RU2243620C1 - Laser, slab-laser, gas laser (alternatives), and gas slab-laser - Google Patents

Abstract

FIELD: laser engineering; high-power rectangular gas discharge geometry lasers.

SUBSTANCE: proposed laser has two elongated surfaces with laser active medium in-between, pumping means, and plane incorporating closed axial loop of traveling wave optical cavity. The latter is optically unstable in mentioned plane and optically stable in certain direction. Modes of optically unstable and optically stable cavities jointly dictate propagation characteristics inside cavity and radiation beam output therefrom. Active medium of laser may be gas, solid material, or liquid.

EFFECT: reduced sensitivity of cavity to maladjustment of its inner components without no unwanted effect due to high light intensity in focal plane when focusing beam inside cavity.

101 cl, 6 dwg

Description

Область техникиTechnical field

Настоящее изобретение относится к генерации когерентного излучения в виде одной или нескольких низших поперечных мод в большом объеме лазерной активной среды, имеющей асимметричное поперечное сечение, для получения выходного пучка, выводимого дифракционным образом и имеющего сплошное сечение. Это достигается путем использования гибридного неустойчивого резонатора бегущей волны. Вообще говоря, хорошо известно, что неустойчивые резонаторы стоячей волны, имеющие осесимметричное или асимметричное поперечное сечение, имеют более высокие, в смысле дискриминации поперечных мод, характеристики по сравнению с устойчивыми резонаторами стоячей волны. В данном изобретении показано, что применение гибридных неустойчивых кольцевых резонаторов позволяет получить свойства, которые невозможно получить с использованием гибридных неустойчивых оптических резонаторов стоячей волны. Например, широко известно, что гибридные неустойчивые резонаторы стоячей волны, относящиеся к отрицательной ветви, имеют уникально низкий уровень чувствительности к разъюстировке концевых зеркал вследствие переворота пучка, происходящего в фокальной плоскости пары вогнутых зеркал. Именно это свойство и является причиной того, что гибридные неустойчивые резонаторы стоячей волны, относящиеся к отрицательной ветви, считаются более перспективными в ряде лазерных применений по сравнению с гибридными резонаторами стоячей волны, относящимися к положительной ветви. Однако в настоящем изобретении показано, что желаемое свойство внутрирезонаторного переворота пучка, приводящее к замене левого на правое, и низкая чувствительность к разъюстировке резонатора могут быть получены в гибридном резонаторе бегущей волны без ухудшения характеристик, связанных с наличием фокальной перетяжки внутри резонатора. Помимо этого, вследствие того, что резонатор является резонатором бегущей волны, эффекты пространственного "выгорания дыр", характерные для некоторых лазерных сред, сводятся к нулю. Кроме того, поскольку настоящее изобретение ограничено резонаторами, которые являются неустойчивыми лишь в одной плоскости, не использует волноводы с разветвленной структурой и базируется преимущественно на применении полностью отражательной оптики, концепция, изложенная в нем, легко масштабируется до очень высокого уровня средней выходной мощности лазера. В соответствии с этим общая цель настоящего изобретения состоит в разработке новых и более совершенных методов и устройств такого типа.The present invention relates to the generation of coherent radiation in the form of one or more lower transverse modes in a large volume of a laser active medium having an asymmetric cross section, to obtain an output beam that is diffractically output and has a continuous cross section. This is achieved by using a hybrid unstable traveling wave resonator. Generally speaking, it is well known that unstable standing wave resonators having an axisymmetric or asymmetric cross section have higher characteristics, in the sense of discrimination of the transverse modes, in comparison with stable standing wave resonators. The present invention shows that the use of hybrid unstable ring resonators allows you to obtain properties that cannot be obtained using hybrid unstable optical standing-wave resonators. For example, it is widely known that hybrid unstable standing-wave resonators belonging to the negative branch have a uniquely low level of sensitivity to misalignment of end mirrors due to the inversion of the beam occurring in the focal plane of a pair of concave mirrors. It is this property that is the reason why hybrid unstable standing wave resonators related to the negative branch are considered more promising in a number of laser applications compared to hybrid standing wave resonators related to the positive branch. However, the present invention shows that the desired property of the intracavity flip of the beam, leading to the replacement of the left by the right, and low sensitivity to misalignment of the resonator can be obtained in a hybrid traveling wave resonator without compromising the characteristics associated with the presence of a focal waist inside the resonator. In addition, due to the fact that the resonator is a traveling-wave resonator, the effects of spatial “hole burning out” characteristic of some laser media are reduced to zero. In addition, since the present invention is limited to resonators that are unstable in only one plane, does not use branched waveguides and is mainly based on the use of fully reflective optics, the concept presented in it is easily scalable to a very high level of average laser output power. Accordingly, the overall objective of the present invention is to develop new and more advanced methods and devices of this type.

Общее описание предшествующих неустойчивых резонаторовGeneral Description of Prior Unstable Resonators

С момента первого появления неустойчивых резонаторов в литературе [1] и первых их систематических экспериментальных и аналитических исследований в 1965 году неустойчивые резонаторы нашли применение в эксимерных, ионных, молекулярных, твердотельных лазерах, а также в лазерах не жидких активных средах и лазерах на свободных электронах. Все эти лазеры в совокупности излучают в спектральном диапазоне от ультрафиолета до инфракрасной области.Since the first appearance of unstable resonators in the literature [1] and their first systematic experimental and analytical studies in 1965, unstable resonators have been used in excimer, ion, molecular, solid-state lasers, as well as in non-liquid active media lasers and free electron lasers. All of these lasers collectively emit in the spectral range from ultraviolet to infrared.

В данной пионерской статье с помощью ad hoc геометрооптического подхода было показано, что потери мод не зависят от размеров концевых зеркал, и что хотя потери в резонаторе, определенные экспериментальным путем, как и ожидалось, оказались большими, было высказано соображение о том, что дифракционный вывод излучения мог бы быть полезным для селекции поперечных мод. В 1967 году во второй работе [2] были перечислены три общих свойства неустойчивых резонаторов: "1) Неустойчивые резонаторы могут иметь большой объем моды даже при очень коротком резонаторе; 2) Неустойчивая конфигурация резонатора позволяет легко варьировать величину дифракционного вывода излучения; 3) Анализ показывает, что неустойчивые резонаторы должны обеспечивать высокую степень дискриминации по отношению к поперечным модам высших порядков."In this pioneer article, using the ad hoc geometric-optical approach, it was shown that the mode losses are independent of the size of the end mirrors, and that although the experimental losses in the resonator turned out to be large, as expected, it was suggested that the diffraction conclusion radiation could be useful for the selection of transverse modes. In 1967, in the second paper [2], three general properties of unstable resonators were listed: "1) Unstable resonators can have a large mode volume even with a very short cavity; 2) The unstable configuration of the resonator makes it easy to vary the diffraction output of the radiation; 3) The analysis shows "that unstable resonators should provide a high degree of discrimination with respect to higher order transverse modes."

Первое экспериментальное доказательство высокой степени дискриминации поперечных мод в лазере с неустойчивым резонатором было приведено в [3]. С течением времени указанные три свойства неустойчивых резонаторов были многократно продемонстрированы экспериментальным образом и теоретически. В 1967 и 1969 годах концепция неустойчивых резонаторов была распространена на конфокальные неустойчивые резонаторы, и было впервые предложено несколько новых типов кольцевых неустойчивых резонаторов [4]. В комментариях к краткому обсуждению их свойств [5, 6] указывалось на появление "новой возможности создания однонаправленных кольцевых генераторов [5, стр.1002]". В этих публикациях [4-6] впервые были введены неустойчивые кольцевые резонаторы как с фокальной перетяжкой внутри резонатора, так и без нее. Данные кольцевые резонаторы были исследованы в [5, 6], и впервые было показано, что "хотя потери мод, распространяющихся в противоположных направлениях, идентичны, существенная разница в объемах мод в таких резонаторах может способствовать получению однонаправленной генерации [5, стр.1002]".The first experimental evidence of a high degree of discrimination of transverse modes in a laser with an unstable cavity was given in [3]. Over time, these three properties of unstable resonators have been repeatedly demonstrated experimentally and theoretically. In 1967 and 1969, the concept of unstable resonators was extended to confocal unstable resonators, and several new types of ring unstable resonators were proposed for the first time [4]. The comments on a brief discussion of their properties [5, 6] pointed to the emergence of “a new possibility of creating unidirectional ring generators [5, p. 1002]”. In these publications [4–6], unstable ring resonators were introduced for the first time with or without focal constriction inside the resonator. These ring resonators were investigated in [5, 6], and it was shown for the first time that “although the losses of modes propagating in opposite directions are identical, a significant difference in the volume of modes in such resonators can contribute to unidirectional generation [5, p. 1002] "

Хотя активная среда СO₂-лазера рассматривалась как один из идеальных кандидатов для использования в сочетании с неустойчивой резонаторной системой, понадобилось почти пять лет после первого обсуждения неустойчивых резонаторов в литературе [1] для того, чтобы детали такой резонаторной системы были изложены в [7] в 1969 году. В данной работе сообщалось об использовании конфокального неустойчивого резонатора положительной ветви для генерации непрерывного излучения с выходной мощностью 22 Вт и кольцевого выводного зеркала для вывода из лазера коллимированной основной моды, имеющей форму кольца в ближней зоне. В течение года с момента вышедшей в 1970 году первой публикации, проливающей свет на истинные величины потерь первых шести низших мод в неустойчивых резонаторах стоячей волны с круглыми зеркалами, была опубликована работа [9], в которой сообщалось о создании на базе неустойчивой резонаторной системы непрерывного СO₂-лазера с выходной мощностью 30 кВт.Although the active medium of a CO ₂ laser was considered as one of the ideal candidates for use in combination with an unstable resonator system, it took almost five years after the first discussion of unstable resonators in the literature [1] for the details of such a resonator system to be presented in [7] in 1969. In this work, we reported the use of a confocal unstable resonator of the positive branch to generate continuous radiation with an output power of 22 W and an annular output mirror to output a collimated main mode from the laser, which has the shape of a ring in the near zone. Within a year from the first publication in 1970 shedding light on the true values of the loss of the first six lower modes in unstable standing wave resonators with round mirrors, a paper [9] was published that reported the creation of a continuous CO based on an unstable resonator system ₂ lasers with an output power of 30 kW.

В 1972 г. был впервые запатентован не имеющий аналогов кольцевой неустойчивый резонатор [10]. Примерно в это же время был опубликован ряд экспериментальных работ по СO₂-лазерам, в которых детальным образом исследовались характеристики конфокальных неустойчивых резонаторов стоячей волны [11], однонаправленных симметричных конфокальных кольцевых резонаторов [12], асимметричных конфокальных кольцевых резонаторов [13], а также неустойчивых резонаторов стоячей и бегущей волны, работающих в режиме инжекции излучения и регенеративного усиления [14]. Было показано [11], что в конфокальных неустойчивых резонаторах стоячей волны измеренные дифракционные потери без каких-либо исключений находятся в полном соответствии с потерями, предсказываемыми строгой дифракционной теорией [8]. Это соответствие включает и детали поведения потерь моды в резонаторе вблизи точки перехода от низшей симметричной моды к следующей за ней по потерям симметричной моде [11, фиг.17]. Подобным образом однонаправленный режим работы неустойчивого резонатора бегущей волны, предложенный в середине 1968 г. в [4], был реализован впервые в [12, 13], как и предсказывалось ранее [5], лишь за счет размещения усиливающей среды в месте, для которого объемы прямой и обратной волны отличаются, что дает преимущество бегущей волне лишь одного направления. Более того, было показано, что использование неустойчивых резонаторов бегущей волны является мощным резонаторным подходом применительно к концепции лазерного регенеративного усиления [14]. В этом случае, как было показано, степень однонаправленности генерации значительно усиливается за счет выходного зеркала инжектирующего излучение лазера [14, фиг.35], которое служит в качестве возвратного зеркала для кольцевого резонатора [10, фиг.24, элемент 24]. Было показано, что в регенеративных усилителях, созданных на базе кольцевых оптических неустойчивых резонаторов, однонаправленный режим достигается легче, чем в случае использования неустойчивых резонаторов стоячей волны, поскольку изолятор в этом случае не требуется [10, фиг.29].In 1972, an unmatched ring unstable resonator was patented for the first time [10]. Around the same time, a number of experimental works on CO ₂ lasers were published, in which the characteristics of confocal unstable standing wave resonators [11], unidirectional symmetric confocal ring resonators [12], asymmetric confocal ring resonators [13], and unstable standing and traveling wave resonators operating in the mode of radiation injection and regenerative amplification [14]. It was shown [11] that, in confocal unstable standing wave resonators, the measured diffraction losses, without any exceptions, are in full agreement with the losses predicted by the strict diffraction theory [8]. This correspondence also includes details of the behavior of mode losses in the cavity near the transition point from the lowest symmetric mode to the next symmetrical mode in terms of loss [11, Fig. 17]. Similarly, the unidirectional mode of operation of an unstable traveling-wave resonator, proposed in mid-1968 in [4], was implemented for the first time in [12, 13], as was previously predicted [5], only by placing the amplifying medium in a place for which the volumes of the forward and backward waves are different, which gives the advantage of a traveling wave of only one direction. Moreover, it was shown that the use of unstable traveling-wave resonators is a powerful resonator approach in relation to the concept of laser regenerative amplification [14]. In this case, as was shown, the degree of unidirectional generation is significantly enhanced due to the output mirror of the laser injecting radiation [14, Fig. 35], which serves as a return mirror for the ring resonator [10, Fig. 24, element 24]. It was shown that in regenerative amplifiers based on ring optical unstable resonators, unidirectional mode is achieved more easily than in the case of using unstable standing wave resonators, since an insulator is not required in this case [10, Fig. 29].

Как следует из сказанного, в течение декады с момента введения неустойчивых резонаторов и их первого анализа понимание неустойчивых резонаторов прошло путь от первоначального геометрооптического подхода [1] к подходу, основанному на итерационных расчетах в дифракционном приближении [8]. В течение этой декады теоретических исследований выходная мощность СO₂-лазеров возросла в конечном итоге от 20 Вт в первых устройствах стоячей волны [7] до уровня непрерывной выходной мощности предположительно в несколько сотен киловатт при использовании несимметричного кольцевого резонатора [12, 13].As follows from what has been said, over the decade since the introduction of unstable resonators and their first analysis, understanding of unstable resonators has gone from the initial geometrical-optical approach [1] to the approach based on iterative calculations in the diffraction approximation [8]. During this decade of theoretical studies, the output power of CO ₂ lasers ultimately increased from 20 W in the first standing wave devices [7] to a level of continuous output power of presumably several hundred kilowatts when using an asymmetric ring resonator [12, 13].

