выбор и оптимизацию давления газа в разряде и частоты возбуждения, возможность использования для возбуждения разряда как высокочастотных источников, так и источников постоянного тока, а также сравнительно слабое влияние пограничных слоев, образующихся вблизи электродов.

Ясно, что устройство на основе высокочастотного поперечного разряда в трубке малого диаметра, в микроволновом и высокочастотном вариантах, описанное в 1980 г. в [33], и устройство полосовой геометрии, описание в 1984 в [34], предшествовали подаче заявки на устройство слэб-геометрии '639 [24] в 1987 г. Вследствие существовавших в то время предшествующих изобретений, слэб-лазеры, с точки зрения возможности патентования, были ограничены случаем, в котором в направлении меньшего из двух поперечных измерений разряда реализуется только волноводный режим, а в направлении большего размера - только режим работы, присущий неустойчивому резонатору. В волноводном слэб-лазере моды света, распространяющегося вдоль противолежащих поверхностей электродов, определяются целиком этими поверхностями и их взаимным расположением. Геометрия слайс-лазера в соответствии с патентом '663 [28] и '256 [35], с другой стороны, являла собой совершенно новый тип организации поперечного разряда, ставший известным лишь после подачи соответствующей заявки на патентование. Слайс-геометрия лазера является такой геометрией, при которой может быть использован значительно более широкий выбор типов гибридных резонаторов.

Поэтому, например, при описании слайс-лазеров, рассмотренных в [32, 35], термин "световод", будучи примененным к слайс-лазерам, имеет более широкое значение нежели просто волновод.

Таким образом, в случае слайс-лазера распространение света может быть либо волноводным, как в слэб-устройстве, либо таким, при котором излучение распространяется внутри резонатора без какого-либо взаимодействия со стенками слайс-камеры. Один из таких случаев реализуется, когда в направлении, соответствующем малому слайс-измерению, внутрирезонаторная мода не касается стенок и по своим функциональным особенностям лучше всего описывается гауссовой модой свободного пространства. Этот случай имеет место, например, в устойчивых резонаторах, где лазерный пучок удерживается от расширения с помощью зеркал резонатора и не касается стенок световода, поскольку на стенках не должны выполняться какие-либо граничные условия для этого типа мод в резонаторе.

В настоящем изобретении термин "световод" используется в самом общем смысле, и подразумевается, что он включает в себя все способы распространения, от волноводной моды до распространения гауссова пучка в свободном пространстве.

Для увеличения объема активной среды обычного волноводного лазера с симметричной апертурой и тем самым выходной мощности лазера при сохранении малой величины зазора между электродами в патенте США №4719639 [24] был предложен широкоапертурный волноводный лазер с плоскопараллельными удлиненными электродами, ширина которых значительно превышает величину зазора между ними. Отражающие излучение поверхности электродов образуют в этом лазере верхнюю и нижнюю стенки оптического волновода большой ширины, в котором излучение, распространяющееся между электродами, ограничивается этим волноводом только в направлениях, перпендикулярных поверхностям электродов. В направлениях, параллельных поверхностям электродов, волновод является открытым, благодаря чему пучок излучения, распространяющийся вдоль волновода, может расширяться в этих направлениях в обе противоположные стороны как в свободном пространстве. Около концов волновода установлены софокусные выпуклое и вогнутое зеркала, образующие неустойчивый резонатор положительной ветви, имеющий увеличение М>1. В таком резонаторе при каждом полном проходе пучка излучения от одного зеркала к другому и обратно происходит расширение этого пучка примерно в М раз в двух противоположных направлениях, в которых пучок не ограничен поверхностями электродов и может расширяться как в свободном пространстве. Для формирования в лазере с таким резонатором единственного выходного пучка сплошного сечения зеркала обычно устанавливают так, чтобы ось образуемого ими неустойчивого резонатора была смещена к одной из открытых боковых сторон межэлектродного промежутка. Выходной пучок лазерного излучения выводится из резонатора с другой боковой стороны межэлектродного промежутка, около края выпуклого зеркала, перекрывающего лишь часть поперечного сечения волновода. Такая “половинная” конфигурация резонатора позволяет сформировать на выходе лазера сплошной пучок примерно прямоугольного сечения с расходимостью, близкой к пределу, определяемому дифракцией, в каждом из поперечных направлений, даже при достаточно большой ширине электродов. Большая ширина электродов обеспечивает возможность возбуждения большого объема активной среды и, благодаря этому, высокую выходную мощность лазера.

Однако известно, что волноводные лазеры с неустойчивым резонатором положительной ветви, имеющие малое увеличение М, характеризуются высокой чувствительностью к разъюстировкам зеркал резонатора, в особенности к изменению их углового положения в плоскости, параллельной электродам [25], а также к оптическим неоднородностям типа клина в той же самой плоскости, обычно возникающим в активной среде лазера при ее накачке. Это нельзя считать неожиданным, если принять во внимание ранее опубликованные работы по обычным неустойчивым резонаторам [6, 7]. В СО₂ слэб- и слайс-лазерах, как правило, М не превышает 1,2-1,5. Поэтому, если не принять специальные меры, повышающие жесткость конструкции и оптическую однородность активной среды и, следовательно, увеличивающие стоимость лазера, разъюстировка зеркал и неоднородности активной среды в таких лазерах приводят к существенной деформации структуры моды излучения, сопровождающейся резким снижением выходной мощности, ухудшением направленности излучения и угловым смещением выходного пучка, что является недопустимым в целом ряде применений. Необходимость принятия мер для решения указанных проблем приводит к повышению стоимости лазера.

Специалистам, обладающим обычным опытом работы в области слэб-лазеров, хорошо известно, что смещение оси неустойчивого резонатора положительной ветви к одной из боковых сторон электрода приводит к преобразованию резонатора из полного резонатора в половинную конфигурацию. Однако не всегда принимают во внимание то, что часть излучения, распространяющегося внутри резонатора, все же покидает резонатор вблизи края электродного промежутка, к которому смещена ось резонатора. Таким образом, хотя сдвиг оси резонатора и позволяет получить по существу один выходной пучок сплошного сечения вместо двух выходных пучков, это положительное свойство достигается ценой вывода некоторой части излучения с той стороны резонатора, где это излучение не может быть объединено с полезным выходным пучком. Для резонатора это означает введение пассивных потерь излучения, которые уменьшают общую эффективность лазера. И что еще хуже, это излучение может вновь провзаимодействовать с желаемой резонаторной модой вследствие зеркальных переотражений и вызвать появление нежелательных высших мод, конкурирующих с основной модой по величине усиления во всем активном объеме и, следовательно, по величине выходной мощности. Для устранения этих недостатков в патенте США № 5048048 [25] было предложено использовать в широкоапертурном волноводном лазере неустойчивый резонатор отрицательной ветви, имеющий увеличение М<-1. Предложенный резонатор образован двумя вогнутыми зеркалами с разными радиусами кривизны, имеющими общий фокус, расположенный внутри резонатора.

Конфокальный резонатор отрицательной ветви может формировать сплошной выходной пучок, выходящий лишь с одной стороны, как результат замены левого на правое (инверсия), происходящей в общей фокальной плоскости двух вогнутых зеркал резонатора.

Пучок лазерного излучения, распространяющийся по волноводу между зеркалами неустойчивого резонатора отрицательной ветви, при каждом прохождении через точку фокуса (фокальную "перетяжку" пучка) переворачивается в сечении так, что лучи пучка, распространяющиеся с одной стороны от оси резонатора, после прохождения точки фокуса оказываются с другой стороны от этой оси (являющейся общей нормалью к поверхностям обоих зеркал). Благодаря такому попеременному прохождению лазерного излучения то с одной, то с другой стороны от оси резонатора, при величине |M| порядка 1,2-1,5 происходит эффективная компенсация разъюстировок, обусловленных отклонением углового положения зеркал резонатора в плоскости, параллельной электродам, а также эффективная компенсация оптических неоднородностей типа клина в активной среде, что делает резонатор малочувствительным к таким разъюстировкам и оптическим неоднородностям [6, 7].

