RU2145138C1

RU2145138C1 - Laser

Info

Publication number: RU2145138C1
Application number: RU98110142A
Authority: RU
Inventors: Н.Ф. Подымака
Original assignee: Научно-исследовательский технологический институт им.А.П.Александрова
Priority date: 1998-05-29
Filing date: 1998-05-29
Publication date: 2000-01-27

Abstract

FIELD: laser engineering. SUBSTANCE: laser has active medium in the form of right pentaprism. Output mirror is mounted in front of transmitting face with base sides equal to

, with two dihedral angles of 135 deg. abutting against it. First and second right dihedral reflectors are mounted in opposition to each other. First reflecting face is parallel to third one and orthogonal to second and fourth reflecting faces. Third right dihedral reflector is placed between first and second ones and is formed by second and third reflecting faces. Bases of first, second, third, and fourth reflecting faces measure, respectively, (m-1)X, nX, mX, and (n- 1)X, where X is maximal general standard of reflecting faces; m and n are natural numbers (m is not equal to n). Energy flux propagates between surfaces to form figure of axial line in the form of broken line ,

Description

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано в качестве генератора электромагнитного излучения оптического диапазона. The invention relates to laser technology and can be used as a generator of electromagnetic radiation in the optical range.

Известен лазер [1], состоящий из входного и выходного зеркал, двух параллельных отражателей, обеспечивающих многократный проход излучения через газообразную активную среду. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому лазеру является выбранный в качестве прототипа лазер [2], содержащий непрозрачное и выходное зеркала, активную среду, выполненную в виде невыпуклой двенадцатиугольной прямой призмы. Известная активная среда содержит два прямых двугранных отражателя, размещенных навстречу друг к другу. Отражающие грани двугранных отражателей имеют максимальную общую меру X. Активная среда содержит две проходящие грани, которые ориентированы под углом 135^o к своим соседним отражающим граням для создания оптической связи зеркал с прямыми двугранными отражателями. Две дополнительные отражающие грани выполнены так, чтобы на них создавалось условие полного внутреннего отражения для падающего на них излучения. Эти грани обеспечивают более полное использование активной среды путем пересечения лазерных лучей в его объеме. Как только непрозрачное и выходное зеркала будут установлены в положениях, где добротность резонатора будет максимальна, то генерируемый лазерный луч за циклический проход совершит (4m+2) проходов через активную среду, где m - натуральное число.Known laser [1], consisting of input and output mirrors, two parallel reflectors, providing multiple passage of radiation through a gaseous active medium. The closest in technical essence to the claimed laser is a laser selected as a prototype [2], containing an opaque and output mirror, an active medium, made in the form of a non-convex twelve-angle direct prism. The known active medium contains two direct dihedral reflectors placed towards each other. The reflecting faces of dihedral reflectors have a maximum total measure of X. The active medium contains two passing faces that are oriented at an angle of 135 ^o to their neighboring reflecting faces to create an optical connection between mirrors and direct dihedral reflectors. Two additional reflecting faces are made so that they create the condition of total internal reflection for the radiation incident on them. These faces provide a more complete use of the active medium by crossing laser beams in its volume. As soon as the opaque and output mirrors are installed in positions where the resonator Q factor is maximum, the generated laser beam will make (4m + 2) passes through the active medium in a cyclic pass, where m is a positive integer.

Недостаток указанного устройства заключается в том, что плотность мощности излучаемого лазерного луча ограничена. Действительно, один циклический проход электромагнитной волны в известном резонаторе будет выполнен в объеме, который равен трем объемам активной среды, расположенной между посадочными поясками. Следовательно, длина пути L, на котором происходит усиление возбужденной волны, будет ограничена величиной
L=(6m+3)l,
где l - длина активной среды;
m - натуральное число.The disadvantage of this device is that the power density of the emitted laser beam is limited. Indeed, one cyclic passage of an electromagnetic wave in a known resonator will be performed in a volume that is equal to three volumes of the active medium located between the landing belts. Therefore, the path length L, on which the amplification of the excited wave occurs, will be limited by
L = (6m + 3) l,
where l is the length of the active medium;
m is a natural number.

Поэтому плотность мощности генерируемого излучения за один циклический проход будет ограничена величиной
W= W₀exp[(G-G_n)l(6m+3)],
где W - плотность мощности излучения за один циклический проход;
W₀ - возбужденная плотность мощности генерируемого излучения до усиления;
G - коэффициент квантового усиления;
G_п - коэффициент потерь.Therefore, the power density of the generated radiation in one cyclic pass will be limited by
W = W ₀ exp [(GG _n ) l (6m + 3)],
where W is the radiation power density in one cyclic passage;
W ₀ is the excited power density of the generated radiation before amplification;
G is the coefficient of quantum gain;
G _p - loss coefficient.