С исторической точки зрения интересно отметить, что оригинальная концепция неустойчивого оптического резонатора [1], предложенная Сигменом в 1965 году, никогда и нигде не заявлялась для патентования. По видимому это объяснялось тем, что в первый период обсуждения и разработок отсутствовала надежная дифракционная модель неустойчивого резонатора. Между тем, существенная практическая ценность конфокальных неустойчивых резонаторов была независимо предсказана в 1968 году в [7] и продемонстрирована экспериментально в [15] в 1969 году. В результате этих исследований конфокальный неустойчивый резонатор положительной ветви (телескопический резонатор) был запатентован в России [16] с датой приоритета 18.03.1968, но в течение длительного времени оставался неизвестным мировому сообществу. Идея кольцевого неустойчивого резонатора, предложенная в 1968 году в [4], никогда не заявлялась для патентования вплоть до 1972 года. С ретроспективной точки зрения это могло быть связано с общим непониманием того, насколько полно может быть подавлена обратная волна, распространяющаяся в резонаторе. В 1972 г. неустойчивые кольцевые резонаторы были запатентованы в [10] благодаря разработке эффективных методов обеспечения однонаправленного режима работы лазеров с такими резонаторами. В любом случае обзор работ по неустойчивым резонаторам, отражающий взгляды того времени, может быть найден в [6, 17], а наиболее полное обсуждение всех упомянутых, а также других типов неустойчивых резонаторов, наряду с подробной библиографией, - в [18, 19].From a historical point of view, it is interesting to note that the original concept of an unstable optical resonator [1], proposed by Sigman in 1965, has never been claimed for patenting anywhere. Apparently this was due to the fact that in the first period of discussion and development there was no reliable diffraction model of an unstable resonator. Meanwhile, the substantial practical value of confocal unstable resonators was independently predicted in 1968 in [7] and experimentally demonstrated in [15] in 1969. As a result of these studies, the confocal unstable cavity of the positive branch (telescopic cavity) was patented in Russia [16] with a priority date of March 18, 1968, but for a long time remained unknown to the international community. The idea of a ring unstable resonator, proposed in 1968 in [4], was never announced for patenting until 1972. From a retrospective point of view, this could be due to a general misunderstanding of how completely the backward wave propagating in the resonator can be suppressed. In 1972, unstable ring resonators were patented in [10] due to the development of effective methods for ensuring unidirectional operation of lasers with such resonators. In any case, a review of works on unstable resonators, reflecting the views of that time, can be found in [6, 17], and the most complete discussion of all the mentioned, as well as other types of unstable resonators, along with a detailed bibliography, in [18, 19] .

Устойчивые кольцевые резонаторы были широко известны в лазерной технике со второй половины шестидесятых годов, т.к. еще ранее было предложено, наряду с другими применениями, использовать их для измерения вращения объектов в инерциальном гравитационном поле [20]. Как было показано специально для этих применений, разностная частота между волнами, распространяющимися по кольцу в прямом и обратном направлениях, пропорциональна угловой скорости вращения кольцевой лазерной системы. Неустойчивые кольцевые резонаторы принципиально отличаются от устойчивых кольцевых резонаторов тем, что в неустойчивых кольцевых резонаторах диаметры мод прямого и обратного направлений в общем случае различны, а в устойчивых кольцевых резонаторах одинаковы. Это обстоятельство служит основой одного из методов достижения однонаправленного режима работы [5, 6] путем использования диафрагмы внутри резонатора. Помимо этого, подавление волн, распространяющихся в одном из возможных направлений, как в симметричных [12], так и в асимметричных [6, 12, 13] кольцевых неустойчивых резонаторах, может быть осуществлено путем разумного размещения активной среды внутри резонатора. Для достижения этого активную среду размещают внутри резонатора в той области, где объем моды одной из бегущих волн является большим и превосходит объем другой бегущей волны [17, фиг.16, 17]. В близком к симметричному неустойчивом кольцевом резонаторе отношение выходных мощностей прямой и обратной волн оказалось в экспериментах близким к 20 [12, фиг.6]. Другим путем достижения однонаправленного режима является использование возвратного зеркала [10, фиг.2], размещенного вне резонатора. Следует отметить, что аспект однонаправленности, как в устойчивых, так и в неустойчивых резонаторах с симметричной апертурой, является центральным в идее достижения регенеративного усиления без введения оптического изолятора между задающим генератором и регенеративным усилителем [14, фиг.8, 29]. Подобно этому в таких применениях, как разнообразные методы диагностики плазмы [21] или анализ спектрального состава излучения лазера [22], использование кольцевых резонаторов является в высшей степени желательным или даже принципиальным. Поэтому неудивительно, что в описании всех этих применений, изобретений и устройств, без исключения, всегда имеет место то или иное обсуждение обоих направлений распространения внутри кольца.Stable ring resonators have been widely known in laser technology since the second half of the sixties, because even earlier it was proposed, along with other applications, to use them to measure the rotation of objects in an inertial gravitational field [20]. As was shown specifically for these applications, the difference frequency between the waves propagating along the ring in the forward and reverse directions is proportional to the angular velocity of rotation of the ring laser system. Unstable ring resonators are fundamentally different from stable ring resonators in that, in unstable ring resonators, the diameters of the modes of the forward and reverse directions are generally different, and the same in stable ring resonators. This circumstance serves as the basis for one of the methods for achieving unidirectional operation [5, 6] by using the diaphragm inside the cavity. In addition, the suppression of waves propagating in one of the possible directions, both in symmetric [12] and asymmetric [6, 12, 13] ring unstable resonators, can be achieved by reasonably placing the active medium inside the resonator. To achieve this, the active medium is placed inside the resonator in the region where the mode volume of one of the traveling waves is large and exceeds the volume of the other traveling wave [17, Fig. 16, 17]. In a near-symmetric unstable ring resonator, the ratio of the output powers of the forward and backward waves turned out to be close to 20 in the experiments [12, Fig.6]. Another way to achieve unidirectional mode is to use a return mirror [10, figure 2], placed outside the resonator. It should be noted that the unidirectional aspect, both in stable and unstable resonators with a symmetrical aperture, is central to the idea of achieving regenerative amplification without introducing an optical isolator between the master oscillator and the regenerative amplifier [14, Fig. 8, 29]. Similarly, in applications such as a variety of plasma diagnostic methods [21] or analysis of the spectral composition of laser radiation [22], the use of ring resonators is highly desirable or even fundamental. Therefore, it is not surprising that in the description of all these applications, inventions and devices, without exception, one or another discussion of both directions of propagation inside the ring always takes place.

Очевидно, что если при рассмотрении оптического устройства бегущей волны, в котором волны двух противоположных направлений распространения выходят из устройства в различных и единственных для каждой из волн направлениях, обсуждать только одно из направлений распространения, то это равносильно обсуждению лишь половины оптической проблемы. Действительно, без такого обсуждения невозможно даже с уверенностью сказать, какая из двух распространяющихся навстречу друг другу мод используется для вывода, т.е. в каком направлении будет выходить излучение. И наоборот, если дискуссия относительно двух возможных направлений распространения отсутствует в описании того или иного изобретения или устройства, такие изобретения или устройства должны рассматриваться как изобретения и устройства, основанные, по своей природе и применениям, на концепции стоячей волны.Obviously, if, when considering the optical device of a traveling wave, in which waves of two opposite directions of propagation leave the device in different and unique directions for each wave, we discuss only one of the directions of propagation, then this is equivalent to discussing only half of the optical problem. Indeed, without such a discussion it is impossible even to say with certainty which of the two modes propagating towards each other is used for output, i.e. in which direction the radiation will go. Conversely, if there is no discussion about the two possible directions of distribution in the description of an invention or device, such inventions or devices should be considered as inventions and devices based, in their nature and applications, on the concept of a standing wave.

В отличие от очевидного различия в направленности генерации, которое считается наиболее отличительным признаком при сравнении устойчивых кольцевых резонаторов и устойчивых резонаторов стоячей волны, различия между неустойчивыми кольцевыми резонаторами и устойчивыми кольцевыми резонаторами являются значительно более богатыми и более сложными. Например, в устойчивом кольцевом резонаторе диаметр моды в прямой и обратной волнах в любом сечении внутри резонатора, а также полные объемы мод одинаковы для обеих волн. В противоположность этому диаметры моды для прямой и обратной волн, измеренные в любом поперечном сечении внутри неустойчивого резонатора, а также полные объемы моды в указанных двух волнах, распространяющихся навстречу друг другу, в общем случае являются различными.In contrast to the obvious difference in the direction of generation, which is considered the most distinguishing feature when comparing stable ring resonators and stable standing wave resonators, the differences between unstable ring resonators and stable ring resonators are much richer and more complex. For example, in a stable ring resonator, the diameter of the mode in the forward and backward waves in any section inside the resonator, as well as the total volumes of the modes are the same for both waves. In contrast, the diameters of the mode for the forward and backward waves, measured in any cross section inside the unstable resonator, as well as the total volumes of the mode in these two waves propagating towards each other, are generally different.

В иллюстративных целях предположим, что неустойчивый кольцевой резонатор является и конфокальным и асимметричным. В нашем рассмотрении термин "конфокальный" означает, что конструкция резонатора выбрана таким образом, что либо прямая, либо обратная волна выходит из резонатора в виде коллимированного пучка. Термин "асимметричный" в данном случае означает, что расстояние между оптическими элементами, расширяющими пучок, больше (либо меньше) оставшейся части периметра резонатора. Для такого асимметричного конфокального случая [10] резонатор является конфокальным только в одном из направлений вдоль кольца. Другими словами, "этот вид асимметрии направлений может быть реализован только в [неустойчивом] кольцевом резонаторе" [19, с.839, строки 28, 29]. Поэтому для того, чтобы полностью и недвусмысленно описать модовые свойства неустойчивых кольцевых резонаторов, эти резонаторы надо рассматривать полностью обособленно от устойчивых резонаторов стоячей волны, устойчивых резонаторов бегущей волны, а также неустойчивых резонаторов стоячей волны.For illustrative purposes, suppose that an unstable ring resonator is both confocal and asymmetric. In our consideration, the term “confocal” means that the design of the resonator is chosen in such a way that either the direct or backward wave leaves the resonator in the form of a collimated beam. The term “asymmetric” in this case means that the distance between the optical elements expanding the beam is greater (or less) than the remaining part of the perimeter of the resonator. For such an asymmetric confocal case [10], the resonator is confocal in only one of the directions along the ring. In other words, “this type of asymmetry of directions can only be realized in a [unstable] ring resonator” [19, p. 839, lines 28, 29]. Therefore, in order to fully and unambiguously describe the mode properties of unstable ring resonators, these resonators must be considered completely separate from stable standing wave resonators, stable traveling wave resonators, and also unstable standing wave resonators.

Следовательно, при рассмотрении изобретений, новизна которых состоит в использовании тех или иных типов неустойчивых резонаторов с симметричной апертурой или гибридных неустойчивых резонаторов, нельзя утверждать, что данные изобретения включают кольцевые неустойчивые резонаторы, если сам патент не содержит обсуждения того, каким образом эффективно подавляется мода, распространяющаяся по неустойчивому кольцевому резонатору в одном из направлений. Точно так же, должно быть представлено какое-либо обсуждение того, как соотносятся между собой форма сечения пучка в генерирующей бегущей моде с сечением лазерной усиливающей среды, если эта мода остается не подавленной, поскольку, будучи не подавленной, эта мода определяет направление, в котором будет излучаться значительная выходная мощность лазера. В этом отношении патент США №5097479 [23] полностью соответствует этому замечанию, т.к. содержит описание подавления одной из бегущих волн в двухзеркальном разветвленном неустойчивом кольцевом резонаторе применительно к СО₂ лазерной среде типа слэба. Подобно этому патент США №3824487 [10] соответствует указанному требованию, поскольку в нем обсуждается как обратная волна, так и проблема согласования другой, не подавленной волны с большим объемом активной среды. С другой стороны, патенты США №4719639 [24] и №5048048 [25] неудовлетворительны в этом отношении, и, таким образом, их применимость принципиально самоограничена и распространяется лишь на гибридные неустойчивые резонаторы стоячей волны.Therefore, when considering inventions whose novelty is the use of certain types of unstable resonators with a symmetrical aperture or hybrid unstable resonators, it cannot be argued that these inventions include ring unstable resonators, unless the patent itself contains a discussion of how the mode is effectively suppressed, propagating along an unstable ring resonator in one of the directions. Similarly, any discussion should be presented on how the shape of the beam cross section in the generating traveling mode is related to the cross section of the laser amplifying medium if this mode remains unpressed, since, if not suppressed, this mode determines the direction in which Significant laser output will be emitted. In this regard, US patent No. 5097479 [23] is fully consistent with this remark, because describes the suppression of one of the traveling waves in a two-mirror branched unstable ring resonator with respect to CO ₂ slab type laser medium. Similarly, US patent No. 3824487 [10] meets the specified requirement, since it discusses both the backward wave and the problem of matching another, not suppressed wave with a large volume of active medium. On the other hand, US patent No. 4719639 [24] and No. 5048048 [25] are unsatisfactory in this regard, and, thus, their applicability is fundamentally self-limited and applies only to hybrid unstable standing wave resonators.

Как показано далее, лазер с резонатором бегущей волны, в котором для одного поперечного направления мода бегущей волны соответствует моде неустойчивого резонатора, а в ортогональном поперечном направлении соответствует волноводной моде либо гауссовой моде, характерной для распространения в свободном пространстве, может идеально годиться для эффективного съема энергии из активной среды любого типа, имеющей удлиненное поперечное сечение. Это, конечно, предполагает, что генерация в одном из направлений вдоль кольца неустойчивого кольцевого резонатора может быть эффективно подавлена. Если это так, то использование настоящего изобретения может принести выгоду в сочетании с эксимерными, ионными, молекулярными, твердотельными и жидкостными активными средами, а также средой лазера на свободных электронах, излучающими в совокупности во всем диапазоне спектра от ультрафиолета до инфракрасной области. Такие среды могут накачиваться высокочастотным разрядом, постоянным током, электронным пучком, некогерентным светом, когерентным светом или источником свободных электронов, либо любой комбинацией перечисленных методов.As shown below, a laser with a traveling wave resonator, in which for one transverse direction the traveling wave mode corresponds to the mode of an unstable resonator, and in the orthogonal transverse direction corresponds to the waveguide mode or the Gaussian mode characteristic of propagation in free space, can be ideally suited for efficient energy removal from an active medium of any type having an elongated cross section. This, of course, suggests that generation in one of the directions along the ring of an unstable ring resonator can be effectively suppressed. If this is the case, the use of the present invention can be beneficial in combination with excimer, ionic, molecular, solid-state and liquid active media, as well as a free-electron laser medium emitting in the whole spectrum from the ultraviolet to the infrared. Such media can be pumped by high-frequency discharge, direct current, electron beam, incoherent light, coherent light or a source of free electrons, or any combination of these methods.