Для обеспечения одностороннего вывода излучения из гибридного неустойчивого резонатора отрицательной ветви, выполненного по патенту '048 [25], размеры одного из зеркал резонатора выбирают так, что расстояние от оси резонатора до противоположных краев этого зеркала в плоскости, параллельной отражающим поверхностям электродов, отличаются более чем в |М| раз. Размеры другого зеркала резонатора выбирают достаточно большими, чтобы оно не ограничивало расширение пучка в волноводе. При этом излучение, которое распространяется по резонатору с той стороны от его оси, которая противоположна стороне вывода излучения, вследствие переворота сечения пучка, происходящего в фокальной перетяжке, при очередном проходе резонатора попадает на сторону вывода излучения и выводится из резонатора в виде полезного выходного пучка. Благодаря этому выходной пучок лазера представляет собой единый пучок сплошного сечения, выходящий из резонатора только с одной его стороны, несмотря на свободное расширение пучка в резонаторе в двух противоположных направлениях. Таким образом, наличие фокальной перетяжки в неустойчивом резонаторе отрицательной ветви обеспечивает уменьшение пассивных потерь излучения из этого резонатора, по сравнению с “половинным” неустойчивым резонатором положительной ветви, в котором расширение пучка в двух противоположных направлениях неизбежно приводит к потерям излучения из резонатора с той его стороны, которая противоположна стороне вывода полезного выходного пучка.

Однако наличие фокальной перетяжки в объеме газовой активной среды в неустойчивом резонаторе отрицательной ветви может приводить, вследствие высокой локальной плотности мощности излучения, к нежелательным нелинейным эффектам в активной среде и к пробою газа, особенно в мощных импульсных лазерах. Кроме того, эффективность использования объема активной среды в таком резонаторе понижена по сравнению с резонатором положительной ветви вследствие неравномерного заполнения активной среды пучком излучения. Уменьшение габаритов лазера, которое обычно достигается путем излома оптической оси лазерного резонатора с помощью дополнительного зеркала, в этом случае также затруднено, поскольку зеркало, помещаемое в резонатор отрицательной ветви для излома его оси, оказывается вблизи от фокальной перетяжки и при повышении мощности лазера не выдерживает действия мощного излучения. Кроме того, зеркала неустойчивого резонатора отрицательной ветви должны иметь большую кривизну - их радиусы кривизны по порядку величины должны быть равны расстоянию между зеркалами. В результате для уменьшения влияния кривизны этих зеркал на формирование поля по высоте волновода, т.е. в направлении нормалей к поверхностям электродов, приходится применять зеркала сложной формы с разной кривизной в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, либо принимать специальные меры для согласования волновых фронтов, вследствие чего, как указано в патенте США №5123028 [36], в резонаторе возникают дополнительные потери. Кроме того, при значительном увеличении ширины электродов увеличение ширины зеркал, имеющих большую кривизну, сопровождается быстрым ростом сферической аберрации, приводящей к существенному увеличению расходимости излучения, что также затрудняет использование неустойчивых резонаторов отрицательной ветви в мощных волноводных лазерах.

Действительно, как видно из фиг.4 в патенте США '048 [25], в той области, где резонатор отрицательной ветви имеет преимущество перед резонатором положительной ветви, уровень выходной мощности является сравнительно низким. В настоящее время получены некоторые свидетельства того, что при уровне мощности в несколько кВт в таких СО₂ слэб-лазерах наблюдается существенная нестабильность направления выходного пучка, которая может быть вызвана нагревом газа или другими нелинейными эффектами в общей фокальной области пары софокусных зеркал.

В патенте США №5097479 [23] был предложен широкоапертурный волноводный газовый лазер с кольцевым неустойчивым резонатором положительной ветви, снабженный средствами для осуществления однонаправленной генерации в резонаторе [23, фиг.10, элемент 80]. Данный вариант выполнения волноводного газового лазера накачивается высокочастотной мощностью, приложенной к паре отстоящих друг от друга электродов. Вследствие того, что в данном кольцевом резонаторе используются только два внутрирезонаторных зеркала, полный обход по кольцевому резонатору может осуществляться лишь за счет последовательности распределенных отражений в точно изогнутой разветвленной волноводной структуре. В этой, состоящей из двух ветвей волноводной структуре формируется кольцевой неустойчивый оптический резонатор с замкнутым осевым контуром, обеспечивающий вывод из лазера выходного пучка сплошного поперечного сечения.

Кольцевой резонатор, предложенный в '479 [23], образован путем объединения в один оптический блок двух примыкающих друг к другу изогнутых точным образом отрезков оптического волновода. Обе половины криволинейной разветвляющейся волноводной структуры связаны между собой оптически с помощью пары зеркал, расположенных на концах отрезков таким образом, что они направляют излучение, падающее на зеркало, из одного отрезка волновода в другой его отрезок.

Каждое из зеркал таким образом обеспечивает поворот падающего на него пучка излучения в плоскости, поперечной стенкам волновода. Тем самым пара зеркал и два изогнутых отрезка волновода обеспечивают в данном лазере формирование кольцевого резонатора с замкнутым осевым контуром, лежащим в плоскости, которая пересекает стенки волновода по существу под прямым углом. Формирование кольцевого резонатора в этой плоскости обеспечивает компактную конструкцию лазера, поскольку указанные отрезки волноводов имеют малую, по сравнению с шириной и длиной, высоту.

Однако, поскольку создание любого типа резонатора бегущей волны невозможно с использованием лишь двух зеркал, оптический тракт кольцевого резонатора должен обеспечиваться правильным выбором кривизны волновода, одинаковой с высокой точностью для обоих отрезков волновода. Очевидно, что распределенные отражения излучения в этих двух разветвляющихся отрезках волновода добавляют значительные внутрирезонаторные потери, а надлежащая организация этих отражений приводит к существенному усложнению процесса изготовления лазера. Это становится особенно понятным, если вспомнить, что один из электродов слэб-лазера с высокочастотной накачкой должен находиться под высоким высокочастотным потенциалом. Подводя баланс, следует взвесить на весах, с одной стороны, очевидную простоту использования лишь двух зеркал для организации кольцевого резонатора и, с другой стороны, сложности, вытекающие из требования достижения очень низких распределенных потерь мощности при организации отражений в обоих изогнутых отрезках волновода. Надо отметить, что малая величина этих распределенных потерь должна быть достигнута в условиях удержания высоковольтного высокочастотного электрода от закорачивания его на заземленный электрод. Кроме того, для того, чтобы обеспечить односторонний вывод пучка из указанного кольцевого неустойчивого резонатора, осевой контур этого резонатора должен быть сдвинут таким образом, чтобы он проходил вблизи от одного из открытых краев межэлектродного промежутка. Как видно из оптической схемы, приведенной в '479 [23], данный подход к созданию гибридного резонатора не может быть применен к плоским волноводам или плоским направляющим излучение структурам, поскольку в нем используются лишь два оптических элемента. Еще один недостаток состоит в том, что этот кольцевой резонатор не может быть сделан асимметричным из-за наличия разветвляющейся волноводной структуры.

Вследствие того, что неустойчивый резонатор бегущей волны, выполненный в соответствии с '479 [23], не имеет фокальных перетяжек внутри резонатора, односторонний дифракционный вывод излучения из лазера обеспечивается лишь за счет смещения осевого контура к одному из открытых краев разрядного промежутка.

Следовательно, такому лазеру присущи рассмотренные выше недостатки, свойственные лазерам с “половинным” неустойчивым резонатором положительной ветви. К ним относятся высокая чувствительность к разъюстировкам зеркал резонатора и оптическим неоднородностям типа клина в активной среде, а также бесполезные потери излучения из резонатора с той его стороны, к которой смещена ось резонатора, при выводе излучения из резонатора в виде одного пучка.

Подводя итог, следует сказать, что неустойчивый резонатор бегущей волны с разветвленным волноводом, предложенный в '479 [23], скорее добавляет, нежели устраняет трудности создания по сравнению с другими слэб-лазерами однощелевого типа, использующими гибридный резонатор.

Сущность изобретения

Главной целью настоящего изобретения применительно к мощным газовым лазерам с высокочастотным возбуждением и диффузионным охлаждением является создание гибридной кольцевой резонаторной системы, характеризующейся пониженной чувствительностью к разъюстировкам зеркал лазерного резонатора и оптическим неоднородностям типа клина в активной среде, а также уменьшенными бесполезными потерями излучения из резонатора при осуществлении вывода излучения из резонатора в виде одного пучка сплошного сечения.

