5.2 Формирование расходимости выходного излучения при использовании различных типов резонаторов

Для улучшения пространственной когерентности лазерного излучения используются различные методы формирования качественного пучка.

Для малоапертурных лазеров с целью уменьшения расходимости выходного излучения используется метод уменьшения числа Френеля.

Число Френеля дается следующим выражением [22]:

, (47)

где а₁, а₂ – диаметры зеркал;

λ – длина волны излучения;

L – длина резонатора;

Уменьшение числа Френеля можно достичь изменением геометрических размеров резонатора или диафрагмированием излучения рисунок 11 а). При таком способе селекции можно достичь расходимости выходного излучения близкой к дифракционному пределу при малом уровне паразитного шума. Кроме того, в данной схеме просто осуществляется сужение ширины спектральной линии с использованием селекторов работающих на основе угловой селекции мод (дифракционные решетки, призмы)[23,24]. Поэтому она нашла широкое применение в схемах задающих генераторах (ЗГ) [25,26]. К недостаткам этого способа селекции следует отнести малую энергию выходного излучения.

Для широкоапертурных лазеров используют неустойчивые резонаторы, которые позволяют сохранить энергетические характеристики излучения на высоком уровне и при этом добиться уменьшения расходимости лазерного излучения. Недостатком неустойчивых резонаторов является присутствие в выходном излучении существенной доли усиленного спонтанного шума, что ограничивает их применение как задающих генераторов. Неустойчивый резонатор можно охарактеризовать следующими величинами: коэффициентом увеличения резонатора М, эквивалентным числом Френеля N_экв, радиусом кривизны зеркал R и длинной резонатора L.

Коэффициент увеличения неустойчивого резонатора показывает, во сколько раз увеличится сечение пучка после полного обхода резонатора. Он отвечает за селектирующую способность неустойчивого резонатора, с ростом М, которая увеличивается. Но при увеличении М также увеличиваются потери на излучение (потери для сферического зеркала 1-1/М²) вследствие чего уменьшается мощность генерации, а при достаточно больших М возможно также увеличение расходимости излучения связанное с преобладанием УСИ при недостаточной обратной связи.

В [27] приводятся условия, которым должен удовлетворять неустойчивый резонатор для получения эффективного уменьшения угловой расходимости до дифракционного предела:

а) С точки зрения сохранения энергии излучения лазера рекомендуется выбирать значения М такими, чтобы значение выражения 1-1/М² соответствовало бы оптимальным потерям плоскопараллельного резонатора.

б) Число проходов должно быть достаточным, чтобы до насыщения усиления нулевая мода стала преобладающей.

В этом случае, необходимое число проходов задается выражением:

, (48)

где N_f – число Френеля;

M – увеличение резонатора;

В работе [22] получено выражение для оптимального коэффициента увеличения в зависимости от свойств среды и параметров резонатора:

, (49)

где σ₀ – коэффициент неселективных потерь;

L – длина резонатора;

k_ус – коэффициент усиления активной среды;

Также в [22] приводится выражение для оценки расходимости выходного излучения в зависимости от параметров резонатора:

, (50)

где θ – угол расходимости выходного излучения;

а – размер активной среды;

n – число обходов резонатора;

М – коэффициент увеличения;

f – фокусное расстояние выпуклого зеркала;

Параметр N_экв характеризует потери для мод, формирующихся в резонаторе.

, (51)

где N_f – число Френеля, определяемое по формуле (47).

Также для эффективной работы неустойчивого резонатора необходимо чтобы излучение генерации хорошо заполняло сечение активной среды по всей ее длине. Если это не так, то выходная мощность лазера падает, причем более резко, чем в соответствии с долей используемого объема. В той области, где генерация отсутствует, может развиваться УСИ, которая может уменьшить инверсию в основном объеме. С другой стороны необходимо, чтобы излучение не попало на элементы конструкции лазера. Помимо уменьшения эффективности системы, это может привести к увеличению расходимости за счет переотражения от элементов конструкции лазера и последующего усиления отраженного пучка [22].

Таким образом, необходимо чтобы конфигурация пучка распространяющегося к выходному зеркалу в точности повторяла конфигурацию активной среды.

Наибольшее распространение в эксимерных лазерах получили телескопические резонаторы, и резонаторы образованные плоским и выпуклым зеркалом, изображены на рисунке 11 б) и в) соответственно.

В работе [21] измерялась пространственная когерентность излучения. Уменьшение расходимости лазерного излучения осуществлялось неустойчивыми резонаторами с высокими коэффициентами увеличения М=20-120. Использования таких высоких коэффициентов увеличения стало возможным, благодаря высокому коэффициенту усиления активной среды при коротком импульсе (20 нс). Полученные значения области когерентности составили 10 мм при использовании плосковыпуклого резонатора с коэффициентом увеличения 120.

В [28] исследовался резонатор образованный выпуклыми зеркалами (радиус кривизны 5,44 и 3,6 м) рисунок 12 а). Расходимость излучения составила 0,09 мрад. И в 1,5 раза превышает дифракционный предел (1,5_диф).

Следует отметить что, в работах [21, 28] используются резонаторы с не симметричным выводом излучения. В данных резонаторах удается избежать провала интенсивности по центру пучка, который появляется за счет перекрытия части излучения, выходным зеркалом резонатора. Конструкции таких резонаторов приведены на рисунке 12 а),б),в). Кроме того, резонаторы представленные в работе [21] в одной из плоскостей являются устойчивыми. Благодаря этому, в них осуществлено сужение спектральной линии за счет установки дополнительных селекторов (дифракционных решеток, призм).