Стабильный оптический резонатор (варианты)

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СТАБИЛЬНЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ РЕЗОНАТОР (ВАРИАНТЫ)(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Машко Василий Вячеславович Костик Олег Евстафьевич Тепляшин Леонид Леонидович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Стабильный оптический резонатор, включающий два зеркала резонатора, отличающийся тем, что содержит два одинаковых основных цилиндра с центральными отверстиями, соединенных внешним цилиндром с центральным отверстием, внутри которого расположен внутренний цилиндр с центральным отверстием, прикрепленный к внутреннему торцу одного из основных цилиндров, а два зеркала резонатора нанесены на стеклянные подложки цилиндрической формы, при этом одно из них прикреплено к свободному торцу внутреннего цилиндра, а другое - к торцу основного цилиндра, расположенному напротив свободного торца внутреннего цилиндра, причем все цилиндры расположены симметрично относительно оси резонатора, внешний и внутренний цилиндры выполнены из материалов с различными коэффициентами теплового расширения. 2. Стабильный оптический резонатор, включающий два зеркала резонатора, отличающийся тем, что содержит два одинаковых основных цилиндра с центральными отверстиями, соединенных внешним цилиндром с центральным отверстием, а два зеркала резонатора нанесены на стеклянные подложки цилиндрической формы, при этом одно из 87192012.10.30 них прикреплено к свободному торцу одного основного цилиндра, а другое - к торцу второго основного цилиндра, причем все цилиндры расположены симметрично относительно оси резонатора, внешний цилиндр и подложки зеркал выполнены из материалов с различными коэффициентами теплового расширения.(56) 1. Стабилизированный гелий-неоновый лазер с внутренними зеркалами. - Обзоры по электронной технике. Сер.11. Вып. 7 (1206). - М. ЦНИИ Электроника, 1986. - 50 с. Полезная модель относится к области лазерной техники и может найти применение при разработке компактных твердотельных лазеров с диодной накачкой. Способы стабилизации параметров лазерного излучения условно делятся на пассивные и активные. Пассивные способы обеспечивают стабилизацию параметров лазерного излучения без использования внешней обратной связи, тогда как активные способы осуществляют стабилизацию посредством обратной связи с помощью электронных устройств, вырабатывающих сигнал ошибки путем сравнения выходного и опорного сигналов. Сигнал ошибки используется для управления параметрами резонатора (например,его длиной). Пассивные способы стабилизации обеспечивают долговременную нестабильность частоты лазерного излучения вплоть до 10-8. Этот результат значительно уступает результату, полученному с помощью активных способов стабилизации. Например, при помощи активной стабилизации частотылазера по линиям поглощения йода получена долговременная нестабильность его частоты порядка 10-12. Однако следует отметить, что реализация активных способов стабилизации параметров лазерного излучения технически сложна и имеет высокую стоимость. Между тем в большинстве случаев использования лазерных источников излучения в машиностроении и приборостроении достаточна нестабильность частоты излучения порядка 10-6-10-7, которая вполне достижима пассивными способами стабилизации. Пассивная стабилизация параметров излучения лазеров достигается применением резонаторов, изготовленных из материалов с низким коэффициентом температурного расширения, помещением резонаторов в термостат, вакуумную камеру. Известен оптический резонатор 1, выполненный в виде газоразрядной трубки, внутри которой на противоположных ее концах закреплены лазерные зеркала. Таким образом,газоразрядная трубка служит корпусом оптического резонатора. Стабилизация длины оптического резонатора и, следовательно, частоты генерации излучения лазера осуществляется способом регулировки температуры газоразрядной трубки. Сущность этого способа стабилизации заключается в том, что излучение со стороны более плотного зеркала оптического резонатора пространственно разделяется по поляризациям с помощью двулучепреломляющего кристалла и поступает на двухсекторный фотодиод, который вырабатывает сигнал ошибки, пропорциональный разности интенсивностей излучений каждой поляризации. С помощью сигнала ошибки управляют нагревателями, размещенными на боковых стенках газоразрядной ячейки (резонатора) и, следовательно, длиной резонатора. За опорный принимается сигнал, соответствующий равенству интенсивностей двух излучений с взаимно ортогональными поляризациями. К основным причинам, препятствующим достижению указанных ниже технических результатов при использовании известного устройства, относятся применение технически сложной в изготовлении и имеющей относительно высокую стоимость активной системы температурной стабилизации резонатора, которую к тому же невозможно реализовать в резонаторах компактных твердотельных лазеров с диодной накачкой из-за ее достаточно больших геометрических размеров. 