Указанная цель достигается тем, что в газовом лазере с высокочастотным возбуждением и столкновительным (диффузионным) механизмом охлаждения, содержащем пару разделенных промежутком охлаждающих элементов, каждый из которых имеет протяженную поверхность, расположенных так, что их противолежащие поверхности образуют световод для оптического излучения в промежутке между этими поверхностями, газовую среду, помещенную в указанный промежуток для генерации лазерного излучения при возбуждении этой среды электрическим разрядом путем подвода к ней высокочастотной электрической мощности, и зеркала, образующие кольцевой оптический резонатор бегущей волны, имеющий замкнутый осевой контур, для формирования в указанном световоде пучка лазерного излучения, согласно изобретению, указанные зеркала расположены так, что указанный осевой контур образуемого ими резонатора лежит по существу в плоскости, проходящей между указанными поверхностями, образующими световод для оптического излучения, и обращенной своими сторонами к указанным поверхностям охлаждающих элементов, при этом указанный кольцевой резонатор бегущей волны является неустойчивым в указанной плоскости, так что часть указанного пучка, расширяющегося в указанном резонаторе, выводится в виде выходного пучка сплошного сечения, кривизны зеркал и число этих зеркал таковы, что любой луч, принадлежащий пучку лазерного излучения, распространяющемуся по световоду, и находящийся с внутренней стороны от осевого контура резонатора, после полного обхода резонатора оказывается с внешней стороны от осевого контура резонатора, а любой луч, принадлежащий пучку лазерного излучения, распространяющемуся по световоду, и находящийся с внешней стороны от осевого контура резонатора, после полного обхода резонатора оказывается с внутренней стороны от осевого контура резонатора.

Прохождение замкнутого осевого контура кольцевого резонатора в плоскости, лежащей между поверхностями охлаждающих элементов, означает, что каждое из зеркал этого кольцевого резонатора обеспечивает, при отражении от него пучка излучения, поворот пучка излучения в указанной плоскости. В результате каждого такого поворота пучка та часть пучка, которая распространялась по световоду с внутренней стороны от замкнутого осевого контура резонатора, оказывается с внешней стороны от этого контура и наоборот. Благодаря такому "перевороту" пучка каждым из зеркал, при соответствующем выборе их числа и кривизны, после полного обхода резонатора любой луч пучка лазерного излучения, распространяющийся по световоду с внутренней стороны от осевого контура резонатора, окажется с внешней стороны от осевого контура резонатора. И наоборот, любой луч пучка лазерного излучения, распространяющийся по световоду с внешней стороны от осевого контура резонатора, окажется с внутренней стороны от осевого контура резонатора, т.е. любой луч, проходящий на расстоянии от осевого контура резонатора, после обхода резонатора поменяет свое положение относительно этого осевого контура в той плоскости, в которой расширение излучения происходит как в свободном пространстве.

Тем самым в предложенном кольцевом резонаторе бегущей волны обеспечивается попеременное прохождение лучей пучка лазерного излучения, лежащих в указанной плоскости, то с одной, то с другой стороны от осевого контура кольцевого резонатора. Расположение осевого контура кольцевого резонатора в плоскости, лежащей между поверхностями отражающих элементов, или по существу в этой плоскости является для неустойчивых кольцевых резонаторов положительной ветви необходимым условием снижения чувствительности резонатора к клиновым возмущениям, имеющимся в резонаторе и ориентированным в этой плоскости. Если осевой контур резонатора лежит в поперечной плоскости, т.е. в плоскости, поперечной поверхностям охлаждающих элементов, как, например, в лазере с неустойчивым кольцевым резонатором положительной ветви, выполненном согласно патенту США №5097479 [23], то отражения пучка от зеркал резонатора не обеспечивают такой "переворот" этого пучка в плоскости свободного расширения пучка, который необходим для снижения чувствительности резонатора к клиновым возмущениям в указанной плоскости.

Благодаря попеременному прохождению лучей пучка лазерного излучения то с одной, то с другой стороны от осевого контура кольцевого резонатора, в лазере, выполненном согласно изобретению, обеспечивается компенсация разъюстировок, обусловленных отклонением угловых положений зеркал резонатора в плоскости, проходящей между электродами, а также компенсация оптических неоднородностей типа клина в активной среде. Поэтому предложенный лазер относительно малочувствителен к таким разъюстировкам зеркал резонатора и оптическим неоднородностям, по сравнению с известными лазерами с гибридным резонатором положительной ветви, в которых осевой контур неустойчивого кольцевого резонатора лежит в плоскости, перпендикулярной поверхностям электродов, вследствие чего не обеспечивается снижение чувствительности резонатора к клиновым возмущениям, ориентированным в плоскости свободного расширения пучка.

Кроме того, благодаря попеременному прохождению лучей пучка лазерного излучения то с одной, то с другой стороны от осевого контура кольцевого резонатора, в предложенном лазере выходной пучок сплошного сечения выводится из резонатора лишь с одной стороны от осевого контура, несмотря на то, что свободное расширение пучка в резонаторе происходит в обоих противоположных направлениях, в которых это расширение не ограничено поверхностями электродов. Например, часть лазерного пучка, распространяющаяся по внутреннему краю резонатора, т.е. с внутренней от осевого контура стороны, переходит после обхода резонатора на его внешнюю сторону, где может быть выведена из резонатора в виде полезного выходного пучка. Бесполезные потери излучения из резонатора с внутренней стороны от осевого контура при этом практически исключаются. Таким образом, согласно изобретению, обеспечивается уменьшение бесполезных потерь излучения из резонатора, по сравнению с известными кольцевыми неустойчивыми резонаторами положительной ветви, в которых осевой контур лежит в плоскости, поперечной по отношению к поверхности электродов, и вследствие этого расширение пучка в две противоположные стороны приводит к бесполезным потерям излучения из резонатора с той его стороны, которая противоположна стороне вывода выходного пучка сплошного сечения из резонатора.

В отличие от известного ранее волноводного лазера с линейным неустойчивым резонатором отрицательной ветви, в предложенном лазере, благодаря использованию кольцевого резонатора бегущей волны положительной ветви с осевым контуром, лежащим в плоскости, проходящей между поверхностями охлаждающих элементов, обеспечение попеременного прохождения лучей пучка с разных сторон от осевого контура не требует использования фокальной перетяжки пучка в резонаторе. Поскольку лазер, выполненный согласно изобретению, не требует использования фокальной перетяжки пучка, в этом лазере предотвращаются вызываемые такой перетяжкой нежелательные нелинейные эффекты и пробои в активной среде. Кроме того, в предлагаемом лазере может быть обеспечена высокая эффективность использования объема активной среды благодаря ее равномерному заполнению лазерным излучением. Облегчается также уменьшение габаритов лазера путем излома оптической оси лазерного резонатора. Кроме того, не требуется использовать сферические зеркала большой кривизны и применять соответствующие меры для уменьшения влияния этих зеркал на формирование поля по высоте волновода.

В предпочтительном варианте выполнения предложенного лазера число указанных зеркал, образующих кольцевой резонатор, является нечетным, а величины их кривизны таковы, что распространяющийся по волноводу пучок лазерного излучения не имеет фокальных перетяжек. Если в пучке лазерного излучения отсутствуют фокальные перетяжки, то для обеспечения надлежащего переворота пучка при полном обходе резонатора число зеркал, образующих кольцевой резонатор, должно быть нечетным.

В соответствии с данным изобретением только одно из зеркал кольцевого резонатора необходимо выполнить выпуклым для обеспечения требуемого увеличения неустойчивого резонатора. В данной реализации, из соображений простоты конструкции и уменьшения стоимости, остальные зеркала, образующие резонатор, могут быть плоскими.

В другом варианте выполнения изобретения одно из зеркал кольцевого резонатора может быть выполнено выпуклым, другое - вогнутым, а остальные зеркала могут быть плоскими. Использование в кольцевом резонаторе, по меньшей мере, одного вогнутого зеркала упрощает формирование на выходе лазера волнового фронта с требуемой кривизной.

По сравнению со слэб-лазером, выполненным в соответствии с предшествующим патентом '479 [23], в предпочтительном варианте выполнения предложенного лазера указанные поверхности охлаждающих элементов являются по существу плоскопараллельными. Это упрощает конструкцию лазера, а также позволяет повысить его эффективность по сравнению с лазером, содержащим криволинейные отрезки волноводов. Последнее соображение очевидно, поскольку введение в состав лазера криволинейных отрезков волновода обычно приводит к “прижатию” поля волноводной моды к электроду, обращенному к разрядному промежутку своей вогнутой поверхностью, в результате чего часть возбужденной активной среды, расположенная вблизи противоположного электрода, используется менее эффективно.