Описание известных волноводных и слэб-лазеров с высокочастотным возбуждениемDescription of known waveguide and slab lasers with high-frequency excitation

Настоящее изобретение может быть использовано, например, в мощных СО- или СO₂-лазерах с прямоугольной геометрией разряда, хотя область его практической пригодности не ограничивается этими применениями. В общем случае прямоугольной геометрией разряда считается такая, при которой поперечное сечение разряда является удлиненным и разряд происходит в наиболее типичном случае либо вдоль меньшего поперечного размера (слэб-устройства), либо вдоль большего размера сечения (слайс-устройства). В слайс-устройствах существует также особый случай, когда разряд осуществляется в направлении, перпендикулярном удлиненной поперечной апертуре. Во всех этих случаях отношение длинной стороны поперечного сечения к его короткой стороне является большим и выбрано таким, что в направлении вдоль длинной стороны может поддерживаться мода неустойчивого резонатора бегущей волны. Вследствие удлиненности поперечного сечения в таких лазерах могут с успехом использоваться оптические резонаторы, которые имеют различные функциональные характеристики, а также характеристики распространения в двух различных поперечных измерениях. Впервые оптический резонатор подобной геометрии был экспериментально исследован в [26] в составе слэб-лазера на неодимовом стекле. Резонатор включал в себя одно плоское и одно выпуклое цилиндрическое зеркало, так что резонатор был неустойчивым вдоль большого поперечного измерения слэба (240 мм) и эквивалентным Фабри-Перо резонатору вдоль короткой стороны сечения (20мм). Впоследствии подобные резонаторы были названы гибридными [27]. Таким образом, двумя типами гибридных резонаторов, к которым особенно хорошо применимо настоящее изобретение, являются такие, в которых поле вдоль короткого поперечного размера описывается либо i) волноводной модой, либо ii) гауссовой модой свободного пространства, в то время как вдоль большего поперечного измерения оно функционально описывается модой неустойчивого резонатора.The present invention can be used, for example, in high-power CO or CO ₂ lasers with a rectangular discharge geometry, although its practical applicability is not limited to these applications. In the general case, the rectangular geometry of the discharge is considered to be such that the discharge cross section is elongated and the discharge occurs in the most typical case either along a smaller transverse size (slab device) or along a larger section size (slice device). In slice devices, there is also a special case where the discharge is carried out in a direction perpendicular to the elongated transverse aperture. In all these cases, the ratio of the long side of the cross section to its short side is large and is selected so that in the direction along the long side the mode of the unstable traveling wave resonator can be supported. Due to the elongation of the cross section in such lasers, optical resonators that have different functional characteristics, as well as propagation characteristics in two different transverse dimensions, can be successfully used. For the first time, an optical resonator of similar geometry was experimentally investigated in [26] as a part of a neodymium-glass slab laser. The resonator included one plane and one convex cylindrical mirror, so that the resonator was unstable along the large transverse slab dimension (240 mm) and equivalent to the Fabry-Perot resonator along the short side of the cross section (20 mm). Subsequently, such resonators were called hybrid [27]. Thus, two types of hybrid resonators to which the present invention is particularly well applicable are those in which the field along the short transverse dimension is described by either i) the waveguide mode or ii) the Gaussian mode of free space, while along the larger transverse dimension it functionally described by the mode of an unstable resonator.

В предпочтительных вариантах выполнения данного изобретения предлагаемая оптическая конфигурация может найти практическое применение в мощных волноводных газовых лазерах с диффузионным охлаждением газа, использующих разряд с геометрией типа слэба, в соответствии с патентом '639 [24], или слайс-геометрией, в соответствии с патентом '663 [28].In preferred embodiments of the present invention, the proposed optical configuration can find practical application in high-power waveguide gas lasers with diffusion cooling of gas using a discharge with a slab-type geometry in accordance with the '639 [24] patent or slice geometry in accordance with the' 663 [28].

Волноводный слэб-лазер, возбуждаемый поперечным высокочастотным электрическим разрядом, содержит волновод, образованный обращенными друг к другу отражающими поверхностями двух расположенных параллельно удлиненных электродов. Электроды изготовляют из материала, хорошо отражающего лазерное излучение, что обеспечивает малые потери излучения в волноводе. Пространство между электродами заполняется газовой активной средой, возбуждаемой поперечным электрическим разрядом, создаваемым в активной среде при подаче мощности высокочастотного возбуждения на электроды. Около торцов волновода, образованного поверхностями электродов, устанавливают зеркала, формирующие лазерный резонатор. Помимо возбуждения газа электрическим разрядом и формирования верхней и нижней стенок оптического волновода, электроды служат охлаждающими элементами и обеспечивают отвод тепла от активной среды. Для обеспечения хорошего диффузионного теплоотвода из области разряда электроды изготовляют из материала с высокой теплопроводностью, а величина зазора между ними выбирается малой и обычно не превышает нескольких миллиметров.The waveguide slab laser, excited by a transverse high-frequency electric discharge, contains a waveguide formed by the reflective surfaces of two elongated electrodes arranged in parallel facing each other. The electrodes are made of a material that reflects laser radiation well, which ensures low radiation losses in the waveguide. The space between the electrodes is filled with a gas active medium excited by a transverse electric discharge created in the active medium by applying high-frequency excitation power to the electrodes. Near the ends of the waveguide formed by the surfaces of the electrodes, mirrors are installed that form the laser resonator. In addition to the excitation of gas by an electric discharge and the formation of the upper and lower walls of the optical waveguide, the electrodes serve as cooling elements and provide heat removal from the active medium. To ensure good diffusion heat removal from the discharge region, the electrodes are made of a material with high thermal conductivity, and the gap between them is chosen small and usually does not exceed several millimeters.

Электрическое поле в таком разряде направленно существенно перпендикулярно к поверхностям охлаждающих элементов и ориентировано существенно в направлении высоты поперечного сечения активной среды. Типичными примерами таких лазеров являются волноводные лазеры с высокочастотным возбуждением на СO₂ [29, 30], СО [31] и Хе [32]. Для слайс-лазеров, выполненных в соответствии с патентом '663 [28], также характерна газовая усиливающая среда, возбуждаемая высокочастотным электрическим разрядом и имеющая удлиненное поперечное сечение с короткой и длинной сторонами. В отличие от волноводных лазеров, область разряда определяется в них электрическим полем, создаваемым в направлении, перпендикулярном короткой стороне поперечного сечения. В слайс-лазерах разряд ограничен пространством, заключенным между парой близко расположенных непроводящих охлаждающих элементов. Эти охлаждающие элементы расположены напротив друг друга таким образом, что промежуток между их обращенными друг к другу поверхностями не только достаточно мал, чтобы обеспечить диффузионное охлаждение газа, заполняющего промежуток, но и является приемлемым с точки зрения создания световода для распространения лазерного излучения между непроводящими поверхностями. Таким образом, разряд в газе возбуждается системой электродов, расположенных так, что электрическое поле в разрядной камере существенно параллельно поверхностям охлаждающих элементов, т.е. направлено поперечным образом по отношению к высоте (меньшему измерению) поперечного сечения активной среды. Как указано в патенте '663 [28], такие слайс-лазеры имеют ряд преимуществ по сравнению с обычными волноводными лазерами. Эти преимущества, среди прочих, включают в себя независимый выбор и оптимизацию давления газа в разряде и частоты возбуждения, возможность использования для возбуждения разряда как высокочастотных источников, так и источников постоянного тока, а также сравнительно слабое влияние пограничных слоев, образующихся вблизи электродов.The electric field in such a discharge is directed substantially perpendicular to the surfaces of the cooling elements and is oriented substantially in the direction of the height of the cross section of the active medium. Typical examples of such lasers are waveguide lasers with high-frequency excitation on CO ₂ [29, 30], CO [31], and Xe [32]. Slice lasers made in accordance with the '663 patent [28] are also characterized by a gas amplifying medium excited by a high-frequency electric discharge and having an elongated cross section with short and long sides. Unlike waveguide lasers, the discharge region is determined in them by an electric field created in a direction perpendicular to the short side of the cross section. In slice lasers, the discharge is limited by the space enclosed between a pair of closely spaced non-conductive cooling elements. These cooling elements are located opposite each other so that the gap between their facing each other surfaces is not only small enough to provide diffusion cooling of the gas filling the gap, but is also acceptable from the point of view of creating a fiber for the propagation of laser radiation between non-conducting surfaces. Thus, a discharge in a gas is excited by a system of electrodes arranged so that the electric field in the discharge chamber is substantially parallel to the surfaces of the cooling elements, i.e. directed transversely with respect to the height (smaller dimension) of the cross section of the active medium. As indicated in the '663 patent [28], such slice lasers have a number of advantages over conventional waveguide lasers. These advantages, among others, include the independent selection and optimization of the gas pressure in the discharge and the excitation frequency, the possibility of using both high-frequency sources and direct current sources to excite the discharge, as well as the relatively weak influence of the boundary layers formed near the electrodes.

Ясно, что устройство на основе высокочастотного поперечного разряда в трубке малого диаметра, в микроволновом и высокочастотном вариантах, описанное в 1980 г. в [33], и устройство полосовой геометрии, описание в 1984 в [34], предшествовали подаче заявки на устройство слэб-геометрии '639 [24] в 1987 г. Вследствие существовавших в то время предшествующих изобретений, слэб-лазеры, с точки зрения возможности патентования, были ограничены случаем, в котором в направлении меньшего из двух поперечных измерений разряда реализуется только волноводный режим, а в направлении большего размера - только режим работы, присущий неустойчивому резонатору. В волноводном слэб-лазере моды света, распространяющегося вдоль противолежащих поверхностей электродов, определяются целиком этими поверхностями и их взаимным расположением. Геометрия слайс-лазера в соответствии с патентом '663 [28] и '256 [35], с другой стороны, являла собой совершенно новый тип организации поперечного разряда, ставший известным лишь после подачи соответствующей заявки на патентование. Слайс-геометрия лазера является такой геометрией, при которой может быть использован значительно более широкий выбор типов гибридных резонаторов.It is clear that the device based on the high-frequency transverse discharge in a small-diameter tube, in the microwave and high-frequency versions, described in 1980 in [33], and the strip geometry device, described in 1984 in [34], preceded the application for the slab device geometry '639 [24] in 1987. Due to previous inventions of the time, slab lasers, from the point of view of patentability, were limited to the case in which only the waveguide mode is realized in the direction of the smaller of the two transverse measurements of the discharge, and direction larger - only the operating mode inherent in an unstable resonator. In a waveguide slab laser, the modes of light propagating along the opposite surfaces of the electrodes are determined entirely by these surfaces and their relative positions. The geometry of a slice laser in accordance with the patents '663 [28] and' 256 [35], on the other hand, was a completely new type of transverse discharge organization, which became known only after the filing of the corresponding patent application. The laser slice geometry is one in which a much wider choice of types of hybrid resonators can be used.

Поэтому, например, при описании слайс-лазеров, рассмотренных в [32, 35], термин "световод", будучи примененным к слайс-лазерам, имеет более широкое значение нежели просто волновод.Therefore, for example, when describing the slice lasers considered in [32, 35], the term “fiber”, when applied to slice lasers, has a broader meaning than just a waveguide.

Таким образом, в случае слайс-лазера распространение света может быть либо волноводным, как в слэб-устройстве, либо таким, при котором излучение распространяется внутри резонатора без какого-либо взаимодействия со стенками слайс-камеры. Один из таких случаев реализуется, когда в направлении, соответствующем малому слайс-измерению, внутрирезонаторная мода не касается стенок и по своим функциональным особенностям лучше всего описывается гауссовой модой свободного пространства. Этот случай имеет место, например, в устойчивых резонаторах, где лазерный пучок удерживается от расширения с помощью зеркал резонатора и не касается стенок световода, поскольку на стенках не должны выполняться какие-либо граничные условия для этого типа мод в резонаторе.Thus, in the case of a slice laser, the propagation of light can be either waveguide, as in a slab device, or such that the radiation propagates inside the resonator without any interaction with the walls of the slice camera. One of such cases is realized when, in the direction corresponding to the small slice measurement, the intracavity mode does not touch the walls and is best described by the Gaussian mode of free space in terms of its functional features. This case occurs, for example, in stable resonators, where the laser beam is kept from expanding by means of the cavity mirrors and does not touch the walls of the fiber, since any boundary conditions for this type of mode in the cavity should not be satisfied.

В настоящем изобретении термин "световод" используется в самом общем смысле, и подразумевается, что он включает в себя все способы распространения, от волноводной моды до распространения гауссова пучка в свободном пространстве.In the present invention, the term “fiber” is used in the most general sense, and is intended to include all propagation methods, from the waveguide mode to the propagation of a Gaussian beam in free space.

Для увеличения объема активной среды обычного волноводного лазера с симметричной апертурой и тем самым выходной мощности лазера при сохранении малой величины зазора между электродами в патенте США №4719639 [24] был предложен широкоапертурный волноводный лазер с плоскопараллельными удлиненными электродами, ширина которых значительно превышает величину зазора между ними. Отражающие излучение поверхности электродов образуют в этом лазере верхнюю и нижнюю стенки оптического волновода большой ширины, в котором излучение, распространяющееся между электродами, ограничивается этим волноводом только в направлениях, перпендикулярных поверхностям электродов. В направлениях, параллельных поверхностям электродов, волновод является открытым, благодаря чему пучок излучения, распространяющийся вдоль волновода, может расширяться в этих направлениях в обе противоположные стороны как в свободном пространстве. Около концов волновода установлены софокусные выпуклое и вогнутое зеркала, образующие неустойчивый резонатор положительной ветви, имеющий увеличение М>1. В таком резонаторе при каждом полном проходе пучка излучения от одного зеркала к другому и обратно происходит расширение этого пучка примерно в М раз в двух противоположных направлениях, в которых пучок не ограничен поверхностями электродов и может расширяться как в свободном пространстве. Для формирования в лазере с таким резонатором единственного выходного пучка сплошного сечения зеркала обычно устанавливают так, чтобы ось образуемого ими неустойчивого резонатора была смещена к одной из открытых боковых сторон межэлектродного промежутка. Выходной пучок лазерного излучения выводится из резонатора с другой боковой стороны межэлектродного промежутка, около края выпуклого зеркала, перекрывающего лишь часть поперечного сечения волновода. Такая “половинная” конфигурация резонатора позволяет сформировать на выходе лазера сплошной пучок примерно прямоугольного сечения с расходимостью, близкой к пределу, определяемому дифракцией, в каждом из поперечных направлений, даже при достаточно большой ширине электродов. Большая ширина электродов обеспечивает возможность возбуждения большого объема активной среды и, благодаря этому, высокую выходную мощность лазера.To increase the volume of the active medium of a conventional waveguide laser with a symmetrical aperture and thereby the laser output power while maintaining a small gap between the electrodes, US Pat. . The surface of the electrodes reflecting the radiation in this laser forms the upper and lower walls of the large-width optical waveguide, in which the radiation propagating between the electrodes is limited by this waveguide only in directions perpendicular to the electrode surfaces. In the directions parallel to the surfaces of the electrodes, the waveguide is open, so that the radiation beam propagating along the waveguide can expand in these directions in both opposite directions as in free space. Near the ends of the waveguide, confocal convex and concave mirrors are installed that form an unstable cavity of the positive branch with an increase in M> 1. In such a resonator, at each complete passage of the radiation beam from one mirror to another and back, this beam expands approximately M times in two opposite directions, in which the beam is not limited by the surfaces of the electrodes and can expand as in free space. To form a single output beam of a continuous section in a laser with such a resonator, the mirrors are usually set so that the axis of the unstable resonator formed by them is shifted to one of the open lateral sides of the interelectrode gap. The output laser beam is extracted from the resonator on the other side of the interelectrode gap, near the edge of the convex mirror, covering only part of the cross section of the waveguide. Such a “half” configuration of the cavity makes it possible to form a continuous beam of approximately rectangular cross section with a divergence close to the limit determined by diffraction in each of the transverse directions, even with a sufficiently large width of the electrodes. The large width of the electrodes makes it possible to excite a large volume of the active medium and, due to this, a high output laser power.