2 87192012.10.30 Технической задачей полезной модели является создание компактного термически стабильного оптического резонатора технически несложного и относительно дешевого в изготовлении для твердотельных лазеров с диодной накачкой. Поставленная техническая задача решается тем, что 1. Стабильный оптический резонатор, включающий два зеркала резонатора, содержит два одинаковых основных цилиндра с центральными отверстиями, соединенных внешним цилиндром с центральным отверстием, внутри которого расположен внутренний цилиндр с центральным отверстием, прикрепленный к внутреннему торцу одного из основных цилиндров, а два зеркала резонатора нанесены на стеклянные подложки цилиндрической формы, при этом одно из них прикреплено к свободному торцу внутреннего цилиндра, а другое - к торцу основного цилиндра, расположенному напротив свободного торца внутреннего цилиндра, причем все цилиндры расположены симметрично относительно оси резонатора, внешний и внутренний цилиндры выполнены из материалов с различными коэффициентами теплового расширения. 2. Стабильный оптический резонатор, включающий два зеркала резонатора, содержит два одинаковых основных цилиндра с центральными отверстиями, соединенных внешним цилиндром с центральным отверстием, а два зеркала резонатора нанесены на стеклянные подложки цилиндрической формы, при этом одно из них прикреплено к свободному торцу одного основного цилиндра, а другое - к торцу второго основного цилиндра, причем все цилиндры расположены симметрично относительно оси резонатора, внешний цилиндр и подложки зеркал выполнены из материалов с различными коэффициентами теплового расширения. На фиг. 1, 2 изображены схемы стабильного оптического резонатора, где 1, 2 - основной цилиндр 3 - внешний цилиндр 4 - внутренний цилиндр 5, 6 - зеркало резонатора 7, 8 - подложка 9 - ось резонатора р - длина резонатора 3 - длина внешнего цилиндра 4 - длина внутреннего цилиндра п - длина подложки. Предлагаемый стабильный оптический резонатор (фиг. 1) состоит из двух одинаковых основных цилиндров 1 и 2 с центральными отверстиями, соединенных между собой внешним цилиндром 3 с центральным отверстием, внутри которого располагается еще один внутренний цилиндр 4 с центральным отверстием, прикрепленный к внутреннему торцу основного цилиндра 1. Все цилиндры расположены симметрично относительно оси резонатора 9. Одно из зеркал резонатора 5 через стеклянную подложку 7 цилиндрической формы прикреплено к свободному торцу внутреннего цилиндра 4, а другое зеркало резонатора 6 через стеклянную подложку 8 цилиндрической формы - к торцу основного цилиндра 2, расположенному напротив свободного торца внутреннего цилиндра 4. Внешний цилиндр 3 и внутренний цилиндр 4 выполнены из материалов с различными коэффициентами теплового расширения а, причем коэффициент теплового расширения внешнего цилиндра 3 должен быть меньше коэффициента теплового расширения внутреннего цилиндра 4. Величины длин внешнего цилиндра 3 и внутреннего цилиндра 4(34) и материалы, из которого они изготовляются, выбирают исходя из требуемой длины резонатора лазера р и обеспечения ее постоянства при изменении температуры. Для некоторых интервалов длин резонатора р термостабилизация резонатора осуществляется без использования внутреннего цилиндра 4. Предлагаемый стабильный оптический резонатор (фиг. 2) состоит из двух одинаковых основных цилиндров 1 и 2 с 3 87192012.10.30 центральными отверстиями, соединенных между собой внешним цилиндром 3 с центральным отверстием. Все цилиндры расположены симметрично относительно оси резонатора 9. Зеркала резонатора 5 и 6, нанесенные на стеклянные цилиндрические подложки 7 и 8, крепятся к соответствующим торцам основных цилиндров 1 и 2, а функции внутреннего цилиндра выполняют подложки этих зеркал резонатора. Предлагаемый стабильный оптический резонатор работает следующим образом. Благодаря предложенной геометрической конфигурации