В предпочтительном варианте выполнения предложенного лазера расстояния от точки пересечения осевого контура резонатора с поверхностью каждого из зеркал, образующих резонатор, до краев этих зеркал являются такими, чтобы обеспечить вывод излучения из резонатора в виде единственного пучка сплошного сечения около одного из краев одного из указанных зеркал и тем самым ограничение расширения пучка в резонаторе.

Однако в других вариантах выполнения изобретения резонатор может быть снабжен средством отклонения части излучения, примыкающей к краю пучка лазерного излучения, формируемого зеркалами оптического резонатора, для вывода этой части излучения из резонатора и ограничения тем самым расширения пучка в резонаторе.

Предложенный лазер предпочтительно включает средства, обеспечивающие преимущественное распространение излучения по кольцевому резонатору в одном из двух возможных противоположных направлений обхода этого резонатора. Такие средства позволяют обеспечить по существу однонаправленную генерацию излучения в кольцевом лазерном резонаторе бегущей волны, что дает возможность получить максимальную мощность излучения в одном компактном выходном пучке.

Указанные средства, обеспечивающие преимущественное распространение излучения в одном из двух направлений, могут содержать зеркало обратной связи (возвратное зеркало), установленное так, что оно по существу не влияет на излучение, распространяющееся по резонатору в первом из двух направлений, но отражает в обратном направлении, по меньшей мере, часть излучения, распространяющегося по резонатору во втором направлении, противоположном первому, так, что эта, по меньшей мере, часть излучения направляется по резонатору в первом направлении.

В другом возможном варианте осуществления изобретения в одном из зеркал резонатора в точке пересечения его поверхности с осевым контуром резонатора может быть выполнено отверстие, а указанные средства, обеспечивающие преимущественное распространение излучения в одном из двух направлений, могут при этом включать зеркало обратной связи, установленное за этим отверстием так, что оно отражает в обратном направлении прошедшую через указанное отверстие часть излучения, распространяющегося по резонатору во втором направлении, так, что эта часть излучения проходит через указанное отверстие и направляется по резонатору в первом направлении.

Благодаря зеркалу обратной связи, между двумя распространяющимися навстречу друг другу волнами вносится связь, приводящая к дополнительному усилению одной из этих волн. В результате конкуренции мод в усиливающей среде на стадии возникновения генерации в резонаторе создаются преимущественные условия для пучка, распространяющегося в первом направлении, и лазер начинает работать по существу в однонаправленном режиме.

В еще одном варианте выполнения настоящего изобретения излучение маломощного лазера может инжектироваться в лазер высокой мощности, с тем чтобы когерентное излучение маломощного лазера определяло длину волны излучения мощного лазера. В одной из схем выполнения выходной пучок маломощного лазера может вводиться в плоскости выходного зеркала мощного лазера в обратном направлении. В другом варианте маломощное излучение может вводиться в резонатор мощного лазера с помощью отверстия в одном из зеркал неустойчивого резонатора. В любом из этих вариантов выполнения настоящего изобретения маломощный лазер будет оптически развязан по направлению от излучения, распространяющегося в мощном лазере.

Параметры световода в вариантах, рассмотренных выше в общем виде, и, следовательно, режим распространения излучения в световоде могут быть различными. В некоторых вариантах выполнения указанный кольцевой резонатор бегущей волны может быть устойчивым в направлении, перпендикулярном указанной плоскости осевого контура резонатора, так что пучок излучения практически не направляется поверхностями охлаждающих элементов.

В других вариантах указанные охлаждающие элементы могут быть расположены так, что они определяют волноводный режим распространения излучения в указанном световоде.

Краткое описание чертежей

Изобретение иллюстрируется чертежами, на которых:

на фиг.1 в перспективе показан газовый лазер с диффузионным охлаждением, выполненный согласно одному из вариантов осуществления изобретения;

на фиг.2 представлен вид сверху, в разрезе по межэлектродному промежутку, лазера с диффузионным охлаждением, показанного на фиг.1;

на фиг.3 показан другой вариант выполнения газового лазера с диффузионным охлаждением согласно изобретению;

на фиг.4 показан еще один вариант выполнения газового лазера с диффузионным охлаждением согласно изобретению;

на фиг.5а и 5b пояснена одна из возможных схем обеспечения однонаправленной генерации в газовом лазере с диффузионным охлаждением, выполненном согласно изобретению;

на фиг.6 показан еще один вариант выполнения газового лазера с диффузионным охлаждением согласно изобретению, имеющий 5 зеркал.

В обычных волноводных слэб-лазерах охлаждающие элементы одновременно играют роль электродов. В слайс-лазерах разряд возбуждается дополнительными электродами (на чертежах не показаны).

Чертежи даны без соблюдения масштабных соотношений между размерами элементов лазера для более ясного представления изобретения.

Описание вариантов осуществления изобретения

Газовый лазер с высокочастотным возбуждением и диффузионным (столкновительным) охлаждением, показанный на фиг.1, содержит пару охлаждающих элементов 1 и 2, разделенных промежутком 3, в который помещена газовая активная среда (не показана), например типичная газовая среда волноводного СО₂-лазера, включающая СО₂, N₂, Не и другие газы.

Противолежащие поверхности охлаждающих элементов 1 и 2 расположены достаточно близко друг к другу, так что они образуют световод для распространения оптического излучения. Электроды соединены с высокочастотным генератором (не показан) для подачи высокочастотной мощности накачки в активную среду. Охлаждающие элементы 1 и 2 могут также быть снабжены средствами охлаждения (не показаны) для улучшения отвода тепла от охлаждающих элементов.

Внешний контур каждого из охлаждающих элементов 1, 2 имеет форму треугольника со срезанными вершинами, около которых, в непосредственной близости от внешнего края межэлектродного промежутка 3, установлены зеркала 4, 5 и 6, образующие неустойчивый кольцевой оптический резонатор бегущей волны положительной ветви, замкнутый осевой контур которого лежит в плоскости, проходящей между поверхностями охлаждающих элементов 1 и 2 и обращенной к ним своими противоположными сторонами.

Как показано на фиг.2, для формирования кольцевого оптического резонатора зеркала 4, 5 и 6 установлены друг относительно друга так, что они замыкают треугольный осевой контур (показан штрихпунктирной линией). Биссектрисы углов при вершинах этого треугольного контура (показаны пунктирными линиями) являются одновременно нормалями к поверхностям зеркал. Таким образом, угол падения осевого луча, падающего на зеркало, равен углу отражения для каждого из зеркал. Осевой контур резонатора, показанного на фиг.1 и 2, лежит в срединной плоскости (плоскости симметрии), равноудаленной от противолежащих поверхностей охлаждающих элементов 1 и 2, образующих световод.

Как можно видеть на фиг.1 и 2, формирование замкнутого осевого контура кольцевого резонатора в плоскости, проходящей между поверхностями охлаждающих элементов, позволяет обеспечить достаточно компактную, по сравнению с известными линейными резонаторами, конструкцию при равной площади этих элементов. При этом, поскольку в плоскости, проходящей между поверхностями охлаждающих элементов 1 и 2, распространение лазерного излучения ничем не ограничено, возможность дополнительного поворота излучения в этой плоскости путем изгиба стенок волновода по существу отсутствует, и, следовательно, отсутствуют дополнительные распределенные потери на изогнутых стенках волновода, имеющие место в известных прототипах.