Однако известно, что волноводные лазеры с неустойчивым резонатором положительной ветви, имеющие малое увеличение М, характеризуются высокой чувствительностью к разъюстировкам зеркал резонатора, в особенности к изменению их углового положения в плоскости, параллельной электродам [25], а также к оптическим неоднородностям типа клина в той же самой плоскости, обычно возникающим в активной среде лазера при ее накачке. Это нельзя считать неожиданным, если принять во внимание ранее опубликованные работы по обычным неустойчивым резонаторам [6, 7]. В СО₂ слэб- и слайс-лазерах, как правило, М не превышает 1,2-1,5. Поэтому, если не принять специальные меры, повышающие жесткость конструкции и оптическую однородность активной среды и, следовательно, увеличивающие стоимость лазера, разъюстировка зеркал и неоднородности активной среды в таких лазерах приводят к существенной деформации структуры моды излучения, сопровождающейся резким снижением выходной мощности, ухудшением направленности излучения и угловым смещением выходного пучка, что является недопустимым в целом ряде применений. Необходимость принятия мер для решения указанных проблем приводит к повышению стоимости лазера.However, it is known that waveguide lasers with an unstable resonator of a positive branch, having a small increase in M, are characterized by high sensitivity to misalignment of the mirror mirrors, in particular to a change in their angular position in a plane parallel to the electrodes [25], as well as to optical inhomogeneities such as a wedge in that the same plane, which usually occurs in the active medium of a laser when it is pumped. This cannot be considered unexpected if we take into account previously published works on ordinary unstable resonators [6, 7]. In CO ₂ slab and slice lasers, as a rule, M does not exceed 1.2-1.5. Therefore, if special measures are not taken that increase the rigidity of the structure and the optical uniformity of the active medium and, consequently, increase the cost of the laser, misalignment of the mirrors and inhomogeneities of the active medium in such lasers lead to a significant deformation of the structure of the radiation mode, accompanied by a sharp decrease in the output power and a decrease in the directivity and angular displacement of the output beam, which is unacceptable in a number of applications. The need to take measures to solve these problems leads to an increase in the cost of the laser.

Специалистам, обладающим обычным опытом работы в области слэб-лазеров, хорошо известно, что смещение оси неустойчивого резонатора положительной ветви к одной из боковых сторон электрода приводит к преобразованию резонатора из полного резонатора в половинную конфигурацию. Однако не всегда принимают во внимание то, что часть излучения, распространяющегося внутри резонатора, все же покидает резонатор вблизи края электродного промежутка, к которому смещена ось резонатора. Таким образом, хотя сдвиг оси резонатора и позволяет получить по существу один выходной пучок сплошного сечения вместо двух выходных пучков, это положительное свойство достигается ценой вывода некоторой части излучения с той стороны резонатора, где это излучение не может быть объединено с полезным выходным пучком. Для резонатора это означает введение пассивных потерь излучения, которые уменьшают общую эффективность лазера. И что еще хуже, это излучение может вновь провзаимодействовать с желаемой резонаторной модой вследствие зеркальных переотражений и вызвать появление нежелательных высших мод, конкурирующих с основной модой по величине усиления во всем активном объеме и, следовательно, по величине выходной мощности. Для устранения этих недостатков в патенте США № 5048048 [25] было предложено использовать в широкоапертурном волноводном лазере неустойчивый резонатор отрицательной ветви, имеющий увеличение М<-1. Предложенный резонатор образован двумя вогнутыми зеркалами с разными радиусами кривизны, имеющими общий фокус, расположенный внутри резонатора.It is well known to those skilled in the art of slab lasers that shifting the axis of an unstable cavity of the positive branch to one of the sides of the electrode will convert the cavity from a full cavity to a half configuration. However, it is not always taken into account that part of the radiation propagating inside the resonator still leaves the resonator near the edge of the electrode gap, to which the axis of the resonator is shifted. Thus, although the shift of the axis of the resonator makes it possible to obtain essentially one output beam of a continuous cross section instead of two output beams, this positive property is achieved at the cost of removing some of the radiation from the side of the resonator where this radiation cannot be combined with a useful output beam. For the cavity, this means introducing passive radiation losses, which reduce the overall laser efficiency. And even worse, this radiation can again interact with the desired resonator mode due to mirror reflections and cause the appearance of undesirable higher modes that compete with the main mode in terms of gain in the entire active volume and, therefore, in terms of output power. To address these shortcomings, US Pat. No. 5,048,048 [25] proposed the use of an unstable negative-branch resonator with an increase in M <-1 in a wide-aperture waveguide laser. The proposed resonator is formed by two concave mirrors with different radii of curvature having a common focus located inside the resonator.

Конфокальный резонатор отрицательной ветви может формировать сплошной выходной пучок, выходящий лишь с одной стороны, как результат замены левого на правое (инверсия), происходящей в общей фокальной плоскости двух вогнутых зеркал резонатора.The confocal resonator of the negative branch can form a continuous output beam that emerges from only one side, as a result of replacing the left to the right (inversion), which occurs in the common focal plane of two concave mirrors of the resonator.

Пучок лазерного излучения, распространяющийся по волноводу между зеркалами неустойчивого резонатора отрицательной ветви, при каждом прохождении через точку фокуса (фокальную "перетяжку" пучка) переворачивается в сечении так, что лучи пучка, распространяющиеся с одной стороны от оси резонатора, после прохождения точки фокуса оказываются с другой стороны от этой оси (являющейся общей нормалью к поверхностям обоих зеркал). Благодаря такому попеременному прохождению лазерного излучения то с одной, то с другой стороны от оси резонатора, при величине |M| порядка 1,2-1,5 происходит эффективная компенсация разъюстировок, обусловленных отклонением углового положения зеркал резонатора в плоскости, параллельной электродам, а также эффективная компенсация оптических неоднородностей типа клина в активной среде, что делает резонатор малочувствительным к таким разъюстировкам и оптическим неоднородностям [6, 7].The laser beam propagating along the waveguide between the mirrors of the unstable resonator of the negative branch, at each passage through the focal point (focal "constriction" of the beam) is turned over in section so that the beam rays propagating on one side of the cavity axis, after passing the focal point, are the other side of this axis (which is the common normal to the surfaces of both mirrors). Due to such alternating passage of laser radiation, on one or the other side of the cavity axis, with | M | of the order of 1.2-1.5, there is an effective compensation of misalignments due to deviation of the angular position of the resonator mirrors in a plane parallel to the electrodes, as well as effective compensation of optical inhomogeneities such as a wedge in an active medium, which makes the resonator insensitive to such misalignments and optical inhomogeneities [6, 7].

Для обеспечения одностороннего вывода излучения из гибридного неустойчивого резонатора отрицательной ветви, выполненного по патенту '048 [25], размеры одного из зеркал резонатора выбирают так, что расстояние от оси резонатора до противоположных краев этого зеркала в плоскости, параллельной отражающим поверхностям электродов, отличаются более чем в |М| раз. Размеры другого зеркала резонатора выбирают достаточно большими, чтобы оно не ограничивало расширение пучка в волноводе. При этом излучение, которое распространяется по резонатору с той стороны от его оси, которая противоположна стороне вывода излучения, вследствие переворота сечения пучка, происходящего в фокальной перетяжке, при очередном проходе резонатора попадает на сторону вывода излучения и выводится из резонатора в виде полезного выходного пучка. Благодаря этому выходной пучок лазера представляет собой единый пучок сплошного сечения, выходящий из резонатора только с одной его стороны, несмотря на свободное расширение пучка в резонаторе в двух противоположных направлениях. Таким образом, наличие фокальной перетяжки в неустойчивом резонаторе отрицательной ветви обеспечивает уменьшение пассивных потерь излучения из этого резонатора, по сравнению с “половинным” неустойчивым резонатором положительной ветви, в котором расширение пучка в двух противоположных направлениях неизбежно приводит к потерям излучения из резонатора с той его стороны, которая противоположна стороне вывода полезного выходного пучка.To ensure a one-way output of radiation from a hybrid unstable resonator of the negative branch made according to the '048 patent [25], the dimensions of one of the resonator mirrors are chosen so that the distance from the resonator axis to the opposite edges of this mirror in a plane parallel to the reflective surfaces of the electrodes differs by more than in | M | time. The dimensions of the other resonator mirror are chosen large enough so that it does not limit the expansion of the beam in the waveguide. In this case, the radiation that propagates through the resonator from the side from its axis that is opposite to the output side of the radiation, as a result of the flip of the beam section occurring in the focal constriction, at the next pass of the resonator enters the output side of the radiation and is removed from the resonator in the form of a useful output beam. Due to this, the output laser beam is a single beam of a continuous cross section, leaving the cavity from only one side of it, despite the free expansion of the beam in the cavity in two opposite directions. Thus, the presence of a focal waist in the unstable cavity of the negative branch reduces passive radiation losses from this resonator, compared with the “half” unstable cavity of the positive branch, in which beam expansion in two opposite directions inevitably leads to radiation loss from the cavity on the other side which is opposite to the output side of the useful output beam.

Однако наличие фокальной перетяжки в объеме газовой активной среды в неустойчивом резонаторе отрицательной ветви может приводить, вследствие высокой локальной плотности мощности излучения, к нежелательным нелинейным эффектам в активной среде и к пробою газа, особенно в мощных импульсных лазерах. Кроме того, эффективность использования объема активной среды в таком резонаторе понижена по сравнению с резонатором положительной ветви вследствие неравномерного заполнения активной среды пучком излучения. Уменьшение габаритов лазера, которое обычно достигается путем излома оптической оси лазерного резонатора с помощью дополнительного зеркала, в этом случае также затруднено, поскольку зеркало, помещаемое в резонатор отрицательной ветви для излома его оси, оказывается вблизи от фокальной перетяжки и при повышении мощности лазера не выдерживает действия мощного излучения. Кроме того, зеркала неустойчивого резонатора отрицательной ветви должны иметь большую кривизну - их радиусы кривизны по порядку величины должны быть равны расстоянию между зеркалами. В результате для уменьшения влияния кривизны этих зеркал на формирование поля по высоте волновода, т.е. в направлении нормалей к поверхностям электродов, приходится применять зеркала сложной формы с разной кривизной в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, либо принимать специальные меры для согласования волновых фронтов, вследствие чего, как указано в патенте США №5123028 [36], в резонаторе возникают дополнительные потери. Кроме того, при значительном увеличении ширины электродов увеличение ширины зеркал, имеющих большую кривизну, сопровождается быстрым ростом сферической аберрации, приводящей к существенному увеличению расходимости излучения, что также затрудняет использование неустойчивых резонаторов отрицательной ветви в мощных волноводных лазерах.However, the presence of a focal constriction in the volume of the gas active medium in the unstable cavity of the negative branch can lead, due to the high local density of the radiation power, to undesirable nonlinear effects in the active medium and to the breakdown of the gas, especially in high-power pulsed lasers. In addition, the efficiency of using the volume of the active medium in such a resonator is reduced compared to the resonator of the positive branch due to the uneven filling of the active medium by the radiation beam. The reduction in laser dimensions, which is usually achieved by breaking the optical axis of the laser resonator with an additional mirror, is also difficult in this case, since the mirror placed in the resonator of the negative branch to break its axis is close to the focal waist and does not withstand the action when the laser power is increased powerful radiation. In addition, the mirrors of the unstable resonator of the negative branch should have a large curvature - their radii of curvature in order of magnitude should be equal to the distance between the mirrors. As a result, to reduce the influence of the curvature of these mirrors on the formation of the field along the height of the waveguide, i.e. in the direction of the normals to the surfaces of the electrodes, it is necessary to use mirrors of complex shape with different curvatures in two mutually perpendicular planes, or to take special measures to match the wave fronts, as a result of which, as indicated in US Pat. No. 5123028 [36], additional losses occur in the resonator. In addition, with a significant increase in the width of the electrodes, an increase in the width of mirrors having a large curvature is accompanied by a rapid increase in spherical aberration, which leads to a significant increase in the divergence of radiation, which also complicates the use of unstable negative-branch resonators in high-power waveguide lasers.

Действительно, как видно из фиг.4 в патенте США '048 [25], в той области, где резонатор отрицательной ветви имеет преимущество перед резонатором положительной ветви, уровень выходной мощности является сравнительно низким. В настоящее время получены некоторые свидетельства того, что при уровне мощности в несколько кВт в таких СО₂ слэб-лазерах наблюдается существенная нестабильность направления выходного пучка, которая может быть вызвана нагревом газа или другими нелинейными эффектами в общей фокальной области пары софокусных зеркал.Indeed, as can be seen from figure 4 in US patent '048 [25], in the area where the negative branch resonator has an advantage over the positive branch resonator, the output power level is relatively low. At present, some evidence has been obtained that at a power level of several kW in such CO ₂ slab lasers, there is a significant instability in the direction of the output beam, which can be caused by gas heating or other nonlinear effects in the common focal region of a pair of confocal mirrors.