Недостаток этого устройства обусловлен дополнительными френелевскими потерями, возникающими за счет прохождения излучения через границу раздела сред с различными показателями преломления между активной средой и непрозрачным зеркалом. The disadvantage of this device is due to additional Fresnel losses arising from the passage of radiation through the interface between media with different refractive indices between the active medium and an opaque mirror.

В известном лазере на увеличение плотности мощности излучения оказывают ограничения дополнительные потери, обусловленные разрушениями зеркального покрытия непрозрачного зеркала, которые происходят под действием лазерного излучения внутри резонатора. In the known laser, additional losses are caused by an increase in the radiation power density due to the destruction of the mirror coating of an opaque mirror that occurs under the influence of laser radiation inside the resonator.

В предложенном лазере активная среда имеет форму пятиугольной выпуклой прямой призмы. Она содержит первый прямой двугранный отражатель с первой и второй отражающими гранями, который расположен навстречу второму двугранному отражателю с третьей и четвертой отражающими гранями. Между первым и вторым двугранными отражателями выполнен третий прямой двугранный отражатель с третьей и второй отражающими гранями. Указанные грани обеспечивают взаимно ортональную оптическую связь между собой. Перед выходным зеркалом выполнена проходящая грань со сторонами, равными

, и с прилегающими двугранными углами величиной 135^o. Это позволяет образовать оптическую связь между выходным зеркалом и тремя прямыми двугранными отражателями и вывести излучение из резонатора.In the proposed laser, the active medium has the form of a pentagonal convex direct prism. It contains the first direct dihedral reflector with the first and second reflective faces, which is located towards the second dihedral reflector with the third and fourth reflective faces. Between the first and second dihedral reflectors, a third straight dihedral reflector with a third and second reflecting faces is made. These faces provide mutually orthonic optical communication with each other. In front of the output mirror, a passing face is made with sides equal to

, and with adjacent dihedral angles of 135 ^o . This allows you to form an optical connection between the output mirror and three direct dihedral reflectors and to remove radiation from the resonator.

Первая, вторая, третья и четвертая отражающие грани имеют размеры соответственно (m-1)X, nX, mX, (n-1)X, где n и m - натуральные числа, а n≠m. Если n - нечетное, а m - четное числа, то лазерный луч размером

отразившись от упомянутых отражающих граней, направится точно по биссектрисе в первый прямой двугранный отражатель. При этом лазерный луч образует в активной среде фигуру осевой кривой в виде ломаной линии с (m+n-l) звеньями, которые перекроют двойной объем призмы. При n и m - нечетных (n≠m) или n - четном и m - нечетном числах лазерный луч в первом варианте после многократных отражений от прямых двугранных отражателей направится по биссектрисе в третий двугранный отражатель, а во втором варианте - во второй прямой двугранный отражатель. В дальнейшем, после обратного отражения одним из трех отражателей лазерный луч распространяется в направлении к выходному зеркалу, самосопрягаясь после каждого прохода резонатора. Циклический проход лазерного луча в резонаторе будет выполнен в объеме, равном четырем объемам активной среды, и его длина L₁ будет равна

Плотность мощности генерируемого излучения W₁, за один циклический проход представляется в виде

где G_л - коэффициент потерь представленного лазера.The first, second, third and fourth reflecting faces are respectively (m-1) X, nX, mX, (n-1) X, where n and m are natural numbers, and n ≠ m. If n is odd and m is even, then a laser beam of size

reflecting off the aforementioned reflective faces, it will go exactly along the bisector to the first direct dihedral reflector. In this case, the laser beam forms in the active medium a figure of the axial curve in the form of a broken line with (m + nl) links that overlap the double volume of the prism. For n and m - odd (n ≠ m) or n - odd and m - odd numbers, the laser beam in the first embodiment, after multiple reflections from direct dihedral reflectors, will be directed along the bisector to the third dihedral reflector, and in the second embodiment, to the second direct dihedral reflector . Subsequently, after backward reflection by one of the three reflectors, the laser beam propagates towards the output mirror, self-mating after each passage of the resonator. The cyclic passage of the laser beam in the cavity will be performed in a volume equal to four volumes of the active medium, and its length L ₁ will be equal to

The power density of the generated radiation W ₁ , for one cyclic pass is represented as

where G _l is the loss coefficient of the presented laser.

