Учет тепловой линзы в лазерных системах.

Предположим, что в активном элементе наведена тепловая линза, для которой известны параметры и Чтобы учесть эту тепловую линзу, надо заменить активный элемент идеальной линзовой системой, состоящей из тонкой линзы с фокусным расстоянием и двух отрезков свободного пространства протяженностью каждый. На рис. 2.84, а изображен исходный резонатор, образованный зеркалами с радиусами кривизны Внутри резонатора находится активный элемент длиной расстояния от левого и правого торцов элемента до ближайшего зеркала равны соответственно Штриховыми линиями показаны главные плоскости тепловой линзы активного элемента. На рис. изображен эквивалентный резонатор с тонкой линзой. Он имеет такие же зеркала, как и исходный резонатор, но иную длину. Длина исходного резонатора длина эквивалентного резонатора с тонкой линзой

Приведение резонатора с внутренней тепловой линзой к резонатору с обычной (тонкой) линзой позволяет перейти затем к рассмотрению эквивалентного безлинзового резонатора (см. § 2.6).

Эффект тепловой линзы играет обычно важную роль при формировании поля излучения в твердотельном лазере. При этом возможно заметное уменьшение эффективности

съема энергии с единицы объема активной среды и даже срыв генерации. Один из способов борьбы с эффектом тепловой линзы состоит в компенсации этого эффекта за счет внесения в резонатор дополнительных элементов, корректирующих волновой фронт генерируемого излучения (например, дополнительных линз). Другие способы связаны с ослаблением термических искажений резонатора за счет определенных конструктивных и технических решений в применении к конкретному лазеру.

Если известны параметры и тепловой линзы для данного активного образца и данных условий накачки, то можно учесть и использовать эффект тепловой линзы, подбирая должным образом тип резонатора и его геометрические размеры, включая расстояния от зеркал до торцевых поверхностей образца. Осуществляя согласование тепловой линзы с зеркалами резонатора, можно в принципе обеспечить максимальное заполнение объема активного элемента генерируемым излучением и тем самым повысить выходную мощность лазера.

Радиус светового пучка на левом торце активного образца в резонаторе на рис. 2.84, а может быть выражен согласно (2.9.29) через элементы матрицы М — двойного прохода резонатора на рис. 2.84, б от опорной плоскости, находящейся на расстоянии от левого зеркала резонатора. Эта матрица определяется так:

В результате искомый радиус светового пучка оказывается выраженным через геометрические параметры резонатора и через параметры тепловой линзы. Подбирая геометрические параметры, можно обеспечить максимальную величину радиуса пучка.

Вопросы согласования тепловой линзы активногг образца с зеркалами резонатора рассмотрены, например, в [67, 68]. В работе [68] на примере резонатора с двумя активными образцами исследована зависимость выходной мощности лазера от взаимного расположения активных образцов и зеркал резонатора с учетом наведенных тепловых линз.

На практике фокусное расстояние тепловой линзы, наведенной в твердотельном активном элементе, оказывается зависящим не только от мощности и пространственного распределения накачки,

но и от мощности генерируемого излучения. Параметр же практически не изменяется при самых различных мощностях накачки. Поэтому резонатор реального твердотельного лазера может рассматриваться как резонатор с внутренней линзой, положение которой фиксировано, а оптическая сила изменяется в некотором интервале значений. Большую практическую важность приобретает в этой связи поиск резонаторов с такой геометрией, которая обеспечивала бы наименьшую чувствительность каустики поля к изменениям оптической силы внутренней линзы. Этот вопрос проанализирован в работе [69], где рассмотрены плоскосферические резонаторы. Проведенный в [69] анализ позволяет рассчитывать резонаторы твердотельных лазеров, не чувствительные к изменениям оптической силы тепловой лннзы, наведенной в активном элементе.