В патенте США №5097479 [23] был предложен широкоапертурный волноводный газовый лазер с кольцевым неустойчивым резонатором положительной ветви, снабженный средствами для осуществления однонаправленной генерации в резонаторе [23, фиг.10, элемент 80]. Данный вариант выполнения волноводного газового лазера накачивается высокочастотной мощностью, приложенной к паре отстоящих друг от друга электродов. Вследствие того, что в данном кольцевом резонаторе используются только два внутрирезонаторных зеркала, полный обход по кольцевому резонатору может осуществляться лишь за счет последовательности распределенных отражений в точно изогнутой разветвленной волноводной структуре. В этой, состоящей из двух ветвей волноводной структуре формируется кольцевой неустойчивый оптический резонатор с замкнутым осевым контуром, обеспечивающий вывод из лазера выходного пучка сплошного поперечного сечения.US Pat. No. 5,097,479 [23] proposed a wide-aperture waveguide gas laser with an unstable ring resonator of a positive branch, equipped with means for performing unidirectional generation in the cavity [23, Fig. 10, element 80]. This embodiment of a waveguide gas laser is pumped by a high-frequency power applied to a pair of spaced electrodes. Due to the fact that only two intracavity mirrors are used in this ring resonator, a complete round-trip along the ring resonator can only be achieved through a sequence of distributed reflections in a precisely curved branched waveguide structure. In this waveguide structure consisting of two branches, an annular unstable optical resonator with a closed axial contour is formed, which ensures the output beam of a continuous cross section from the laser.

Кольцевой резонатор, предложенный в '479 [23], образован путем объединения в один оптический блок двух примыкающих друг к другу изогнутых точным образом отрезков оптического волновода. Обе половины криволинейной разветвляющейся волноводной структуры связаны между собой оптически с помощью пары зеркал, расположенных на концах отрезков таким образом, что они направляют излучение, падающее на зеркало, из одного отрезка волновода в другой его отрезок.The ring resonator proposed in '479 [23] is formed by combining into two optical units adjacent to each other precisely curved segments of the optical waveguide. Both halves of the curved branching waveguide structure are optically coupled to each other by means of a pair of mirrors located at the ends of the segments in such a way that they direct the radiation incident on the mirror from one segment of the waveguide to its other segment.

Каждое из зеркал таким образом обеспечивает поворот падающего на него пучка излучения в плоскости, поперечной стенкам волновода. Тем самым пара зеркал и два изогнутых отрезка волновода обеспечивают в данном лазере формирование кольцевого резонатора с замкнутым осевым контуром, лежащим в плоскости, которая пересекает стенки волновода по существу под прямым углом. Формирование кольцевого резонатора в этой плоскости обеспечивает компактную конструкцию лазера, поскольку указанные отрезки волноводов имеют малую, по сравнению с шириной и длиной, высоту.Each of the mirrors thus provides a rotation of the incident radiation beam in a plane transverse to the waveguide walls. Thus, a pair of mirrors and two curved segments of the waveguide in this laser provide the formation of a ring resonator with a closed axial contour lying in a plane that intersects the waveguide walls at a substantially right angle. The formation of a ring resonator in this plane provides a compact laser design, since these segments of the waveguides have a small, compared with the width and length, height.

Однако, поскольку создание любого типа резонатора бегущей волны невозможно с использованием лишь двух зеркал, оптический тракт кольцевого резонатора должен обеспечиваться правильным выбором кривизны волновода, одинаковой с высокой точностью для обоих отрезков волновода. Очевидно, что распределенные отражения излучения в этих двух разветвляющихся отрезках волновода добавляют значительные внутрирезонаторные потери, а надлежащая организация этих отражений приводит к существенному усложнению процесса изготовления лазера. Это становится особенно понятным, если вспомнить, что один из электродов слэб-лазера с высокочастотной накачкой должен находиться под высоким высокочастотным потенциалом. Подводя баланс, следует взвесить на весах, с одной стороны, очевидную простоту использования лишь двух зеркал для организации кольцевого резонатора и, с другой стороны, сложности, вытекающие из требования достижения очень низких распределенных потерь мощности при организации отражений в обоих изогнутых отрезках волновода. Надо отметить, что малая величина этих распределенных потерь должна быть достигнута в условиях удержания высоковольтного высокочастотного электрода от закорачивания его на заземленный электрод. Кроме того, для того, чтобы обеспечить односторонний вывод пучка из указанного кольцевого неустойчивого резонатора, осевой контур этого резонатора должен быть сдвинут таким образом, чтобы он проходил вблизи от одного из открытых краев межэлектродного промежутка. Как видно из оптической схемы, приведенной в '479 [23], данный подход к созданию гибридного резонатора не может быть применен к плоским волноводам или плоским направляющим излучение структурам, поскольку в нем используются лишь два оптических элемента. Еще один недостаток состоит в том, что этот кольцевой резонатор не может быть сделан асимметричным из-за наличия разветвляющейся волноводной структуры.However, since the creation of any type of traveling-wave resonator is impossible using only two mirrors, the optical path of the ring resonator must be ensured by the correct choice of the waveguide curvature, which is the same with high accuracy for both segments of the waveguide. Obviously, the distributed radiation reflections in these two branching sections of the waveguide add significant intracavity losses, and the proper organization of these reflections leads to a significant complication of the laser manufacturing process. This becomes especially clear if we recall that one of the electrodes of a high-frequency-pumped slab laser must be at a high high-frequency potential. Summing up the balance, one should weigh on the scales, on the one hand, the obvious simplicity of using only two mirrors for organizing a ring resonator and, on the other hand, the difficulties arising from the requirement to achieve very low distributed power losses when organizing reflections in both curved sections of the waveguide. It should be noted that a small value of these distributed losses should be achieved under conditions of holding the high-voltage high-frequency electrode from shorting it to a grounded electrode. In addition, in order to provide a one-way beam exit from the indicated annular unstable resonator, the axial contour of this resonator must be shifted so that it passes near one of the open edges of the interelectrode gap. As can be seen from the optical scheme given in '479 [23], this approach to creating a hybrid resonator cannot be applied to plane waveguides or plane radiation-directing structures, since it uses only two optical elements. Another disadvantage is that this ring resonator cannot be made asymmetric due to the presence of a branching waveguide structure.

Вследствие того, что неустойчивый резонатор бегущей волны, выполненный в соответствии с '479 [23], не имеет фокальных перетяжек внутри резонатора, односторонний дифракционный вывод излучения из лазера обеспечивается лишь за счет смещения осевого контура к одному из открытых краев разрядного промежутка.Due to the fact that the unstable traveling-wave resonator, made in accordance with '479 [23], does not have focal constrictions inside the resonator, the one-sided diffraction output of radiation from the laser is ensured only by shifting the axial contour to one of the open edges of the discharge gap.

Следовательно, такому лазеру присущи рассмотренные выше недостатки, свойственные лазерам с “половинным” неустойчивым резонатором положительной ветви. К ним относятся высокая чувствительность к разъюстировкам зеркал резонатора и оптическим неоднородностям типа клина в активной среде, а также бесполезные потери излучения из резонатора с той его стороны, к которой смещена ось резонатора, при выводе излучения из резонатора в виде одного пучка.Therefore, such a laser is characterized by the disadvantages discussed above, which are characteristic of lasers with a “half” unstable cavity of a positive branch. These include high sensitivity to misalignment of the cavity mirrors and optical inhomogeneities of the wedge type in the active medium, as well as the useless loss of radiation from the cavity on the side to which the axis of the cavity is shifted when radiation is output from the cavity in the form of a single beam.

Подводя итог, следует сказать, что неустойчивый резонатор бегущей волны с разветвленным волноводом, предложенный в '479 [23], скорее добавляет, нежели устраняет трудности создания по сравнению с другими слэб-лазерами однощелевого типа, использующими гибридный резонатор.Summing up, it should be said that the unstable traveling-wave resonator with a branched waveguide proposed in '479 [23] rather adds to rather than eliminates the difficulties of creating compared to other single-slot type slab lasers using a hybrid resonator.

Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION

Главной целью настоящего изобретения применительно к мощным газовым лазерам с высокочастотным возбуждением и диффузионным охлаждением является создание гибридной кольцевой резонаторной системы, характеризующейся пониженной чувствительностью к разъюстировкам зеркал лазерного резонатора и оптическим неоднородностям типа клина в активной среде, а также уменьшенными бесполезными потерями излучения из резонатора при осуществлении вывода излучения из резонатора в виде одного пучка сплошного сечения.The main objective of the present invention in relation to powerful gas lasers with high-frequency excitation and diffusion cooling is the creation of a hybrid ring resonator system, characterized by a reduced sensitivity to misalignment of the laser cavity mirrors and optical inhomogeneities such as a wedge in the active medium, as well as reduced useless radiation losses from the resonator during output radiation from the resonator in the form of a single beam of a continuous section.

Указанная цель достигается тем, что в газовом лазере с высокочастотным возбуждением и столкновительным (диффузионным) механизмом охлаждения, содержащем пару разделенных промежутком охлаждающих элементов, каждый из которых имеет протяженную поверхность, расположенных так, что их противолежащие поверхности образуют световод для оптического излучения в промежутке между этими поверхностями, газовую среду, помещенную в указанный промежуток для генерации лазерного излучения при возбуждении этой среды электрическим разрядом путем подвода к ней высокочастотной электрической мощности, и зеркала, образующие кольцевой оптический резонатор бегущей волны, имеющий замкнутый осевой контур, для формирования в указанном световоде пучка лазерного излучения, согласно изобретению, указанные зеркала расположены так, что указанный осевой контур образуемого ими резонатора лежит по существу в плоскости, проходящей между указанными поверхностями, образующими световод для оптического излучения, и обращенной своими сторонами к указанным поверхностям охлаждающих элементов, при этом указанный кольцевой резонатор бегущей волны является неустойчивым в указанной плоскости, так что часть указанного пучка, расширяющегося в указанном резонаторе, выводится в виде выходного пучка сплошного сечения, кривизны зеркал и число этих зеркал таковы, что любой луч, принадлежащий пучку лазерного излучения, распространяющемуся по световоду, и находящийся с внутренней стороны от осевого контура резонатора, после полного обхода резонатора оказывается с внешней стороны от осевого контура резонатора, а любой луч, принадлежащий пучку лазерного излучения, распространяющемуся по световоду, и находящийся с внешней стороны от осевого контура резонатора, после полного обхода резонатора оказывается с внутренней стороны от осевого контура резонатора.This goal is achieved by the fact that in a gas laser with high-frequency excitation and collision (diffusion) cooling mechanism containing a pair of gap-separated cooling elements, each of which has an extended surface, arranged so that their opposite surfaces form a fiber for optical radiation in the gap between these surfaces, a gaseous medium placed in the specified gap to generate laser radiation when this medium is excited by an electric discharge by supplying and to it a high-frequency electric power, and mirrors forming an annular traveling-wave optical resonator having a closed axial contour for forming a laser beam in said optical fiber according to the invention, said mirrors are arranged so that said axial contour of the resonator they form lies essentially in a plane passing between these surfaces forming a fiber for optical radiation, and facing its sides to the indicated surfaces of the cooling elements, while The traveling-wave ring resonator is unstable in the indicated plane, so that part of the specified beam expanding in the specified cavity is output in the form of a continuous-section output beam, the curvature of the mirrors, and the number of these mirrors is such that any ray belonging to the laser beam propagating through the fiber , and located on the inner side of the axial contour of the resonator, after a complete round-trip of the resonator, it appears on the outer side of the axial contour of the resonator, and any beam belonging to the laser beam polar radiation propagating through the optical fiber, and located on the outer side of the axial cavity contour after a complete traversal of the resonator is on the inside of the axial cavity contour.

Прохождение замкнутого осевого контура кольцевого резонатора в плоскости, лежащей между поверхностями охлаждающих элементов, означает, что каждое из зеркал этого кольцевого резонатора обеспечивает, при отражении от него пучка излучения, поворот пучка излучения в указанной плоскости. В результате каждого такого поворота пучка та часть пучка, которая распространялась по световоду с внутренней стороны от замкнутого осевого контура резонатора, оказывается с внешней стороны от этого контура и наоборот. Благодаря такому "перевороту" пучка каждым из зеркал, при соответствующем выборе их числа и кривизны, после полного обхода резонатора любой луч пучка лазерного излучения, распространяющийся по световоду с внутренней стороны от осевого контура резонатора, окажется с внешней стороны от осевого контура резонатора. И наоборот, любой луч пучка лазерного излучения, распространяющийся по световоду с внешней стороны от осевого контура резонатора, окажется с внутренней стороны от осевого контура резонатора, т.е. любой луч, проходящий на расстоянии от осевого контура резонатора, после обхода резонатора поменяет свое положение относительно этого осевого контура в той плоскости, в которой расширение излучения происходит как в свободном пространстве.The passage of the closed axial contour of the ring resonator in a plane lying between the surfaces of the cooling elements means that each of the mirrors of this ring resonator provides, when a radiation beam is reflected from it, rotation of the radiation beam in the specified plane. As a result of each such rotation of the beam, that part of the beam that propagated along the optical fiber from the inside from the closed axial contour of the resonator turns out to be from the outside from this circuit and vice versa. Due to such a “flip” of the beam by each of the mirrors, with the appropriate choice of their number and curvature, after a complete round-trip of the resonator, any laser beam propagating through the optical fiber from the inside from the axial contour of the resonator will be outside from the axial contour of the resonator. And vice versa, any beam of a laser beam propagating through the fiber from the outside from the axial contour of the resonator will be on the inside from the axial contour of the resonator, i.e. any ray passing at a distance from the axial contour of the resonator, after going around the resonator, will change its position relative to this axial contour in the plane in which the radiation expands as in free space.

Тем самым в предложенном кольцевом резонаторе бегущей волны обеспечивается попеременное прохождение лучей пучка лазерного излучения, лежащих в указанной плоскости, то с одной, то с другой стороны от осевого контура кольцевого резонатора. Расположение осевого контура кольцевого резонатора в плоскости, лежащей между поверхностями отражающих элементов, или по существу в этой плоскости является для неустойчивых кольцевых резонаторов положительной ветви необходимым условием снижения чувствительности резонатора к клиновым возмущениям, имеющимся в резонаторе и ориентированным в этой плоскости. Если осевой контур резонатора лежит в поперечной плоскости, т.е. в плоскости, поперечной поверхностям охлаждающих элементов, как, например, в лазере с неустойчивым кольцевым резонатором положительной ветви, выполненном согласно патенту США №5097479 [23], то отражения пучка от зеркал резонатора не обеспечивают такой "переворот" этого пучка в плоскости свободного расширения пучка, который необходим для снижения чувствительности резонатора к клиновым возмущениям в указанной плоскости.Thus, in the proposed ring resonator of the traveling wave, alternating passage of the laser beam rays lying in the specified plane, then on one, then on the other side of the axial contour of the ring resonator, is ensured. The location of the axial contour of the ring resonator in a plane lying between the surfaces of the reflecting elements, or essentially in this plane, for unstable ring resonators of a positive branch is a necessary condition for reducing the sensitivity of the resonator to wedge disturbances existing in the resonator and oriented in this plane. If the axial contour of the resonator lies in the transverse plane, i.e. in the plane transverse to the surfaces of the cooling elements, such as, for example, in a laser with an unstable ring resonator of a positive branch made according to US Pat. , which is necessary to reduce the sensitivity of the resonator to wedge disturbances in the specified plane.