Поэтому в сравнении с известным устройством, выполненным в соответствии с '479, где используются два зеркала и две сложные и точно изогнутые волноводные поверхности, а формирование замкнутого контура кольцевого резонатора происходит за счет распределенных отражений от четырех изогнутых стенок волновода, в настоящем изобретении для осуществления кругового прохода излучения по резонатору используются три зеркала и простейший резонаторный осевой контур. За счет исключения распределенных отражений при распространении вдоль изогнутых поверхностей волновода и замены их отражением от единственного внутрирезонаторного оптического элемента резонатор, выполненный в соответствии с настоящим изобретением, будет иметь значительно меньшие внутрирезонаторные потери по сравнению с потерями известного кольцевого резонатора, использующего два зеркала. Кроме того, даже в трехзеркальном исполнении кольцевого резонатора, в настоящем изобретении расширяющая пучок часть резонатора может включать, например, зеркала 5 и 6 на фиг.2. Это позволяет сделать кольцевой резонатор, выполненный в соответствии с изобретением, конфокальным и асимметричным. Это невозможно сделать в известном двухзеркальном симметричном устройстве, выполненном в соответствии с '479 [23]. И наконец, смена левого на правое, т.е. инверсия пучка излучения внутри резонатора, в настоящем изобретении может быть осуществлена без использования фокальной перетяжки внутри резонатора, которая является необходимой для этого в известных линейных неустойчивых резонаторах.

Для того, чтобы кольцевой оптический резонатор бегущей волны, показанный на фиг.2, являлся неустойчивым резонатором положительной ветви, в данном примере осуществления изобретения зеркало 4 выполнено выпуклым, зеркала 5 и 6 являются плоскими. Выпуклое зеркало 4 может быть, например, сферическим с радиусом кривизны R, выбранным так, чтобы обеспечить оптимальное увеличение М неустойчивого резонатора. Увеличение показанного на фиг.2 кольцевого резонатора (которое примерно совпадает с увеличением поперечного размера пучка в плоскости симметрии волновода при полном обходе этого кольцевого резонатора) определяется, при достаточно малом угле падения пучков на выпуклое зеркало, выражением

где L - половина длины осевого контура резонатора. Увеличение М неустойчивого резонатора обычно выбирается так, чтобы обеспечить оптимальную эффективность съема энергии в активной среде лазера. Для определения оптимального значения М могут быть использованы известные способы расчета параметров неустойчивых резонаторов в волноводных газовых лазерах. В типичном волноводном СО₂-лазере с диффузионным охлаждением, имеющем зазор между электродами 2 мм при длине осевого контура 3,5 м и частоте накачки 81 МГц, оптимальное значение М может составлять, например, порядка 1,3-1,4.

Расстояния от точки пересечения осевого контура резонатора с поверхностью каждого из зеркал 4, 5 и 6, образующих резонатор, до краев этих зеркал являются такими, чтобы обеспечить вывод излучения из резонатора в виде единственного пучка сплошного сечения около края одного из зеркал, например края 6а зеркала 6, и ограничение тем самым расширения пучка в резонаторе.

Так, размеры зеркал 4, 5 и 6 в направлении нормалей к поверхностям охлаждающих элементов приблизительно соответствуют размеру промежутка между ними или несколько превышают его, во избежание утечки лазерного излучения за края зеркал. В направлении, поперечном указанным нормалям, размер зеркала 6 выбран таким образом, что измеренное в плоскости симметрии волновода расстояние от точки пересечения осевого контура резонатора с поверхностью зеркала 6 до первого края 6а этого зеркала меньше расстояния до второго края 6b этого зеркала не менее чем в М раз. Размеры остальных зеркал 4 и 5 в указанном поперечном направлении достаточно велики, чтобы пучок лазерного излучения, распространяющийся в резонаторе и падающий на эти зеркала, не выходил за их края, т.е. чтобы они не ограничивали расширения пучка в резонаторе.

Показанный на фиг.1 лазер также включает средства, обеспечивающие преимущественное распространение излучения в одном из двух возможных противоположных направлений обхода резонатора, в данном примере - по часовой стрелке. Для этого в зеркале 4 на оси резонатора выполнено отверстие 8 небольшого размера (в типичных условиях СО₂-лазера размер отверстия может быть равен, например, 1 мм). Отверстие 8 ориентировано так, что продолжение участка оси резонатора, идущего от зеркала 5 к зеркалу 4, т.е. в направлении обхода резонатора против часовой стрелки, проходит через это отверстие. За этим отверстием 8, с обратной стороны от отражающей поверхности зеркала 4, установлено небольшое плоское зеркало 9 обратной связи, пересекающее указанное продолжение участка оси резонатора и ориентированное поперечно ему. Зеркало 9 съюстировано таким образом, чтобы волна, распространяющаяся в резонаторе против часовой стрелки, проходя через отверстие 8, отражалась от зеркала 9, снова проходила через отверстие 8 обратно в резонатор и суммировалась там с волной, распространяющейся в резонаторе по часовой стрелке.

Показанный на фиг.1 и 2 лазер включает также средство отклонения выходного лазерного пучка в требуемом направлении, образованное плоским зеркалом 10, а также вогнутое зеркало 11, служащее для придания волновому фронту пучка требуемой кривизны.

Конструкция лазера, показанная на фиг.1 и 2, приведена только в качестве примера. Так, например, в других вариантах выполнения изобретения более чем одно из зеркал, образующих кольцевой резонатор, могут быть выполнены выпуклыми. Одно или несколько из зеркал резонатора могут быть выполнены вогнутыми для коллимирования выходного пучка или придания его волновому фронту требуемой кривизны.

Число зеркал, образующих кольцевой резонатор, в лазере, выполненном согласно изобретению, может быть более трех. Например, в волноводном газовом лазере, схематически показанном на фиг.3, число зеркал, образующих кольцевой резонатор, равно четырем, при этом зеркала 12, 13 являются вогнутыми, а зеркала 14, 15 - выпуклыми.

В газовом лазере с диффузионным охлаждением, схематически представленном на фиг.6, число зеркал в кольцевом резонаторе бегущей волны равно пяти (зеркала 21-25). Кривизна зеркал и их размеры выбраны так, чтобы кольцевой резонатор, будучи неустойчивым в плоскости, лежащей между поверхностями охлаждающих элементов, имел требуемое увеличение М, а распределение поля излучения внутри резонатора обеспечивало хорошее заполнение активной среды 26. В варианте выполнения изобретения, показанном на фиг.6, зеркала 21 и 24 являются выпуклыми, зеркала 22, 23 являются вогнутыми, а зеркало 25 плоское.

Следует также отметить, что, по меньшей мере, некоторые из зеркал, образующих кольцевой резонатор, могут представлять собой не отдельные элементы, как показано на приложенных чертежах, а участки единой зеркальной поверхности. Кроме того, помимо зеркал кольцевой резонатор может включать другие известные элементы, используемые для формирования таких резонаторов.

Охлаждающие элементы 1 и 2 не обязательно должны быть плоскопараллельными. Например, поверхности охлаждающих элементов 1 и 2 могут иметь некоторый изгиб противоположного знака в плоскости, поперечной стенкам световода и проходящей через отрезки осевого контура. Замкнутый осевой контур резонатора в этом случае по-прежнему лежит по существу в одной плоскости, как в рассмотренном выше примере осуществления изобретения. В других вариантах выполнения изобретения расстояние между охлаждающими элементами может изменяться в зависимости от поперечных координат с целью управления кривизной волнового фронта пучка в плоскости симметрии волновода.

Очевидно также, что осевой контур кольцевого резонатора бегущей волны может в небольших пределах отклоняться от плоскости, проходящей между поверхностями охлаждающих элементов, пока такое отклонение не приводит к существенному ухудшению выходных параметров лазера.

Охлаждающие элементы также могут быть выполнены из отдельных секций. Когда охлаждающие элементы используются в качестве электродов, мощность накачки может подводиться к каждой из секций отдельно, как это делается в известных волноводных слэб-лазерах с высокочастотным возбуждением или слайс-лазерах.

Вывод лазерного излучения из резонатора не обязательно должен обеспечиваться около края одного из зеркал, как показано на фиг.1-3. Например, в выполненном согласно изобретению газовом лазере с диффузионным охлаждением, схематически показанном на фиг.4, резонатор снабжен отдельным средством вывода излучения из резонатора в виде зеркала 16, установленного с внешней стороны от осевого контура резонатора.

Обеспечение однонаправленной генерации в кольцевом резонаторе не требует обязательного использования отверстий в зеркалах резонатора. Так, в волноводном газовом лазере, схематически показанном на фиг.5а и фиг.5b, зеркало 17 обратной связи расположено за выводным зеркалом резонатора вблизи его края, в области "тени" для волны, распространяющейся в резонаторе по часовой стрелке. В то же время зеркало 17 обратной связи отъюстировано так, чтобы отражать в обратном направлении падающую на него волну, идущую по резонатору против часовой стрелки. В качестве выводного зеркала, около края которого излучение выводится из резонатора, в данном примере осуществления изобретения использовано выпуклое зеркало 4.

