Лазерные резонаторы - Быков В.П.
ISBN 5-9221-0297-4
Скачать (прямая ссылка):
АРН = 2хт]. (4.122)
Это означает, что повышение качества поперечной структуры излучения неизбежно приводит к сужению диапазона допустимого изменения накачки.
В случае симметричных схем, когда экстремумы зависимости 7(р) сливаются в один глобальный минимум (рис. 4.8), этот диапазон удваивается.
После этих предварительных замечаний перейдем к построению конкретных резонаторных схем. Начнем с выбора типа схемы. При построении одномодовых резонаторов мы использовали резонаторы с динамической стабильностью параметров по отношению к малым изменениям оптической силы ТЛ АЭ. В резонаторах многомодовых лазеров малые флуктуации ТЛ АЭ не приводят непосредственно к изменению выходной мощности излучения, а лишь к изменению мо-дового состава излучения. Кроме того, в силу сравнительно малого размера w, влияние флуктуации ТЛ АЭ на характеристики резонатора ослаблено. Эти обстоятельства указывают на то, что использование
250
Гл. 4• Резонаторы твердотельных лазеров
резонаторов с динамической стабильностью в мощных твердотельных технологических лазерах не является столь необходимым, как в случае одномодовых лазеров.
Однако использование динамически стабильных резонаторов и в случае многомодовых лазеров дает целый ряд преимуществ. Во-первых, стабильность модового состава, и следовательно, качества поперечной структуры выходного пучка. Это позволяет повысить стабильность всего технологического процесса. Во-вторых, и это весьма важно с практической точки зрения, работая в точке динамической стабильности, мы имеем почти симметричную зависимость выходных характеристик лазера, как при увеличении, так и при уменьшении мощности накачки относительно расчетного значения. При этом качество пучка не ухудшается, т. е. г] ^ 770, где т]о — качество пучка в точке динамической стабильности. Это следует из формулы (4.120) и из того факта, что при динамической стабильности имеет место минимум размера основной моды в АЭ. Вывод резонатора из состояния динамической стабильности приводит к улучшению качества излучения, однако это сопровождается, как правило, фокусировкой излучения на внутрирезонаторных элементах, увеличением чувствительности модовой структуры к термооптическим искажениям АЭ, сужением области устойчивости. Эти обстоятельства позволяют сделать вывод о целесообразности использования при построении мощных твердотельных лазеров технологического назначения динамически стабильных, как одноэлементных, так и многоэлементных схем резонаторов. При этом динамически стабильный резонатор следует рассчитывать для такой TJI АЭ рт, которая имеет место при мощности накачки, лежащей посередине возможного рабочего диапазона.
Рассмотрение динамически стабильных многомодовых резонаторов начнем с анализа резонатора простейшего вида, образованного плоскими зеркалами, рис. 4.27. Поскольку максимальным диапазоном устойчивости обладают симметричные схемы, то для расчета воспользуемся условиями (4.42). Пренебрегая в первом выражении членом (dipo)2 по сравнению с единицей, что можно сделать в силу многомодового характера генерации, а следовательно, малого значения размера основной моды в АЭ, получим:
Вычисляя явный вид элементов лучевых матриц обхода плечей резонатора (рис. 4.27), легко привести условия (4.123) к виду:
Резонаторы, в которых выполняются эти соотношения, часто называют резонаторами типа «кошкин глаз». Они получили широкое распространение в технологических лазерах [136]. Качество поперечной
(4.123)
а = b = -
рт
(4.124)
§4-6. Резонаторы твердотельных технологических лазеров 251
Рт
Рт
Рт
Рт
Рис. 4.27: а) динамически стабильный устойчивый резонатор с плоскими зеркалами; б) двухэлементный резонатор с плоскими зеркалами; в) усилитель, согласованный с резонатором лазера
структуры излучения такого лазера определяется согласно (4.121) и (4.124) выражением 2
т _ (4Л25)
Преимуществом данной схемы является ее простота и возможность построения на ее основе многоэлементных схем, как резонаторов, так и усилительных каскадов, рис. 4.27. Поперечные характеристики излучения таких многоэлементных схем такие же, как и в случае резонатора с одним АЭ, а мощность генерации в соответствующее количество раз возрастает.
Недостатком резонатора с плоскими зеркалами является невозможность обеспечить высокое качество выходного излучения при сильной TJI АЭ. Действительно, согласно формуле (4.125), при рт = = 4 дп и Rq = 4 мм имеем 770 = 32 мм • мрад, что слишком много для целого ряда технологических задач.
Для повышения качества выходного излучения необходимо, как это видно из (4.120), увеличивать размер основной моды в АЭ. Этого можно добиться увеличением оптической длины по крайней мере одного плеча резонатора (4.60). Например, переходом к несимметричным схемам с плоскими зеркалами, в которых одно плечо имеет большую оптическую длину, либо к схемам, содержащим сферическое зеркало, рис. 4.28. Очевидно, что на основе таких одноэлементных схем легко построить двухэлементный резонатор с симметричным расположением АЭ, рис. 4.29.
При расчете резонатора будем исходить из того, что он должен обеспечивать требуемое качество излучения 770 при заданной TJI АЭ рт и размере АЭ Ro. Кроме того, будем контролировать размер поля на концевых зеркалах. Это весьма важно, поскольку чрезмерная