Благодаря попеременному прохождению лучей пучка лазерного излучения то с одной, то с другой стороны от осевого контура кольцевого резонатора, в лазере, выполненном согласно изобретению, обеспечивается компенсация разъюстировок, обусловленных отклонением угловых положений зеркал резонатора в плоскости, проходящей между электродами, а также компенсация оптических неоднородностей типа клина в активной среде. Поэтому предложенный лазер относительно малочувствителен к таким разъюстировкам зеркал резонатора и оптическим неоднородностям, по сравнению с известными лазерами с гибридным резонатором положительной ветви, в которых осевой контур неустойчивого кольцевого резонатора лежит в плоскости, перпендикулярной поверхностям электродов, вследствие чего не обеспечивается снижение чувствительности резонатора к клиновым возмущениям, ориентированным в плоскости свободного расширения пучка.Due to the alternate passage of the beams of the laser beam from one or the other side of the axial contour of the ring resonator, the laser made according to the invention provides compensation for misalignment due to deviation of the angular positions of the resonator mirrors in the plane passing between the electrodes, as well as compensation for optical inhomogeneities type of wedge in an active environment. Therefore, the proposed laser is relatively insensitive to such misalignment of the mirror mirrors and optical inhomogeneities, as compared with the known lasers with a hybrid resonator of a positive branch, in which the axial contour of the unstable ring resonator lies in a plane perpendicular to the surfaces of the electrodes, as a result of which the sensitivity of the resonator to wedge disturbances is not ensured oriented in the plane of free expansion of the beam.

Кроме того, благодаря попеременному прохождению лучей пучка лазерного излучения то с одной, то с другой стороны от осевого контура кольцевого резонатора, в предложенном лазере выходной пучок сплошного сечения выводится из резонатора лишь с одной стороны от осевого контура, несмотря на то, что свободное расширение пучка в резонаторе происходит в обоих противоположных направлениях, в которых это расширение не ограничено поверхностями электродов. Например, часть лазерного пучка, распространяющаяся по внутреннему краю резонатора, т.е. с внутренней от осевого контура стороны, переходит после обхода резонатора на его внешнюю сторону, где может быть выведена из резонатора в виде полезного выходного пучка. Бесполезные потери излучения из резонатора с внутренней стороны от осевого контура при этом практически исключаются. Таким образом, согласно изобретению, обеспечивается уменьшение бесполезных потерь излучения из резонатора, по сравнению с известными кольцевыми неустойчивыми резонаторами положительной ветви, в которых осевой контур лежит в плоскости, поперечной по отношению к поверхности электродов, и вследствие этого расширение пучка в две противоположные стороны приводит к бесполезным потерям излучения из резонатора с той его стороны, которая противоположна стороне вывода выходного пучка сплошного сечения из резонатора.In addition, due to the alternating passage of the beams of the laser beam from one or the other side of the axial contour of the ring resonator, in the proposed laser, the output beam of a continuous cross section is removed from the resonator from only one side of the axial contour, despite the fact that the beam is freely expanding in the cavity occurs in both opposite directions, in which this expansion is not limited to the surfaces of the electrodes. For example, a part of the laser beam propagating along the inner edge of the cavity, i.e. from the side internal from the axial contour, it passes after bypassing the resonator to its external side, where it can be removed from the resonator in the form of a useful output beam. Useless radiation losses from the cavity on the inside from the axial contour are practically eliminated. Thus, according to the invention, the useless losses of radiation from the resonator are reduced compared to the known annular unstable resonators of the positive branch, in which the axial contour lies in a plane transverse to the surface of the electrodes, and as a result, beam expansion in two opposite directions leads to the useless loss of radiation from the resonator from the side that is opposite to the output side of the output beam of a continuous section from the resonator.

В отличие от известного ранее волноводного лазера с линейным неустойчивым резонатором отрицательной ветви, в предложенном лазере, благодаря использованию кольцевого резонатора бегущей волны положительной ветви с осевым контуром, лежащим в плоскости, проходящей между поверхностями охлаждающих элементов, обеспечение попеременного прохождения лучей пучка с разных сторон от осевого контура не требует использования фокальной перетяжки пучка в резонаторе. Поскольку лазер, выполненный согласно изобретению, не требует использования фокальной перетяжки пучка, в этом лазере предотвращаются вызываемые такой перетяжкой нежелательные нелинейные эффекты и пробои в активной среде. Кроме того, в предлагаемом лазере может быть обеспечена высокая эффективность использования объема активной среды благодаря ее равномерному заполнению лазерным излучением. Облегчается также уменьшение габаритов лазера путем излома оптической оси лазерного резонатора. Кроме того, не требуется использовать сферические зеркала большой кривизны и применять соответствующие меры для уменьшения влияния этих зеркал на формирование поля по высоте волновода.In contrast to the previously known waveguide laser with a linear unstable resonator of the negative branch, the proposed laser, due to the use of a ring resonator of a traveling wave of a positive branch with an axial contour lying in a plane passing between the surfaces of the cooling elements, ensures alternating passage of the beam from different sides from the axial circuit does not require the use of focal beam constriction in the resonator. Since the laser made according to the invention does not require the use of a focal beam constriction, this laser prevents unwanted non-linear effects caused by such a constriction and breakdowns in the active medium. In addition, in the proposed laser, high efficiency of using the volume of the active medium due to its uniform filling with laser radiation can be ensured. The reduction in laser dimensions is also facilitated by breaking the optical axis of the laser resonator. In addition, it is not necessary to use spherical mirrors of large curvature and apply appropriate measures to reduce the influence of these mirrors on the formation of the field along the height of the waveguide.

В предпочтительном варианте выполнения предложенного лазера число указанных зеркал, образующих кольцевой резонатор, является нечетным, а величины их кривизны таковы, что распространяющийся по волноводу пучок лазерного излучения не имеет фокальных перетяжек. Если в пучке лазерного излучения отсутствуют фокальные перетяжки, то для обеспечения надлежащего переворота пучка при полном обходе резонатора число зеркал, образующих кольцевой резонатор, должно быть нечетным.In a preferred embodiment of the proposed laser, the number of these mirrors forming a ring resonator is odd, and their curvature is such that the laser beam propagating along the waveguide does not have focal constrictions. If there are no focal constrictions in the laser beam, then to ensure proper beam overturn when the cavity is completely circumvented, the number of mirrors forming a ring resonator should be odd.

В соответствии с данным изобретением только одно из зеркал кольцевого резонатора необходимо выполнить выпуклым для обеспечения требуемого увеличения неустойчивого резонатора. В данной реализации, из соображений простоты конструкции и уменьшения стоимости, остальные зеркала, образующие резонатор, могут быть плоскими.In accordance with this invention, only one of the mirrors of the ring resonator must be convex to provide the desired increase in the unstable resonator. In this implementation, for reasons of design simplicity and cost reduction, the remaining mirrors forming the resonator may be flat.

В другом варианте выполнения изобретения одно из зеркал кольцевого резонатора может быть выполнено выпуклым, другое - вогнутым, а остальные зеркала могут быть плоскими. Использование в кольцевом резонаторе, по меньшей мере, одного вогнутого зеркала упрощает формирование на выходе лазера волнового фронта с требуемой кривизной.In another embodiment, one of the mirrors of the ring resonator may be convex, the other concave, and the remaining mirrors may be flat. The use of at least one concave mirror in a ring resonator simplifies the formation of a wavefront with the required curvature at the laser output.

По сравнению со слэб-лазером, выполненным в соответствии с предшествующим патентом '479 [23], в предпочтительном варианте выполнения предложенного лазера указанные поверхности охлаждающих элементов являются по существу плоскопараллельными. Это упрощает конструкцию лазера, а также позволяет повысить его эффективность по сравнению с лазером, содержащим криволинейные отрезки волноводов. Последнее соображение очевидно, поскольку введение в состав лазера криволинейных отрезков волновода обычно приводит к “прижатию” поля волноводной моды к электроду, обращенному к разрядному промежутку своей вогнутой поверхностью, в результате чего часть возбужденной активной среды, расположенная вблизи противоположного электрода, используется менее эффективно.Compared with the slab laser made in accordance with the previous patent '479 [23], in a preferred embodiment of the proposed laser, said surfaces of the cooling elements are essentially plane parallel. This simplifies the design of the laser and also improves its efficiency compared to a laser containing curved sections of waveguides. The latter consideration is obvious, since the introduction of curved sections of the waveguide into the laser usually leads to the “pressing” of the waveguide mode field to the electrode facing the discharge gap with its concave surface, as a result of which the part of the excited active medium located near the opposite electrode is used less efficiently.

В предпочтительном варианте выполнения предложенного лазера расстояния от точки пересечения осевого контура резонатора с поверхностью каждого из зеркал, образующих резонатор, до краев этих зеркал являются такими, чтобы обеспечить вывод излучения из резонатора в виде единственного пучка сплошного сечения около одного из краев одного из указанных зеркал и тем самым ограничение расширения пучка в резонаторе.In a preferred embodiment of the proposed laser, the distances from the intersection of the axial contour of the resonator with the surface of each of the mirrors forming the resonator to the edges of these mirrors are such as to ensure that radiation is emitted from the resonator in the form of a single continuous beam near one of the edges of one of these mirrors and thereby limiting the expansion of the beam in the cavity.

Однако в других вариантах выполнения изобретения резонатор может быть снабжен средством отклонения части излучения, примыкающей к краю пучка лазерного излучения, формируемого зеркалами оптического резонатора, для вывода этой части излучения из резонатора и ограничения тем самым расширения пучка в резонаторе.However, in other embodiments of the invention, the resonator may be equipped with a means of deflecting a portion of the radiation adjacent to the edge of the laser beam generated by the mirrors of the optical resonator to remove this portion of the radiation from the resonator and thereby limit the expansion of the beam in the resonator.

Предложенный лазер предпочтительно включает средства, обеспечивающие преимущественное распространение излучения по кольцевому резонатору в одном из двух возможных противоположных направлений обхода этого резонатора. Такие средства позволяют обеспечить по существу однонаправленную генерацию излучения в кольцевом лазерном резонаторе бегущей волны, что дает возможность получить максимальную мощность излучения в одном компактном выходном пучке.The proposed laser preferably includes means that ensure the predominant propagation of radiation through the ring resonator in one of two possible opposite directions of bypassing this resonator. Such means make it possible to provide substantially unidirectional generation of radiation in a traveling-wave laser ring resonator, which makes it possible to obtain maximum radiation power in one compact output beam.

Указанные средства, обеспечивающие преимущественное распространение излучения в одном из двух направлений, могут содержать зеркало обратной связи (возвратное зеркало), установленное так, что оно по существу не влияет на излучение, распространяющееся по резонатору в первом из двух направлений, но отражает в обратном направлении, по меньшей мере, часть излучения, распространяющегося по резонатору во втором направлении, противоположном первому, так, что эта, по меньшей мере, часть излучения направляется по резонатору в первом направлении.These means, providing the predominant propagation of radiation in one of two directions, may contain a feedback mirror (return mirror), installed so that it essentially does not affect the radiation propagating through the resonator in the first of two directions, but reflects in the opposite direction, at least a portion of the radiation propagating through the resonator in a second direction opposite to the first, such that at least a portion of the radiation is directed along the resonator in the first direction.

В другом возможном варианте осуществления изобретения в одном из зеркал резонатора в точке пересечения его поверхности с осевым контуром резонатора может быть выполнено отверстие, а указанные средства, обеспечивающие преимущественное распространение излучения в одном из двух направлений, могут при этом включать зеркало обратной связи, установленное за этим отверстием так, что оно отражает в обратном направлении прошедшую через указанное отверстие часть излучения, распространяющегося по резонатору во втором направлении, так, что эта часть излучения проходит через указанное отверстие и направляется по резонатору в первом направлении.In another possible embodiment of the invention, a hole may be made in one of the resonator mirrors at the intersection of its surface with the axial contour of the resonator, and these means, which provide the predominant propagation of radiation in one of two directions, may include a feedback mirror mounted behind this hole so that it reflects in the opposite direction passed through the specified hole part of the radiation propagating through the resonator in the second direction, so that this Part of the radiation passes through said opening and is guided through the resonator in the first direction.

Благодаря зеркалу обратной связи, между двумя распространяющимися навстречу друг другу волнами вносится связь, приводящая к дополнительному усилению одной из этих волн. В результате конкуренции мод в усиливающей среде на стадии возникновения генерации в резонаторе создаются преимущественные условия для пучка, распространяющегося в первом направлении, и лазер начинает работать по существу в однонаправленном режиме.Thanks to the feedback mirror, a bond is introduced between two waves propagating towards each other, leading to an additional amplification of one of these waves. As a result of mode competition in the amplifying medium at the stage of generation in the cavity, preferential conditions are created for a beam propagating in the first direction, and the laser begins to operate essentially in a unidirectional mode.

В еще одном варианте выполнения настоящего изобретения излучение маломощного лазера может инжектироваться в лазер высокой мощности, с тем чтобы когерентное излучение маломощного лазера определяло длину волны излучения мощного лазера. В одной из схем выполнения выходной пучок маломощного лазера может вводиться в плоскости выходного зеркала мощного лазера в обратном направлении. В другом варианте маломощное излучение может вводиться в резонатор мощного лазера с помощью отверстия в одном из зеркал неустойчивого резонатора. В любом из этих вариантов выполнения настоящего изобретения маломощный лазер будет оптически развязан по направлению от излучения, распространяющегося в мощном лазере.In yet another embodiment of the present invention, the radiation of a low-power laser can be injected into a high-power laser so that the coherent radiation of a low-power laser determines the wavelength of the radiation of a high-power laser. In one embodiment, the output beam of a low-power laser can be introduced in the opposite direction in the plane of the output mirror of a high-power laser. In another embodiment, low-power radiation can be introduced into the cavity of a high-power laser using an opening in one of the mirrors of an unstable resonator. In any of these embodiments of the present invention, the low-power laser will be optically decoupled in the direction from the radiation propagating in the high-power laser.

Параметры световода в вариантах, рассмотренных выше в общем виде, и, следовательно, режим распространения излучения в световоде могут быть различными. В некоторых вариантах выполнения указанный кольцевой резонатор бегущей волны может быть устойчивым в направлении, перпендикулярном указанной плоскости осевого контура резонатора, так что пучок излучения практически не направляется поверхностями охлаждающих элементов.The parameters of the fiber in the options discussed above in General, and, therefore, the mode of propagation of radiation in the fiber can be different. In some embodiments, said traveling wave ring resonator may be stable in a direction perpendicular to said plane of the axial contour of the resonator, so that the radiation beam is practically not guided by the surfaces of the cooling elements.