В варианте выполнения изобретения, представленном схематически на фиг.6, показана другая возможная схема введения обратной связи, в которой в тракте обратной связи используются промежуточное зеркало 27 и двугранный уголковый отражатель 28. Как показано на фиг.6, полированная боковая поверхность зеркала 21 используется как зеркало 27, направляющее обратно в резонатор падающее на него излучение 20, распространяющееся против часовой стрелки, после его отражения от размещенного соответствующим образом двугранного уголкового отражателя 28.

При работе кольцевого лазера бегущей волны с диффузионным охлаждением, показанного на фиг.1 и 2, для возбуждения газовой активной среды электрическим разрядом с помощью внешнего генератора к среде подводят высокочастотную мощность накачки. В случае обычного волноводного лазера это делается с помощью охлаждающих элементов 1 и 2, которые выполняются в этом случае из проводящего материала и играют роль электродов. Для того, чтобы при этом не накачивать области, не заполненные излучением, и, таким образом, повысить эффективность лазера, в одном из электродов может быть выполнена выемка 7, препятствующая возбуждению разряда в области выемки.

При работе слайс-лазера с резонатором бегущей волны, показанным на фиг.1 и 2, высокочастотную мощность (или ее комбинацию с мощностью постоянного тока) подводят к дополнительным электродам (не показанным на фигурах). В обоих случаях при возбуждении активной среды генерируется оптическое излучение, распространяющееся в волноводе (световоде), образованном промежутком между противолежащими поверхностями охлаждающих элементов 1 и 2. Излучение, направление распространения которого совпадает с направлением осевого контура кольцевого резонатора, распространяется вдоль этого контура по замкнутой траектории, усиливаясь в активной среде, что приводит к самовозбуждению пучка лазерного излучения вблизи осевого контура резонатора. При распространении по неустойчивому кольцевому резонатору ширина этого пучка лазерного излучения в срединной плоскости между охлаждающими элементами (в плоскости чертежа фиг.2) увеличивается в М раз при каждом полном обходе резонатора благодаря кривизне выпуклого зеркала 4, т.е. пучок излучения расширяется как в свободном пространстве. В направлениях, поперечных к поверхностям охлаждающих элементов, расширение пучка ограничивается этими поверхностями, в результате чего формируется основная волноводная мода или гауссова мода, в зависимости от высоты световода.

Каждое из трех зеркал 4, 5 и 6 резонатора обеспечивает поворот пучка лазерного излучения в плоскости симметрии световода, проходящей между указанными электродами. В результате каждого такого поворота любой луч пучка меняет свое положение по отношению к осевому контуру резонатора на противоположное. В промежутках между зеркалами 4, 5 и 6 не происходит никаких переворотов пучка, так как в этом резонаторе отсутствуют вогнутые зеркала и, следовательно, нет фокальных перетяжек пучка. Поскольку число зеркал в таком резонаторе является нечетным, то любой луч, распространяющийся по волноводу по одну сторону от осевого контура резонатора, после полного обхода резонатора оказывается по другую сторону от осевого контура резонатора. Как, например, показано на фиг.2, луч, проходящий по волноводу по часовой стрелке через точку А, находящуюся с внутренней стороны от осевого контура, после полного обхода резонатора, в результате последовательного отражения от зеркал 5, 6 и 4, оказывается в точке В, находящейся с внешней стороны от осевого контура.

Ширина распространяющегося по неустойчивому кольцевому резонатору пучка лазерного излучения увеличивается в плоскости симметрии волновода при каждом полном обходе резонатора в М раз до тех пор, пока после очередного обхода резонатора один из краев пучка не выходит, как показано на фиг.2, за край 6а зеркала 6. Однако при этом излучение не выходит за другой край 6b этого зеркала 6, поскольку расстояние от осевого контура до края 6b, по меньшей мере, в М раз больше, чем расстояние от осевого контура до края 6а. После следующего полного прохода пучка по резонатору и повторного увеличения в М раз ширины пучка та часть пучка лазерного излучения, которая находилась около второго края 6b зеркала 6, благодаря перевороту пучка в кольцевом резонаторе, выполненном согласно изобретению, окажется с другой стороны от осевого контура, выйдет за первый край 6а зеркала 6 и будет выведена из резонатора. Таким образом, вывод излучения из резонатора около первого края 6а зеркала 6 приводит к ограничению дальнейшего расширения пучка в обоих противоположных направлениях, в которых он расширяется как в свободном пространстве. При этом края остальных зеркал 4 и 5 достаточно удалены от осевого контура резонатора, чтобы распространяющийся в резонаторе пучок не выходил за края этих зеркал, что обеспечивает вывод излучения из резонатора в виде одного пучка, а не двух или более. Часть расширенного пучка, вышедшая за край 6а зеркала 6, после последовательного отражения от зеркал 10 и 11 выводится из лазера в виде выходного пучка 18 сплошного сечения, близкого к прямоугольному. Кривизна вогнутого зеркала 11 обеспечивает коллимацию выходного пучка в поперечной плоскости или, если это необходимо, формирование сходящегося пучка из расходящегося пучка, выходящего из кольцевого неустойчивого резонатора.

Таким образом, в предложенном лазере, выполненном как показано на фиг.1 и 2, односторонний вывод излучения из резонатора осуществляется благодаря попеременному прохождению лучей, образующих лазерный пучок, с разных сторон от осевого контура резонатора, аналогично тому, как в линейных неустойчивых резонаторах отрицательной ветви односторонний вывод излучения обеспечивается благодаря попеременному прохождению лучей с разных сторон от оси линейного резонатора. В линейных неустойчивых резонаторах отрицательной ветви это позволяет избежать бесполезных потерь излучения из резонатора, имеющих место в “половинном” неустойчивом резонаторе положительной ветви с односторонним выводом излучения. В то же время, в отличие от известных линейных неустойчивых резонаторов отрицательной ветви, переворот сечения пучка в кольцевом резонаторе, выполненном согласно изобретению, не требует обязательного использования фокальной перетяжки пучка, а обеспечивается благодаря ориентации осевого контура кольцевого резонатора в плоскости, проходящей между поверхностями охлаждающих элементов 1 и 2, при соответствующем выборе числа и кривизны зеркал 4, 5 и 6, образующих кольцевой резонатор. Отсутствие фокальных перетяжек пучка в резонаторе, показанном на фиг.1 и 2, обеспечивает высокую равномерность интенсивности излучения и, следовательно, высокую эффективность использования объема активной среды и позволяет предотвратить нежелательные нелинейные эффекты и пробои в активной среде.

Благодаря тому, что лучи, образующие пучок излучения в кольцевом резонаторе, выполненном согласно изобретению, падают на любое из зеркал 4, 5 и 6 попеременно то с одной, то с другой стороны от осевого контура, возможные отклонения этих зеркал в срединной плоскости световода от их требуемых положений компенсируются подобно тому, как это имеет место в линейных неустойчивых резонаторах отрицательной ветви с фокальной перетяжкой. Аналогичным образом компенсируются оптические клиновые неоднородности в активной среде, поскольку положительная разность хода, приобретенная на одном проходе наружной частью пучка вследствие ее распространения, например, по "толстой" стороне такого клина, ориентированного в плоскости симметрии световода, будет скомпенсирована на следующем проходе в результате приобретения этой же частью пучка отрицательной разности хода, так как наружная часть пучка станет теперь внутренней и будет распространяться по "тонкой" стороне того же клина. Таким образом, попеременное прохождение лучей, образующих лазерный пучок, с разных сторон от осевого контура кольцевого резонатора обеспечивает значительное уменьшение чувствительности кольцевого резонатора, выполненного согласно изобретению, к разъюстировкам зеркал 4-6, образующих резонатор, и к оптическим неоднородностям типа клина в активной среде, без использования для этой цели фокальных перетяжек пучка в резонаторе.

Таким образом, предложенный волноводный лазер с диффузионным охлаждением и с кольцевым резонатором бегущей волны объединяет в себе преимущества известных волноводных лазеров с резонатором положительной ветви, связанные с отсутствием в них фокальной перетяжки лазерного пучка внутри резонатора, с достоинствами известных линейных неустойчивых резонаторов отрицательной ветви, такими как низкая чувствительность к разъюстировкам и клиновым неоднородностям и односторонний вывод излучения из резонатора пучка сплошного сечения.

