Лазерные резонаторы - Быков В.П.
ISBN 5-9221-0297-4
Скачать (прямая ссылка):
то оптимальный размер перетяжки основной моды г^о > 1,5 мм, что существенно больше, чем в резонаторах с высоким уровнем термооптических искажений АЭ. Таким образом, резонатор твердотельного лазера с импульсной накачкой должен обеспечивать сравнительно большой размер основной моды в АЭ. Во-вторых, необходимо избегать сильной фокусировки излучения на внутрирезонаторных элементах, в частности на зеркалах. Это связано с высокой пиковой мощностью излучения импульсных лазеров, особенно работающих в режиме генерации гигантских импульсов и конечной лучевой стойкостью оптических элементов. Поэтому при построении схемы резонатора, с учетом требуемых мощностных характеристик лазера, приходится вводить ограничения на предельно допустимый размер перетяжки основной моды на элементах резонатора. Так, если предельно допустимая плотность мощности излучения, определяемая лучевой стойкостью элементов,
4-4- Устойчивые резонаторы одномодовых твердотельных лазеров 227
равна Рпр, а расчетная пиковая мощность импульса излучения Ри = = Е/тщ где Е — энергия, а ти — длительность импульса генерации, то предельно допустимый размер поля на элементе должен быть больше:
Например, при Рпр = 1,0 гвт/см2, Е — 0,1 Дж и ти = 20 не имеем wnp — 0,35 мм. Если сравнить эту величину со значением перетяжки на зеркалах в схемах, рассмотренных в § 4.3, то станет ясно, что проанализированные схемы мало пригодны для импульсных лазеров, так как характеризуются сильной фокусировкой излучения на одном из зеркал.
С целью выделения пригодных типов резонаторов для одномодовых импульсных лазеров вернемся к рис. 4.8. Импульсно-периодиче-ский характер накачки, определяющий достаточно высокий уровень термооптических искажений АЭ, в сочетании со сравнительно большим размером основной моды в АЭ и, следовательно, с высокой чувствительностью моды к оптическим неоднородностям в АЭ приводит к необходимости использовать схемы резонаторов, обладающих динамической стабильностью своих характеристик при малых изменениях TJI АЭ. В противном случае, как видно из рис. 4.8, мы будем иметь либо схему резонатора чрезвычайно чувствительную к различного рода флуктуациям оптических свойств внутрирезонаторных элементов, либо потери основной моды будут очень большие. Оба эти варианта, как правило, малопригодны.
Поэтому остановимся на схемах резонаторов с динамической стабильностью энергетических характеристик. При этом, как видно из рис. 4.8, имеется две возможности. Во-первых, использовать неустойчивые резонаторы (р = р1, см. формулу (4.30)). Во-вторых, динамически стабильные резонаторы, определяемые условием (4.46) или (4.48). Оба эти варианта нашли широкое распространение при построении схем резонаторов импульсных одномодовых лазеров. Резонаторы неустойчивой конфигурации, отличающиеся компактностью и простотой конструкции, мы подробно рассмотрим в §4.5.
Сейчас же проанализируем алгоритм построения резонатора импульсного лазера, для которого выполняется условие (4.48), и который выгодно отличается от неустойчивых схем существенно более широкой областью динамической стабильности при изменении TJI АЭ. Особенно сильно это проявляется при не слишком больших потерях основной моды 7 < 0,4 (рис. 4.8). Анализ проведем с учетом вышеперечисленных особенностей импульсного режима работы лазера.
Как уже стало ясно из примеров, рассмотренных в § 4.3, в резонаторах подобного типа имеется противоречие между требованием большого размера основной моды в АЭ wo и недопустимостью фокусировки излучения на резонаторных элементах. Действительно, в
(4.75)
15*
228 Гл. 4• Резонаторы твердотельных лазеров
соответствии с формулой (4.47) значительный размер основной моды в АЭ может быть достигнут лишь за счет большой оптической длины, по крайней мере, одного плеча резонатора (В\). Это, в свою очередь, требует применения в данном плече оптической системы, эффективно увеличивающей оптическую длину по сравнению с геометрической, что возможно лишь за счет соответствующей фокусировки, т. е. уменьшения поперечного размера поля на концевом зеркале. Поэтому при построении резонатора подобного типа, в случае импульсного лазера, всегда приходится исходить из компромисса между требованием эффективного заполнения излучением АЭ, т. е. большой перетяжки основной моды в АЭ, и фокусировкой поля на зеркале в плече с большой оптической длиной (w\ > wnp). Последняя величина определяет допустимый уровень пиковой мощности излучения лазера (4.75). В случае, когда подобный компромисс, в силу имеющихся условий, может быть достигнут, данные схемы весьма эффективны в лазерах с импульсной накачкой, так как обеспечивают высокое качество поперечной структуры выходного излучения, стабильность его энергетических и пространственных характеристик. В противном случае следует применять схемы динамически стабильных неустойчивых резонаторов.
Перейдем к рассмотрению конкретных схем резонаторов. Вначале коротко обсудим возможность использования схемы резонатора, содержащей одно выпуклое зеркало и изображенной на рис. 4.11. Поскольку wo ~ Ro, то с учетом (4.47), имеем обычно \Bi\ d и формулы (4.61а) и (4.62а) дают параметры резонатора с достаточной точностью. Возможность использования данной схемы определяется условием wi > г^пр, которое, с учетом выражений (4.47) и (4.63а), сво-