В других вариантах указанные охлаждающие элементы могут быть расположены так, что они определяют волноводный режим распространения излучения в указанном световоде.In other embodiments, said cooling elements may be arranged so that they determine a waveguide mode of propagation of radiation in said fiber.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

Изобретение иллюстрируется чертежами, на которых:The invention is illustrated by drawings, in which:

на фиг.1 в перспективе показан газовый лазер с диффузионным охлаждением, выполненный согласно одному из вариантов осуществления изобретения;figure 1 in perspective shows a gas laser with diffusion cooling, made according to one of the embodiments of the invention;

на фиг.2 представлен вид сверху, в разрезе по межэлектродному промежутку, лазера с диффузионным охлаждением, показанного на фиг.1;figure 2 presents a top view, in section along the interelectrode gap, of the laser with diffusion cooling, shown in figure 1;

на фиг.3 показан другой вариант выполнения газового лазера с диффузионным охлаждением согласно изобретению;figure 3 shows another embodiment of a gas laser with diffusion cooling according to the invention;

на фиг.4 показан еще один вариант выполнения газового лазера с диффузионным охлаждением согласно изобретению;figure 4 shows another embodiment of a gas laser with diffusion cooling according to the invention;

на фиг.5а и 5b пояснена одна из возможных схем обеспечения однонаправленной генерации в газовом лазере с диффузионным охлаждением, выполненном согласно изобретению;on figa and 5b is explained one of the possible schemes for providing unidirectional generation in a gas laser with diffusion cooling, made according to the invention;

на фиг.6 показан еще один вариант выполнения газового лазера с диффузионным охлаждением согласно изобретению, имеющий 5 зеркал.figure 6 shows another embodiment of a gas laser with diffusion cooling according to the invention, having 5 mirrors.

В обычных волноводных слэб-лазерах охлаждающие элементы одновременно играют роль электродов. В слайс-лазерах разряд возбуждается дополнительными электродами (на чертежах не показаны).In conventional waveguide slab lasers, cooling elements simultaneously play the role of electrodes. In slice lasers, the discharge is excited by additional electrodes (not shown in the drawings).

Чертежи даны без соблюдения масштабных соотношений между размерами элементов лазера для более ясного представления изобретения.The drawings are given without observing the scale relationships between the sizes of the laser elements for a clearer presentation of the invention.

Описание вариантов осуществления изобретенияDescription of Embodiments

Газовый лазер с высокочастотным возбуждением и диффузионным (столкновительным) охлаждением, показанный на фиг.1, содержит пару охлаждающих элементов 1 и 2, разделенных промежутком 3, в который помещена газовая активная среда (не показана), например типичная газовая среда волноводного СО₂-лазера, включающая СО₂, N₂, Не и другие газы.The gas laser with high-frequency excitation and diffusion (collision) cooling, shown in Fig. 1, contains a pair of cooling elements 1 and 2, separated by a gap 3, in which a gas active medium (not shown) is placed, for example, a typical gas medium of a waveguide CO ₂ laser including CO ₂ , N ₂ , He and other gases.

Противолежащие поверхности охлаждающих элементов 1 и 2 расположены достаточно близко друг к другу, так что они образуют световод для распространения оптического излучения. Электроды соединены с высокочастотным генератором (не показан) для подачи высокочастотной мощности накачки в активную среду. Охлаждающие элементы 1 и 2 могут также быть снабжены средствами охлаждения (не показаны) для улучшения отвода тепла от охлаждающих элементов.Opposite surfaces of the cooling elements 1 and 2 are located close enough to each other, so that they form a light guide for the propagation of optical radiation. The electrodes are connected to a high-frequency generator (not shown) to supply high-frequency pump power to the active medium. The cooling elements 1 and 2 may also be provided with cooling means (not shown) to improve heat removal from the cooling elements.

Внешний контур каждого из охлаждающих элементов 1, 2 имеет форму треугольника со срезанными вершинами, около которых, в непосредственной близости от внешнего края межэлектродного промежутка 3, установлены зеркала 4, 5 и 6, образующие неустойчивый кольцевой оптический резонатор бегущей волны положительной ветви, замкнутый осевой контур которого лежит в плоскости, проходящей между поверхностями охлаждающих элементов 1 и 2 и обращенной к ним своими противоположными сторонами.The external contour of each of the cooling elements 1, 2 has the shape of a triangle with cut vertices, near which, in the immediate vicinity of the outer edge of the interelectrode gap 3, mirrors 4, 5 and 6 are installed, forming an unstable annular optical resonator of a traveling wave of a positive branch, a closed axial contour which lies in a plane passing between the surfaces of the cooling elements 1 and 2 and facing them with their opposite sides.

Как показано на фиг.2, для формирования кольцевого оптического резонатора зеркала 4, 5 и 6 установлены друг относительно друга так, что они замыкают треугольный осевой контур (показан штрихпунктирной линией). Биссектрисы углов при вершинах этого треугольного контура (показаны пунктирными линиями) являются одновременно нормалями к поверхностям зеркал. Таким образом, угол падения осевого луча, падающего на зеркало, равен углу отражения для каждого из зеркал. Осевой контур резонатора, показанного на фиг.1 и 2, лежит в срединной плоскости (плоскости симметрии), равноудаленной от противолежащих поверхностей охлаждающих элементов 1 и 2, образующих световод.As shown in figure 2, for the formation of a ring optical resonator, the mirrors 4, 5 and 6 are mounted relative to each other so that they close the triangular axial contour (shown by the dot-dash line). The bisectors of the angles at the vertices of this triangular contour (shown by dashed lines) are simultaneously normals to the surfaces of the mirrors. Thus, the angle of incidence of the axial ray incident on the mirror is equal to the angle of reflection for each of the mirrors. The axial contour of the resonator, shown in figures 1 and 2, lies in the median plane (plane of symmetry), equidistant from the opposite surfaces of the cooling elements 1 and 2, forming the fiber.

Как можно видеть на фиг.1 и 2, формирование замкнутого осевого контура кольцевого резонатора в плоскости, проходящей между поверхностями охлаждающих элементов, позволяет обеспечить достаточно компактную, по сравнению с известными линейными резонаторами, конструкцию при равной площади этих элементов. При этом, поскольку в плоскости, проходящей между поверхностями охлаждающих элементов 1 и 2, распространение лазерного излучения ничем не ограничено, возможность дополнительного поворота излучения в этой плоскости путем изгиба стенок волновода по существу отсутствует, и, следовательно, отсутствуют дополнительные распределенные потери на изогнутых стенках волновода, имеющие место в известных прототипах.As can be seen in FIGS. 1 and 2, the formation of a closed axial contour of the ring resonator in a plane passing between the surfaces of the cooling elements makes it possible to provide a compact structure compared to the known linear resonators with an equal area of these elements. Moreover, since the propagation of laser radiation is not limited in the plane passing between the surfaces of the cooling elements 1 and 2, the possibility of additional rotation of the radiation in this plane by bending the walls of the waveguide is essentially absent, and, therefore, there are no additional distributed losses on the curved walls of the waveguide taking place in known prototypes.

Поэтому в сравнении с известным устройством, выполненным в соответствии с '479, где используются два зеркала и две сложные и точно изогнутые волноводные поверхности, а формирование замкнутого контура кольцевого резонатора происходит за счет распределенных отражений от четырех изогнутых стенок волновода, в настоящем изобретении для осуществления кругового прохода излучения по резонатору используются три зеркала и простейший резонаторный осевой контур. За счет исключения распределенных отражений при распространении вдоль изогнутых поверхностей волновода и замены их отражением от единственного внутрирезонаторного оптического элемента резонатор, выполненный в соответствии с настоящим изобретением, будет иметь значительно меньшие внутрирезонаторные потери по сравнению с потерями известного кольцевого резонатора, использующего два зеркала. Кроме того, даже в трехзеркальном исполнении кольцевого резонатора, в настоящем изобретении расширяющая пучок часть резонатора может включать, например, зеркала 5 и 6 на фиг.2. Это позволяет сделать кольцевой резонатор, выполненный в соответствии с изобретением, конфокальным и асимметричным. Это невозможно сделать в известном двухзеркальном симметричном устройстве, выполненном в соответствии с '479 [23]. И наконец, смена левого на правое, т.е. инверсия пучка излучения внутри резонатора, в настоящем изобретении может быть осуществлена без использования фокальной перетяжки внутри резонатора, которая является необходимой для этого в известных линейных неустойчивых резонаторах.Therefore, in comparison with the known device made in accordance with '479, where two mirrors and two complex and precisely curved waveguide surfaces are used, and the formation of a closed loop of a ring resonator occurs due to distributed reflections from four curved walls of the waveguide, in the present invention to realize a circular The passage of radiation through the resonator uses three mirrors and the simplest resonator axial contour. By eliminating distributed reflections during propagation along the curved surfaces of the waveguide and replacing them with reflection from a single intracavity optical element, the resonator made in accordance with the present invention will have significantly lower intracavity losses compared to the losses of the known ring resonator using two mirrors. In addition, even in the three-mirror design of the ring resonator, in the present invention, the beam-expanding part of the resonator can include, for example, mirrors 5 and 6 in FIG. 2. This allows you to make the ring resonator, made in accordance with the invention, confocal and asymmetric. This cannot be done in the well-known two-mirror symmetrical device, made in accordance with '479 [23]. And finally, the change of left to right, i.e. the inversion of the radiation beam inside the resonator, in the present invention can be carried out without using the focal constriction inside the resonator, which is necessary for this in the known linear unstable resonators.

Для того, чтобы кольцевой оптический резонатор бегущей волны, показанный на фиг.2, являлся неустойчивым резонатором положительной ветви, в данном примере осуществления изобретения зеркало 4 выполнено выпуклым, зеркала 5 и 6 являются плоскими. Выпуклое зеркало 4 может быть, например, сферическим с радиусом кривизны R, выбранным так, чтобы обеспечить оптимальное увеличение М неустойчивого резонатора. Увеличение показанного на фиг.2 кольцевого резонатора (которое примерно совпадает с увеличением поперечного размера пучка в плоскости симметрии волновода при полном обходе этого кольцевого резонатора) определяется, при достаточно малом угле падения пучков на выпуклое зеркало, выражениемIn order for the traveling traveling ring optical resonator shown in FIG. 2 to be an unstable positive branch resonator, in this embodiment, the mirror 4 is convex, the mirrors 5 and 6 are flat. The convex mirror 4 may be, for example, spherical with a radius of curvature R selected so as to provide an optimal increase in M of the unstable resonator. The increase in the ring resonator shown in Fig. 2 (which approximately coincides with the increase in the transverse size of the beam in the plane of symmetry of the waveguide with a complete round-trip of this ring resonator) is determined, with a sufficiently small angle of incidence of the beams on the convex mirror, by the expression

где L - половина длины осевого контура резонатора. Увеличение М неустойчивого резонатора обычно выбирается так, чтобы обеспечить оптимальную эффективность съема энергии в активной среде лазера. Для определения оптимального значения М могут быть использованы известные способы расчета параметров неустойчивых резонаторов в волноводных газовых лазерах. В типичном волноводном СО₂-лазере с диффузионным охлаждением, имеющем зазор между электродами 2 мм при длине осевого контура 3,5 м и частоте накачки 81 МГц, оптимальное значение М может составлять, например, порядка 1,3-1,4.where L is half the length of the axial contour of the resonator. The magnification M of the unstable resonator is usually chosen so as to ensure optimal energy removal efficiency in the active medium of the laser. To determine the optimal value of M, known methods for calculating the parameters of unstable resonators in waveguide gas lasers can be used. In a typical diffusion-cooled waveguide CO ₂ laser having a gap between electrodes of 2 mm with an axial contour length of 3.5 m and a pump frequency of 81 MHz, the optimal value of M can be, for example, of the order of 1.3-1.4.

Расстояния от точки пересечения осевого контура резонатора с поверхностью каждого из зеркал 4, 5 и 6, образующих резонатор, до краев этих зеркал являются такими, чтобы обеспечить вывод излучения из резонатора в виде единственного пучка сплошного сечения около края одного из зеркал, например края 6а зеркала 6, и ограничение тем самым расширения пучка в резонаторе.The distances from the intersection of the axial contour of the resonator with the surface of each of the mirrors 4, 5 and 6 forming the resonator to the edges of these mirrors are such as to ensure that radiation is emitted from the resonator in the form of a single continuous beam near the edge of one of the mirrors, for example, edge 6a of the mirror 6, and thereby limiting the expansion of the beam in the cavity.

Так, размеры зеркал 4, 5 и 6 в направлении нормалей к поверхностям охлаждающих элементов приблизительно соответствуют размеру промежутка между ними или несколько превышают его, во избежание утечки лазерного излучения за края зеркал. В направлении, поперечном указанным нормалям, размер зеркала 6 выбран таким образом, что измеренное в плоскости симметрии волновода расстояние от точки пересечения осевого контура резонатора с поверхностью зеркала 6 до первого края 6а этого зеркала меньше расстояния до второго края 6b этого зеркала не менее чем в М раз. Размеры остальных зеркал 4 и 5 в указанном поперечном направлении достаточно велики, чтобы пучок лазерного излучения, распространяющийся в резонаторе и падающий на эти зеркала, не выходил за их края, т.е. чтобы они не ограничивали расширения пучка в резонаторе.So, the sizes of mirrors 4, 5 and 6 in the direction of the normals to the surfaces of the cooling elements approximately correspond to the size of the gap between them or slightly exceed it, in order to avoid leakage of laser radiation from the edges of the mirrors. In the direction transverse to the indicated normals, the size of mirror 6 is chosen in such a way that the distance from the point of intersection of the axial contour of the resonator with the surface of mirror 6 to the first edge 6a of this mirror, measured in the symmetry plane of the waveguide, is less than the distance to the second edge 6b of this mirror not less than in M time. The dimensions of the remaining mirrors 4 and 5 in the indicated transverse direction are large enough so that the laser beam propagating in the resonator and incident on these mirrors does not go beyond their edges, i.e. so that they do not limit the beam expansion in the cavity.

Показанный на фиг.1 лазер также включает средства, обеспечивающие преимущественное распространение излучения в одном из двух возможных противоположных направлений обхода резонатора, в данном примере - по часовой стрелке. Для этого в зеркале 4 на оси резонатора выполнено отверстие 8 небольшого размера (в типичных условиях СО₂-лазера размер отверстия может быть равен, например, 1 мм). Отверстие 8 ориентировано так, что продолжение участка оси резонатора, идущего от зеркала 5 к зеркалу 4, т.е. в направлении обхода резонатора против часовой стрелки, проходит через это отверстие. За этим отверстием 8, с обратной стороны от отражающей поверхности зеркала 4, установлено небольшое плоское зеркало 9 обратной связи, пересекающее указанное продолжение участка оси резонатора и ориентированное поперечно ему. Зеркало 9 съюстировано таким образом, чтобы волна, распространяющаяся в резонаторе против часовой стрелки, проходя через отверстие 8, отражалась от зеркала 9, снова проходила через отверстие 8 обратно в резонатор и суммировалась там с волной, распространяющейся в резонаторе по часовой стрелке.The laser shown in FIG. 1 also includes means for predominantly propagating radiation in one of two possible opposite directions around the cavity, in this example, clockwise. For this, a small hole 8 is made in the mirror 4 on the resonator axis (under typical conditions of a CO ₂ laser, the hole size can be, for example, 1 mm). The hole 8 is oriented so that the continuation of the section of the axis of the resonator going from mirror 5 to mirror 4, i.e. in the direction of bypassing the resonator counterclockwise, passes through this hole. Behind this hole 8, on the reverse side of the reflecting surface of the mirror 4, there is a small flat feedback mirror 9 that intersects the specified extension of the section of the axis of the resonator and oriented transversely to it. The mirror 9 is aligned so that the wave propagating counterclockwise in the resonator passing through the hole 8 is reflected from the mirror 9, again passes through the hole 8 back to the resonator and is summed there with the wave propagating in the resonator clockwise.