Как следует из вышесказанного, для переворота поперечного сечения пучка в лазере, выполненном согласно изобретению, предпочтительным является использование нечетного числа зеркал резонатора (3, 5, 7 и т.д.). При этом переворот сечения пучка в направлении большего размера сечения обеспечивается без необходимости иметь фокальную перетяжку внутри резонатора. Однако в тех случаях, когда в кольцевом лазере, выполненном согласно данному изобретению, умышленно используют резонатор отрицательной ветви, имеющий фокальную перетяжку внутри резонатора, для того, чтобы сохранить переворот сечения пучка после полного обхода резонатора, число зеркал делают четным. И напротив, в соответствии с данным изобретением можно спроектировать кольцевой резонатор, который должен иметь четное число внутрирезонаторных зеркал. В такой ситуации, показанной на фиг.3, в связи с тем, что переворот сечения пучка с заменой левого на правое представляется предпочтительным для резонатора с четным числом зеркал, для того, чтобы осуществить такой переворот, необходимо создать фокальную перетяжку внутри резонатора.

Например, на фиг.3 такая перетяжка 19, формируемая благодаря фокусировке пучка вогнутым зеркалом 12, расположена между зеркалами 12 и 13. Однако, в отличие от лазеров с линейными неустойчивыми резонаторами отрицательной ветви, область перетяжки в лазере с кольцевым резонатором может быть вынесена за пределы накачиваемой области активной среды, поэтому наличие такой перетяжки не приведет к существенному ухудшению параметров лазера за счет возникновения нежелательных нелинейных эффектов.

В отличие от лазера, показанного на фиг.2, где ограничение расширения пучка в резонаторе осуществляется зеркалом 6 резонатора, в лазере, схематически показанном на фиг.4, ограничение пучка осуществляется дополнительным зеркалом 16, которое установлено так, что оно отклоняет и выводит из резонатора часть излучения, примыкающую к краю пучка лазерного излучения, формируемого зеркалами оптического резонатора, и находящуюся с внешней стороны от осевого контура резонатора. Использование такого отдельного средства отклонения пучка для его вывода из резонатора упрощает юстировку оптической системы лазера и позволяет легко управлять шириной выходного пучка путем соответствующего поперечного перемещения зеркала 16.

Зеркало 9 обратной связи, показанное на фиг.1 и 2, обеспечивает преимущественное распространение излучения в резонаторе в направлении по часовой стрелке, что позволяет достичь по существу однонаправленной генерации. Отверстие 8 в зеркале 4, благодаря своему небольшому размеру, не оказывает существенного влияния на волну, распространяющуюся по резонатору в направлении по часовой стрелке. Сравнительно небольшая часть мощности этой волны, проходящая через отверстие 8, отклоняется зеркалом 9 и не попадает обратно в резонатор. В то же время часть волны, распространяющейся в резонаторе против часовой стрелки, проходит через отверстие 8, отражается от зеркала 9 и направляется им через отверстие 8 обратно в резонатор, распространяясь в нем уже по часовой стрелке. Таким образом, между двумя распространяющимися навстречу друг другу волнами вносится некоторая связь, приводящая к дополнительному усилению одной из этих волн; в данном примере происходит усиление волны, распространяющейся по часовой стрелке. В результате конкуренции мод в усиливающей среде, которая возникает на стадии возникновения генерации в резонаторе, создаются преимущественные условия для пучка, распространяющегося по часовой стрелке, и лазер начинает работать по существу в однонаправленном режиме. Такое зеркало обратной связи особенно эффективно в случае сред с однородно уширенной линией усиления, таких как YAG или СО₂. Как показывают проведенные авторами расчеты и эксперименты, наличие даже относительно слабой связи между волнами, распространяющимися в резонаторе в противоположных направлениях, является вполне достаточным, чтобы обеспечить по существу однонаправленную работу лазера.

В лазере, схема которого показана на фиг.5а и 5b, однонаправленная генерация достигается без использования отверстий в зеркалах резонатора, наличие которых в волноводных лазерах с малой величиной межэлектродного промежутка не всегда желательно. На фиг.5а показан пучок 18 полезного излучения, распространяющийся в резонаторе по часовой стрелке, на фиг.5b - пучок 20, идущий против часовой стрелки, который необходимо подавить. Зеркало 17, благодаря своему расположению за выводным зеркалом 4, в области "тени", не вносит искажений в пучок 18 излучения, распространяющийся по часовой стрелке. В то же время пучок 20 излучения, распространяющийся против часовой стрелки, выходит из резонатора под иным углом, чем пучок 18, и в результате частично перехватывается зеркалом 17. Попадающее на зеркало 17 излучение отражается им в обратном направлении и добавляется к волне, идущей в резонаторе по часовой стрелке. В результате как и в лазере, показанном на фиг.1 и 2, создаются преимущественные условия для пучка, распространяющегося по часовой стрелке, и лазер начинает работать по существу в однонаправленном режиме.

В лазере, схематически изображенном на фиг.6, показан другой вариант выполнения обратной связи. В нем пучок, распространяющийся против часовой стрелки, претерпевает дополнительное отражение от боковой поверхности 27 зеркала 21 прежде, чем он отразится от рефлектора обратной связи 28. Угол между поверхностями зеркал 27 и 21 вблизи их общего края 29 может быть выбран так, чтобы увеличить угол между пучками 20 и 18. Увеличение этого угла упрощает перехватывание пучка 20, распространяющегося против часовой стрелки, рефлектором обратной связи 28 и его отражение обратно в кольцевой резонатор.

Использование двугранного уголкового рефлектора 28 вместо зеркала обратной связи 17 существенным образом снижает требования к точности угловой юстировки отражателя при условии, что его ребро 30 расположено надлежащим образом по отношению к краю 29.

В первом практическом выполнении настоящего изобретения в СО₂ слэб-лазере с трехзеркальным кольцевым неустойчивым резонатором была получена в непрерывном режиме выходная мощность 350 Вт. Компонентами кольцевого гибридного неустойчивого резонатора бегущей волны являлись два плоских полностью отражающих зеркала и одно выпуклое сферическое полностью отражающее зеркало с радиусом кривизны 60 метров. Указанные зеркала формировали резонатор с периметром 2L=1,3 м и геометрическим увеличением 1,3. При разрядном зазоре 2 мм лазер работал на смеси газов He-N₂-СО₂ 6:1:1 при давлении 70 тор. С резонатором, имевшим конфигурацию, подобную изображенной на фиг.5а, измеренная величина подавленной обратной волны была примерно в 100 раз, т.е. на 20 децибелл, слабее по интенсивности, чем 350 Вт-ная выходная волна, распространяющаяся в прямом направлении. Как показали эксперименты, расходимость выходного пучка сплошного сечения, выходящего с одной стороны от зеркала и имеющего сечение размером 2 мм на 12 мм, оказалось очень близкой к дифракционному пределу для каждого из двух измерений выходного пучка.

Рассмотренные выше конструкции газового лазера с диффузионным охлаждением и высокочастотным возбуждением приведены только в качестве примеров. Для осуществления изобретения могут быть использованы любые подходящие типы элементов, ограничивающих промежуток, зеркал, активных сред, средств накачки и других компонентов, применяемых в подобных устройствах. Для специалистов в области лазерной техники является очевидным, что вместо зеркал или наряду с ними могут использоваться любые эквивалентные оптические средства, обеспечивающие требуемую трансформацию и изменение направления пучков оптического излучения. Поэтому, хотя описанные выше варианты являются предпочтительными вариантами выполнения изобретения, в этих вариантах могут быть сделаны различные модификации и замены без отступления от духа и сути изобретения. Соответственно, должно быть понятным, что описание настоящего изобретения носит иллюстративный, а не ограничительный характер.

Литература

1. А.Е. Siegman, "Unstable Optical Resonators for Laser Applications", Proceedings of the IEEE, Mar. 1965, pp. 277-287.

2. A.E. Siegman and R. Arrathoon, "Modes in Unstable Optical Resonators and Lens Waveguides", IEEE, J. Quantum Electronics, vol. QE-3, 156-163, April 1967.