Так как конфигурации активных сред и функциональные зависимости сечения генерируемого излучения от максимальной общей меры различны для прототипа и представленного лазера, то плотности мощности W и W₁ необходимо сравнивать для равных объемов активных сред и размеров лазерных лучей. Если определить размеры активной среды прототипа через nX и

то длина циклического прохода лазерного луча будет равна

Новое выражение для плотности мощности прототипа W примет следующий вид:

Сравнивая значения величин W и W₁, можно сделать вывод, что плотность мощности представленного лазера значительно превосходит плотность мощности прототипа.Since the configurations of the active media and the functional dependence of the cross section of the generated radiation on the maximum total measure are different for the prototype and the laser presented, the power densities W and W ₁ must be compared for equal volumes of active media and the size of the laser beams. If you determine the dimensions of the active medium of the prototype through nX and

then the length of the cyclic passage of the laser beam will be equal to

The new expression for the power density of the prototype W will take the following form:

Comparing the values of the values of W and W ₁ , we can conclude that the power density of the presented laser significantly exceeds the power density of the prototype.

На фиг. 1 изображен общий вид лазера, отражающие грани активной среды которого определены через n - нечетное и m - четное натуральные числа. На фиг. 2 и фиг. 3 представлены изображения устройств, взятые с фиг. 1, с размерами активной среды nX и mX, где соответственно n и m - нечетные и n≠m, и n - четное, m - нечетное натуральные числа. In FIG. Figure 1 shows a general view of a laser, the reflecting faces of the active medium of which are determined through n - odd and m - even natural numbers. In FIG. 2 and FIG. 3 shows images of devices taken from FIG. 1, with the dimensions of the active medium nX and mX, where n and m are odd and n ≠ m and n are even and m are odd natural numbers, respectively.

Лазер, представленный на фиг. 1, содержит выходное зеркало 1, активную среду 2, пропускающую грань 3, первый двугранный угол величиной 135^o 4, второй двугранный угол величиной 135^o 5, первую отражающую грань 6, вторую отражающую грань 7, первый прямой двугранный угол 8, третий прямой двугранный угол 9, третью отражающую грань 10, четвертую отражающую грань 11, второй прямой двугранный угол 12. Выходное зеркало 1 установлено перед гранью 3 и съюстировано так, что его ось симметрии ортогональна биссектрисам прямых двугранных углов 8 и 12 и параллельна биссектрисе прямого двугранного угла 9. Отражающая грань 6 ортогональна граням 7 и 11 и параллельна грани 10. Размеры оснований граней 3, 6, 7, 10, 11 равны соответственно

(m-l)X, nX, mX, (n-1)X, где:
n - нечетное натуральное число,
m - четное натуральное число;
X - максимальная общая мера граней 6, 7, 10, 11.The laser of FIG. 1 contains an output mirror 1, an active medium 2 passing a face 3, a first dihedral angle of 135 ^o 4, a second dihedral angle of 135 ^o 5, a first reflecting face 6, a second reflecting face 7, a first straight dihedral angle 8, and a third straight dihedral angle 9, third reflection face 10, fourth reflection face 11, second straight dihedral angle 12. The output mirror 1 is installed in front of face 3 and adjusted so that its axis of symmetry is orthogonal to the bisectors of right

dihedral angles

8 and 12 and parallel to the bisector of right dihedral angle a 9. The reflecting face 6 is orthogonal to the

faces

7 and 11 and parallel to the face 10. The dimensions of the bases of the

faces

3, 6, 7, 10, 11 are equal, respectively

(ml) X, nX, mX, (n-1) X, where:
n is an odd positive integer,
m is an even positive integer;
X is the maximum general measure of

faces

6, 7, 10, 11.

Предположим, что электромагнитная волна распространяется в направлении от выходного зеркала 1 вдоль оси симметрии грани 3. Поскольку для конфигурации активной среды, представленной на фиг. 1, n = 15, m = 8 и так как на всех отражающих гранях активной среды 2 выполняются условия полного внутреннего отражения, то посредством последовательного отражения при помощи граней 6, 7, 10, 11 волна совершит проход через двойной объем призмы, который имеет вид ломаной линии с 22 звеньями. Электромагнитная волна достигнет по биссектрисе двугранный угол 8, обеспечивающий вместе с зеркалом 1 обратную положительную связь. Поэтому волна, отразившись от угла 8, направится обратно к зеркалу 1, совершив циклический проход длиной

имея поперечные размеры

Плотность мощности будет определяться выражением

В лазере, представленном на фиг. 2, конфигурация активной среды задана величинами n = 13 и m = 9. Поэтому электромагнитная волна совершит проход через двойной объем активной среды по ломаной линии с 21 звеном. В этой конфигурации двугранный угол 9 вместе с выходным зеркалом 1 определяют положительную обратную связь. Волна совершит циклический проход длиной