оптического резонатора (фиг. 1) и применению различных материалов при изготовлении цилиндров 1, 2, 3, 4, из которых он состоит, при изменении температуры происходит изменение длины 3 внешнего цилиндра 3, длины п двух подложек 7, 8 и длины 4 внутреннего цилиндра 4, приводящее к изменению длины резонатора р, причем изменение длины внешнего цилиндра 3 и изменение длины внутреннего цилиндра 4 и длины подложек 7, 8 изменяют длину резонатора р противоположным образом если температура растет, то длина всех цилиндров резонатора и подложек увеличивается, однако увеличение длины внешнего цилиндра 3 приводит к увеличению длины резонатора р, а увеличение длины внутреннего цилиндра 4 и подложек 7, 8 приводит к уменьшению длины резонатора р, если температура падает, то длина всех цилиндров резонатора уменьшается, однако уменьшение длины внешнего цилиндра 3 приводит к уменьшению длины резонатора р, а уменьшение длины внутреннего цилиндра 4 и подложек 7, 8 приводит к увеличению длины резонатора р. Изменение длины основных цилиндров 1, 2 не влияет на изменение длины резонатора р. Таким образом, при соответствующем подборе длины внутреннего и внешнего цилиндров, а также материалов, из которых они изготовлены, оптический резонатор обеспечивает автоматическую термическую стабильность длины резонатора р. Соответствующие длины 4, 3 внутреннего и внешнего цилиндров в зависимости от длины резонатора р находят из системы уравнений (1), полученной из условия неизменности длины резонатора при изменении температуры, которая может быть достигнута только при 34 и 34. 2(3 )3 4(1) 342, где р - длина резонатора 4 - длина внутреннего цилиндра 3 - длина внешнего цилиндра п - длина подложки зеркал резонатора 4 - коэффициент температурного расширения внутреннего цилиндра 3 - коэффициент температурного расширения внешнего цилиндра п - коэффициент температурного расширения подложки. В некоторых частных случаях (фиг. 2) термическую стабильность оптического резонатора удается осуществить без использования внутреннего цилиндра 4. Для этих случаев система уравнений (1) преобразуется в систему уравнений (2), которая имеет решение при выполнении условий 32 п и 3 п. В обеих системах уравнений предполагается, что длины подложек обоих зеркал резонатора и их коэффициенты теплового расширения равны 3 В качестве примера в табл. 1, 2 приведены длины 4, 3 внутреннего 4 и внешнего 3 цилиндров стабильного оптического резонатора в зависимости от длин р резонатора при различных сочетаниях материалов этих цилиндров и параметрах подложек, а в табл. 3 приведены длины п подложек 7, 8 и внешнего 3 цилиндра в зависимости от длины р резонатора при соответствующих сочетаниях материалов подложек и внешнего цилиндра. 4 87192012.10.30 Таблица 1 Материал внутреннего цилиндра алюминий 42310 К . Материал внешнего цилиндра латунь 31910-6 К-1. Материал подложки зеркал стекло п 810-6 К-1, п 3 мм. р(мм) 4(мм) 3(мм) 5,00 40,25 51,25 6,00 45,00 57,00 7,00 49,75 62,75 8,00 54,50 68,50 9,00 59,25 74,25 10,00 64,00 80,00 Таблица 2 Материал внутреннего цилиндра латунь 41910 К . Материал внешнего цилиндра титан 38,610-6 К-1. Материал подложки зеркал стекло п 510-6 К-1, п 3 мм. р(мм) 4(мм) 3(мм) 5,00 6,21 17,21 6,00 7,04 18,04 7,00 7,97 18,87 8,00 8,69 19,69 9,00 9,52 20,52 10,00 10,35 21,35 Таблица 3 Материал внешнего цилиндра инвар 31,210 К . Материал подложки зеркал стекло пирекс п 310-6 К-1. р(мм) п(мм) 3(мм) 5,00 1,65 8,3 6,00 1,98 9,96 7,00 2,31 11,62 8,00 2,64 13,28 9,00 2,97 14,94 10,00 3,30 16,60 20,00 6,60 33,20 Например, если внешний и внутренний цилиндры стабильного оптического резонатора изготовлены из материалов, соответствующих табл. 3, с точностью по длине 0,01 мм,то температурное относительное изменение длины резонатора составляет 4,210-8 К-1, что на два порядка меньше, чем для оптического резонатора обычной геометрической конфигурации, в котором расстояние между зеркалами задается инваровым цилиндром. Таким образом, стабильный оптический резонатор обеспечивает, при соответствующем подборе геометрических размеров и материалов составляющих его цилиндров, автоматическую термостабильность длины оптического резонатора. Стабильный оптический резонатор имеет компактные размеры (табл. 1-3), технически несложен и относительно дешев в изготовлении, что позволяет использовать его в твердотельных лазерах с диодной накачкой. Такой резонатор может быть также использован в интерферометрии. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6