3. Ю.А. Ананьев, Н.А. Свенцицкая и В.Е. Шерстобитов, Селекция поперечных типов колебаний в ОКГ с выпуклыми зеркалами, ДАН СССР, т. 179, №6, стр. 1304-1305 (июль 1968), представлено 22.05.1967 (Yu. A. Anan'ev, N.А. Sventsitskaya and V.E. Sherstobitov, "Transverse mode selection in a laser with convex mirrors", Sov. Phys. - Doklady v. 13, p. 351-352 (October 1968)).

4. Ю.А. Ананьев, Н.А. Свенцицкая и В.Е. Шерстобитов, Свойства ОКГ с неустойчивым резонатором, ЖТФ, т. 55, стр. 130-140, июль 1968 (Yu.A. Anan'ev, N.S. Sventsitskaya and V.E. Sherstobitov, "Properties of a Laser with an Unstable Resonator", Soviet Physics JETP, 28, 1, p. 69-74, Jan., 1969).

5. Ю.А. Ананьев и Г.Н. Винокуров, Некоторые свойства кольцевых неустойчивых резонаторов с угловой селекцией излучения, ЖТФ, т. 39, №7, стр. 1327-1330, июль 1969 (Yu.A. Anan'ev and G.N. Vinokurov, "Some properties of Ring-Type Unstable Cavities with Angular Selection of Radiation", Soviet Physics, 14, 7, p. 1000-1002, Jan., 1970).

6. Ю.А. Ананьев, Неустойчивые резонаторы и их применения. В сб. "Квантовая электроника", под ред. Н.Г. Басова, №6, стр. 3-28, 1971 (Yu.A. Anan'ev, "Unstable resonators and their applications", "Sov. J. Quant. Electron.", v. 1, p. 565-586 (May-June 1972)).

7. W.F. Krupke and W.R. Sooy, "Properties of an Unstable Confocal Resonator CO₂ Laser System", IEEE J. Quantum Electronics, vol. QE-5, pp. 575-586, Dec. 1969.

8. A.E. Siegman and H.Y. Miller, "Unstable Optical Resonator Loss Calculations Using the Prony Method", Applied Optics, vol. 9, №12, p. 2729-2736, Dec. 1970.

9. E.V. Locke, R.A. Hella, L. Westra and G. Zeiders, "Performance of an Unstable Oscillator on a 30-kW CW Gas Dynamic Laser", IEEE J. Quantum Electronics, vol QE-7, p. 581-583, Dec. 1971.

10. Cari.J. Buczek, Peter P. Chenausky and Robert J. Freiberg, "Unstable Ring Laser Resonators", US Patent 3824487, filed 8 May 1972.

11. R.J. Freiberg, P.P. Chenausky and C.J. Buczek, "An Experimental Study of Unstable Confocal CO₂ Resonators", IEEE J. Quantum Electronics, vol. QE-8, p. 882-892, Dec.1972.

12. R.J. Freiberg, P.P. Chenausky and C.J. Buczek, "Unidirectional Unstable Ring Lasers", Appl. Optics, vol. 12, №6, p. 1140-1144, June 1973.

13. R.J. Freiberg, P.P. Chenausky and C.J. Buczek, "Unstable Asymmetric Travelling Wave Resonators for High-Power Applications", IEEE J. Quantum Electronics, vol. QE-9, p. 716ff, June 1973.

14. Carl J. Buczek, Robert J. Freiberg and M.L. Skolnick, "Laser Injection Locking", Proc. IEEE, vol. 61, №10. October 1973.

15. Ю.А. Ананьев, Г.Н. Винокуров, Л.В. Ковальчук, Н.А. Свенцицкая и В.Е. Шерстобитов, "ОКГ с телескопическим резонаторорм", ЖЭТФ, т. 58, стр. 786-793, 1970 (представлено 29 июля 1969); (Yu.A. Anan'ev, G.N. Vinokurov, L.V. Koval'chuk, N.A. Sventsitskaya and V.E. Sherstobitov "Telescopic - resonator Laser", Sov. Phys. JETP, v. 31, №3, p. 420-423, 1970).

16. Ю.А. Ананьев, Н.А. Свенцицкая, В.Е. Шерстобитов. Авторское свидетельство №274254 с приоритетом от 18.03.1968. Бюллетень №24, 1970, с. 63.

17. А.Е. Siegman, "Unstable Optical Resonators", Appl. Optics, vol 13, №2, p. 353-367, Feb. 1974.

18. Ю.А. Ананьев, Оптические резонаторы и проблема расходимости лазерного излучения, М.: Наука, 1979.

19. А.Е. Siegman, "Lasers", pages 858-922, Univ. Science Books, copyright 1986. ISBN 0-935702-11-5.

20. W.M. Mecek and D.T.M. Davis, Jr., "Rotation Rate Sensing with Travelling-Wave Ring Lasers", Appl. Phys. Lett., 9, 1966 p. 55ff).

21. Roger A. Haas, Peter P. Chenausky and Robert J. Freiberg, "Laser Plasma Diagnostic Using Ring Resonators, US Patent 3885874, Filed 11 Jan. 1974, issued 27 May 1975.

22. A.S. Osipov, G.A. Ponomarev, Yu.P. Maiboroda, V.K. Batalin, V.G. Kurganov and V.A. Levada, "Ring Cavity Resonator for the Analysis of the Spectral Composition of the Radation from a CO₂ laser", Pribory i Tekhnika Eksperimenta, №1, p. 186 и 187, Jan-Feb. 1973.

23. Hans Opower, "Folded Waveguide Laser", US Patent 5097479, filed 28 Dec. 1990, issued 17 March 1992.

24. John Tulip, "Carbon Dioxide Slab Laser", US Patent 4719639, filed 8 Jan. 1987, issued 12 Jan. 1988.

25. Junichi Nishimae, Kenji Yoshizawa, Masakazu Taki, "Gas Laser Device", US Patent 5048048, filed 9 Aug. 1990, issued 10 Sept 1991.

26. Ю.А. Ананьев, В.Н. Чернов и В.Е. Шерстобитов, Твердотельный ОКГ с высокой пространственной когерентностью излучения, в сб. Квантовая электроника, под. ред. Н.Г. Басова, №4, стр. 112 и 113, 1971 (Yu.A. Anan'ev, V.N. Chernov and V.E. Sherstobitov, "Solid-state laser with a high spatial coherence of radiation", Sov. J. Quant. Electron., v. 1, p. 403 и 404 (Jan.-Feb. 1972)).

27. P.E. Jackson, H.J. Baker and D.R. Hall, "СО₂ large-area discharge laser using an unstable-waveguide hybrid resonator", Appl. Phys. Lett. Vol. 54, №20, 15 May 1989, p. 1950-1952.

28. Peter Chenausky, "Rectangular Discharge Gas Laser", US Patent 5748663, filed 6 June 1997, issued 5 May 1998.

29. D.R. Hall and H.J. Baker, "Area Scaling boosts СО₂-laser performance", Laser Focus World. October 1989, p. 77-80.

30. A. Lapucci, A. Labate, F. Rossetti and S. Mascalchi, "Hybrid stable-unstable resonators for diffusion-cooled СО₂ slab lasers.", vol. 35, №18, Applied Optics, June 1996, 3185-3192.

31. H. Zhao, H.J. Baker and D.R. Hall, "Area scaling in slab rf-excited carbon monoxide lasers". Appl. Phys. Lett., vol. 59, №11, 9 Sept. 1991, р. 1281-1283.

32. P.P. Vitruk, R.J. Morley, H.J. Baker and D.R. Hall, "High power continuous wave Xe laser with radio frequency excitation.", Appl Phys. Lett. Vol. 67, №10, 4 Sept. 1995, p.1366-1368.

33. P. Chenausky, L.M. Laughman and R.J. Wayne, "Radio-frequency and Microwave Excitation of CO₂ Lasers", Paper TuKKy CLEOS Conference, 1980.

34. A. Gabi, R. Hertzberg and S. Yatsiv, "Radio-Frequency Excited Stripline CO and СО₂ Lasers", paper TuB4, CLEO Conference, June 19, 1984.

35. Peter Chenausky, "Slice Laser", US Patent 6134256, filed 4 May 1998, issued 17 Oct. 2000.

36. James L. Hobart, J. Michael Yarborough, Joseph Dallarosa and Philip Gardner, "RF Excited СО₂ Slab Waveguide Laser", US Patent 5123028, filed 12 Oct. 1990, issued 16 June 1992.