Конструирование оптических резонаторов

2.2. Конструирование оптических резонаторов

В конструктивном отношении оптический резонатор представляет собой устройство, обеспечивающее однозначное, жесткое расположение друг относительно друга активного элемента (AЭ) лазера и зеркал. Наиболее важными параметрами конструкции ОР являются угловая стабильность, стабильность оптического пути и виброустойчивость. Эти качества определяют стабильность лазера по частоте и мощности излучения. Для достижения оптимальных характеристик несущую конструкцию следует изготавливать из материалов с низким коэффициентом термического расширения и изолировать ОР как от внешних температурных изменений, так и от всех частей лазера, генерирующих тепло.

В качестве таких материалов используют инвар и кварц в виде стержней или толстостенных труб, жестко стягивающих торцевые фланцы резонатора, на которых укреплены юстировочные устройства зеркал [13] . Применяют трех- и четырехстержневые ОР. Там, где нет необходимости в долговременной частотной стабильности, можно применять материалы, которые приспосабливаются к температурным изменениям медленно и равномерно, так что угловая настройка зеркал остается неизменной. Для этой цели пригодны уголковые алюминиевые, силуминовые или дюралевые конструкции. Благодаря массивности, вся структура медленно реагирует на термические возмущения. Хорошая же теплопроводность указанных материалов обеспечивает равномерное растекание тепла, исключающее угловую разъюстировку ОР, и, как следствие, обеспечивающее высокую стабильность мощности излучения лазера. В некоторых лазерах, где тепловое влияние на резонатор невелико, например, в твердотельных и СО₂-лазерах с принудительным водяным охлаждением, несущая конструкция ОР выполняется в виде литого замкнутого короба, имеющего в стенках необходимые люки, для установки активных элементов и оптики.

Оптические резонаторы, как правило, помещаются в кожухи, из хорошо проводящих тепло материалов, которые выполняют роль пыле-, влаго- и тепловых экранов, обеспечивающих равномерное распределение температуры. Иногда дополнительно используют тепловую и кинематическую развязки, оптического резонатора и кожуха для предотвращения передачи между ними термических и механических напряжений. В этих целях используют, например, крепление ОР в кожухе с помощью сферических подшипников (рис.2.5).

Рис.2.5. Схема кинематической развязки резонатора: 1 - уголковая несущая конструкция ОР; 2 - стойка; 3 - дно кожуха; 4 - сферический подшипник; 5 - скользящий штырь

В некоторых газоразрядных лазерах коаксиальной конструкции роль несущей оптического резонатора выполняет наружная кварцевая или стеклянная трубка оболочки. В твердотельных лазерах несущая конструкция ОР может выполняться в виде массивной плиты, на которой крепятся все оптические элементы, закрываемые сверху кожухом.

Юстировочные устройства ОР должны обеспечивать надежную фиксацию положения зеркал, удобство настройки резонатора, замену зеркал, защиту от пыли и влаги. На практике выбор варианта юстировочного устройства зависит от конструктивных особенностей проектируемого лазера. Вариант устройства, представленный на рис.2.6, может использоваться в твердотельных лазерах с несущей конструкцией ОР в виде плиты. Устройство позволяет перемещать зеркало вокруг двух ортогональных осей, располагая его в нужной плоскости. Для устранения сколов при креплении зеркал используются кольцевые фторопластовые прокладки.

Большое распространение получили юстировочные устройства, которые устанавливаются на неподвижных торцевых фланцах, расположенных перпендикулярно оси ОР и стянутых распорными стержнями, или непосредственно на торцевых стенках резонаторов коробчатого типа. Такие устройства (рис.2.7), состоящие из подвижного фланца,

Рис.2.6. Выносное юстировочное устройство:

1 - зеркало; 2 - прижимная гайка с наружной резьбой; 3,4 - кольца поворота зеркал вокруг горизонтальной и вертикальной осей; 5 - вертикальные полуоси; 6 - пружинное стопорное устройство; 7 - микрометрические юстировочные винты; 8 - опорные скобы