и будет иметь плотность мощности излучения

Конфигурация активной среды лазера, представленная на фиг. 3, определена значениями n = 14 и m = 9, поэтому двугранный угол 12 с выходным зеркалом 1 обеспечивают положительную обратную связь. Волна совершит циклический проход, образуя в активной среде фигуру осевой линии в виде ломаной линии длиной

с 22 звеньями, и достигнет плотности мощности излучения

Следовательно, плотности мощности излучения лазеров, изображенных на фиг. 1, 2, 3, будут соответственно в

выше по сравнению с прототипом, при условии, что их коэффициенты потерь равны, т.е.Suppose that an electromagnetic wave propagates in the direction from the output mirror 1 along the axis of symmetry of face 3. Since for the configuration of the active medium shown in FIG. 1, n = 15, m = 8, and since the conditions of total internal reflection are satisfied on all the reflecting faces of the active medium 2, by means of successive reflection using the

faces

6, 7, 10, 11 the wave will pass through the double volume of the prism, which has the form polyline with 22 links. The electromagnetic wave reaches the dihedral angle 8 along the bisector, providing together with mirror 1 a positive feedback. Therefore, the wave, reflected from the angle 8, will go back to the mirror 1, making a cyclic passage of length

having transverse dimensions

The power density will be determined by the expression

In the laser of FIG. 2, the configuration of the active medium is given by the values n = 13 and m = 9. Therefore, the electromagnetic wave will pass through the double volume of the active medium along a broken line with 21 links. In this configuration, the dihedral angle 9 together with the output mirror 1 determines the positive feedback. The wave will make a cyclic passage length

and will have a radiation power density

The configuration of the laser active medium shown in FIG. 3, is determined by the values n = 14 and m = 9, therefore, the dihedral angle 12 with the output mirror 1 provides positive feedback. The wave will make a cyclic passage, forming in the active medium a center line figure in the form of a broken line with a length

with 22 links, and reaches the radiation power density

Therefore, the radiation power density of the lasers depicted in FIG. 1, 2, 3, will be respectively in

higher in comparison with the prototype, provided that their loss factors are equal, i.e.

G_п =G_л
Но представленный лазер имеет более низкие френелевские потери резонатора, так как он содержит в 2 раза меньшие границы раздела сред. Поэтому справедливо неравенство
G_л < G_п
Следовательно, G-G_п < G-G_л и плотность мощности излучения лазера будет еще выше. Лазер имеет более низкий порог накачки для возбуждения генерации излучения. Действительно, применяя условие самовозбуждения лазера для типа колебаний, расположенных на вершине кривой коэффициента квантового усиления рабочего перехода, получим

где ΔN^п и ΔN^л - разности населенностей рабочих уровней соответственно прототипа и лазера.G _p = G _l
But the presented laser has lower Fresnel losses of the resonator, since it contains 2 times smaller media interfaces. Therefore, the inequality
G _l <G _p
Therefore, GG _n <GG _l and the laser radiation power density will be even higher. The laser has a lower pump threshold to excite the generation of radiation. Indeed, applying the condition of laser self-excitation for the type of oscillations located at the top of the curve of the quantum gain of the working transition, we obtain

where ΔN ^p and ΔN ^l - the population differences of the working levels, respectively, of the prototype and the laser.

Подставляя численные значения m и n, получим, что разность населенностей лазера, как и порог накачки, в 2,7 раза меньше по сравнению с прототипом. Substituting the numerical values of m and n, we obtain that the laser population difference, as well as the pump threshold, is 2.7 times smaller compared to the prototype.

Источники информации. Sources of information.

1. Звелто О. Принципы лазеров. - И: Мир, 1990, с. 373. 1. Zvelto O. Principles of lasers. - And: World, 1990, p. 373.

2. Подымака Н. Ф. Лазер. Патент N 2087060 по заявке N 94017283/25 от 10.05.94. 2. Podymaka N. F. Laser. Patent N 2087060 according to the application N 94017283/25 from 05/10/94.

Claims

A laser with an active medium made in the form of a direct prism, which contains a transmitting face in front of the output mirror, the first and second direct dihedral reflectors located towards each other, and a dihedral angle of 135 ^o between the transmitting and the first reflecting faces, and the sides of the bases of the reflecting faces direct dihedral reflectors have a maximum overall measure, characterized in that the active medium is made in the form of a pentagonal convex prism, which contains a second dihedral angle of 135 ^o between the transmission side face with the sides of the base size

and the fourth reflecting face of the second direct dihedral reflector, and between the first and second direct dihedral reflectors there is a third direct dihedral reflector with the third and second reflecting faces, the first, second, third and fourth reflecting faces having the dimensions of the sides of the bases, respectively (m - 1) X , nX, mX, (n - 1) X, where X is the maximal general measure, m, n are natural numbers, m ≠ n.