Показанный на фиг.1 и 2 лазер включает также средство отклонения выходного лазерного пучка в требуемом направлении, образованное плоским зеркалом 10, а также вогнутое зеркало 11, служащее для придания волновому фронту пучка требуемой кривизны.The laser shown in FIGS. 1 and 2 also includes means for deflecting the output laser beam in the desired direction, formed by a planar mirror 10, as well as a concave mirror 11, which serves to give the wave front of the beam the required curvature.

Конструкция лазера, показанная на фиг.1 и 2, приведена только в качестве примера. Так, например, в других вариантах выполнения изобретения более чем одно из зеркал, образующих кольцевой резонатор, могут быть выполнены выпуклыми. Одно или несколько из зеркал резонатора могут быть выполнены вогнутыми для коллимирования выходного пучка или придания его волновому фронту требуемой кривизны.The laser design shown in FIGS. 1 and 2 is provided by way of example only. So, for example, in other embodiments of the invention, more than one of the mirrors forming the ring resonator can be made convex. One or more of the resonator mirrors may be concave to collimate the output beam or impart the required curvature to its wavefront.

Число зеркал, образующих кольцевой резонатор, в лазере, выполненном согласно изобретению, может быть более трех. Например, в волноводном газовом лазере, схематически показанном на фиг.3, число зеркал, образующих кольцевой резонатор, равно четырем, при этом зеркала 12, 13 являются вогнутыми, а зеркала 14, 15 - выпуклыми.The number of mirrors forming a ring resonator in a laser made according to the invention may be more than three. For example, in the waveguide gas laser shown schematically in FIG. 3, the number of mirrors forming a ring resonator is four, while mirrors 12, 13 are concave and mirrors 14, 15 are convex.

В газовом лазере с диффузионным охлаждением, схематически представленном на фиг.6, число зеркал в кольцевом резонаторе бегущей волны равно пяти (зеркала 21-25). Кривизна зеркал и их размеры выбраны так, чтобы кольцевой резонатор, будучи неустойчивым в плоскости, лежащей между поверхностями охлаждающих элементов, имел требуемое увеличение М, а распределение поля излучения внутри резонатора обеспечивало хорошее заполнение активной среды 26. В варианте выполнения изобретения, показанном на фиг.6, зеркала 21 и 24 являются выпуклыми, зеркала 22, 23 являются вогнутыми, а зеркало 25 плоское.In a gas laser with diffusion cooling, shown schematically in FIG. 6, the number of mirrors in the traveling wave ring cavity is five (mirrors 21-25). The curvature of the mirrors and their sizes are chosen so that the ring resonator, being unstable in the plane lying between the surfaces of the cooling elements, has the desired increase in M, and the distribution of the radiation field inside the resonator ensures good filling of the active medium 26. In the embodiment of the invention shown in FIG. 6, mirrors 21 and 24 are convex, mirrors 22, 23 are concave, and mirror 25 is flat.

Следует также отметить, что, по меньшей мере, некоторые из зеркал, образующих кольцевой резонатор, могут представлять собой не отдельные элементы, как показано на приложенных чертежах, а участки единой зеркальной поверхности. Кроме того, помимо зеркал кольцевой резонатор может включать другие известные элементы, используемые для формирования таких резонаторов.It should also be noted that at least some of the mirrors forming the ring resonator may not be separate elements, as shown in the attached drawings, but sections of a single mirror surface. In addition, in addition to mirrors, the ring resonator may include other known elements used to form such resonators.

Охлаждающие элементы 1 и 2 не обязательно должны быть плоскопараллельными. Например, поверхности охлаждающих элементов 1 и 2 могут иметь некоторый изгиб противоположного знака в плоскости, поперечной стенкам световода и проходящей через отрезки осевого контура. Замкнутый осевой контур резонатора в этом случае по-прежнему лежит по существу в одной плоскости, как в рассмотренном выше примере осуществления изобретения. В других вариантах выполнения изобретения расстояние между охлаждающими элементами может изменяться в зависимости от поперечных координат с целью управления кривизной волнового фронта пучка в плоскости симметрии волновода.The cooling elements 1 and 2 do not have to be plane parallel. For example, the surfaces of the cooling elements 1 and 2 may have some bend of the opposite sign in the plane transverse to the walls of the fiber and passing through the segments of the axial contour. The closed axial contour of the resonator in this case still lies essentially in the same plane, as in the above embodiment. In other embodiments of the invention, the distance between the cooling elements may vary depending on the transverse coordinates in order to control the curvature of the wavefront of the beam in the plane of symmetry of the waveguide.

Очевидно также, что осевой контур кольцевого резонатора бегущей волны может в небольших пределах отклоняться от плоскости, проходящей между поверхностями охлаждающих элементов, пока такое отклонение не приводит к существенному ухудшению выходных параметров лазера.It is also obvious that the axial contour of the traveling-wave ring resonator can deviate to a small extent from the plane passing between the surfaces of the cooling elements, until such a deviation leads to a significant deterioration in the laser output parameters.

Охлаждающие элементы также могут быть выполнены из отдельных секций. Когда охлаждающие элементы используются в качестве электродов, мощность накачки может подводиться к каждой из секций отдельно, как это делается в известных волноводных слэб-лазерах с высокочастотным возбуждением или слайс-лазерах.Cooling elements can also be made of separate sections. When cooling elements are used as electrodes, the pump power can be supplied to each of the sections separately, as is done in known waveguide slab lasers with high-frequency excitation or slice lasers.

Вывод лазерного излучения из резонатора не обязательно должен обеспечиваться около края одного из зеркал, как показано на фиг.1-3. Например, в выполненном согласно изобретению газовом лазере с диффузионным охлаждением, схематически показанном на фиг.4, резонатор снабжен отдельным средством вывода излучения из резонатора в виде зеркала 16, установленного с внешней стороны от осевого контура резонатора.The output of laser radiation from the resonator does not have to be provided near the edge of one of the mirrors, as shown in FIGS. 1-3. For example, in the gas laser according to the invention with diffusion cooling, shown schematically in FIG. 4, the resonator is provided with a separate means for outputting radiation from the resonator in the form of a mirror 16 mounted on the outside of the axial contour of the resonator.

Обеспечение однонаправленной генерации в кольцевом резонаторе не требует обязательного использования отверстий в зеркалах резонатора. Так, в волноводном газовом лазере, схематически показанном на фиг.5а и фиг.5b, зеркало 17 обратной связи расположено за выводным зеркалом резонатора вблизи его края, в области "тени" для волны, распространяющейся в резонаторе по часовой стрелке. В то же время зеркало 17 обратной связи отъюстировано так, чтобы отражать в обратном направлении падающую на него волну, идущую по резонатору против часовой стрелки. В качестве выводного зеркала, около края которого излучение выводится из резонатора, в данном примере осуществления изобретения использовано выпуклое зеркало 4.Ensuring unidirectional generation in a ring resonator does not require the mandatory use of holes in the cavity mirrors. So, in the waveguide gas laser, schematically shown in figa and fig.5b, the feedback mirror 17 is located behind the output mirror of the resonator near its edge, in the "shadow" region for the wave propagating clockwise in the resonator. At the same time, the feedback mirror 17 is aligned so as to reflect in the opposite direction the wave incident on it, traveling counterclockwise along the resonator. As the output mirror, near the edge of which the radiation is removed from the resonator, in this embodiment, a convex mirror 4 is used.

В варианте выполнения изобретения, представленном схематически на фиг.6, показана другая возможная схема введения обратной связи, в которой в тракте обратной связи используются промежуточное зеркало 27 и двугранный уголковый отражатель 28. Как показано на фиг.6, полированная боковая поверхность зеркала 21 используется как зеркало 27, направляющее обратно в резонатор падающее на него излучение 20, распространяющееся против часовой стрелки, после его отражения от размещенного соответствующим образом двугранного уголкового отражателя 28.In the embodiment of the invention shown schematically in FIG. 6, another possible feedback injection scheme is shown in which an intermediate mirror 27 and a dihedral corner reflector 28 are used in the feedback path. As shown in FIG. 6, the polished side surface of the mirror 21 is used as a mirror 27, directing radiation 20 incident on it back into the resonator, propagating counterclockwise, after it is reflected from the dihedral angular reflector 28 placed accordingly.

При работе кольцевого лазера бегущей волны с диффузионным охлаждением, показанного на фиг.1 и 2, для возбуждения газовой активной среды электрическим разрядом с помощью внешнего генератора к среде подводят высокочастотную мощность накачки. В случае обычного волноводного лазера это делается с помощью охлаждающих элементов 1 и 2, которые выполняются в этом случае из проводящего материала и играют роль электродов. Для того, чтобы при этом не накачивать области, не заполненные излучением, и, таким образом, повысить эффективность лазера, в одном из электродов может быть выполнена выемка 7, препятствующая возбуждению разряда в области выемки.When operating a ring laser of a traveling wave with diffusion cooling, shown in Figs. 1 and 2, a high-frequency pump power is supplied to the medium to excite a gas active medium by electric discharge using an external generator. In the case of a conventional waveguide laser, this is done using cooling elements 1 and 2, which are made in this case from a conductive material and play the role of electrodes. In order not to pump areas that are not filled with radiation, and thus increase the laser efficiency, a recess 7 can be made in one of the electrodes, which prevents the discharge from being excited in the recess area.

При работе слайс-лазера с резонатором бегущей волны, показанным на фиг.1 и 2, высокочастотную мощность (или ее комбинацию с мощностью постоянного тока) подводят к дополнительным электродам (не показанным на фигурах). В обоих случаях при возбуждении активной среды генерируется оптическое излучение, распространяющееся в волноводе (световоде), образованном промежутком между противолежащими поверхностями охлаждающих элементов 1 и 2. Излучение, направление распространения которого совпадает с направлением осевого контура кольцевого резонатора, распространяется вдоль этого контура по замкнутой траектории, усиливаясь в активной среде, что приводит к самовозбуждению пучка лазерного излучения вблизи осевого контура резонатора. При распространении по неустойчивому кольцевому резонатору ширина этого пучка лазерного излучения в срединной плоскости между охлаждающими элементами (в плоскости чертежа фиг.2) увеличивается в М раз при каждом полном обходе резонатора благодаря кривизне выпуклого зеркала 4, т.е. пучок излучения расширяется как в свободном пространстве. В направлениях, поперечных к поверхностям охлаждающих элементов, расширение пучка ограничивается этими поверхностями, в результате чего формируется основная волноводная мода или гауссова мода, в зависимости от высоты световода.When operating a slice laser with a traveling wave resonator shown in FIGS. 1 and 2, high-frequency power (or a combination thereof with direct current power) is supplied to additional electrodes (not shown in the figures). In both cases, when the active medium is excited, optical radiation is generated that propagates in the waveguide (fiber) formed by the gap between the opposite surfaces of the cooling elements 1 and 2. Radiation whose propagation direction coincides with the direction of the axial contour of the ring resonator propagates along this path along a closed path, amplifying in the active medium, which leads to self-excitation of the laser beam near the axial contour of the resonator. When propagating through an unstable ring resonator, the width of this laser beam in the median plane between the cooling elements (in the plane of the drawing of FIG. 2) increases M times with each complete round-trip of the resonator due to the curvature of the convex mirror 4, i.e. the radiation beam expands in free space. In directions transverse to the surfaces of the cooling elements, the beam expansion is limited by these surfaces, as a result of which a main waveguide mode or a Gaussian mode is formed, depending on the height of the fiber.

Каждое из трех зеркал 4, 5 и 6 резонатора обеспечивает поворот пучка лазерного излучения в плоскости симметрии световода, проходящей между указанными электродами. В результате каждого такого поворота любой луч пучка меняет свое положение по отношению к осевому контуру резонатора на противоположное. В промежутках между зеркалами 4, 5 и 6 не происходит никаких переворотов пучка, так как в этом резонаторе отсутствуют вогнутые зеркала и, следовательно, нет фокальных перетяжек пучка. Поскольку число зеркал в таком резонаторе является нечетным, то любой луч, распространяющийся по волноводу по одну сторону от осевого контура резонатора, после полного обхода резонатора оказывается по другую сторону от осевого контура резонатора. Как, например, показано на фиг.2, луч, проходящий по волноводу по часовой стрелке через точку А, находящуюся с внутренней стороны от осевого контура, после полного обхода резонатора, в результате последовательного отражения от зеркал 5, 6 и 4, оказывается в точке В, находящейся с внешней стороны от осевого контура.Each of the three mirrors 4, 5 and 6 of the resonator provides a rotation of the laser beam in the plane of symmetry of the fiber passing between the indicated electrodes. As a result of each such rotation, any beam beam changes its position with respect to the axial contour of the resonator to the opposite. In the intervals between mirrors 4, 5, and 6, no beam flips occur, since there are no concave mirrors in this resonator and, therefore, there are no focal beam constrictions. Since the number of mirrors in such a resonator is odd, any beam propagating along the waveguide on one side of the axial contour of the resonator, after a complete round-trip of the resonator, is on the other side of the axial contour of the resonator. As, for example, shown in figure 2, the beam passing clockwise through the waveguide through point A, located on the inner side of the axial contour, after a complete round-trip of the resonator, as a result of successive reflection from mirrors 5, 6 and 4, appears at the point B, located on the outside of the axial contour.

Ширина распространяющегося по неустойчивому кольцевому резонатору пучка лазерного излучения увеличивается в плоскости симметрии волновода при каждом полном обходе резонатора в М раз до тех пор, пока после очередного обхода резонатора один из краев пучка не выходит, как показано на фиг.2, за край 6а зеркала 6. Однако при этом излучение не выходит за другой край 6b этого зеркала 6, поскольку расстояние от осевого контура до края 6b, по меньшей мере, в М раз больше, чем расстояние от осевого контура до края 6а. После следующего полного прохода пучка по резонатору и повторного увеличения в М раз ширины пучка та часть пучка лазерного излучения, которая находилась около второго края 6b зеркала 6, благодаря перевороту пучка в кольцевом резонаторе, выполненном согласно изобретению, окажется с другой стороны от осевого контура, выйдет за первый край 6а зеркала 6 и будет выведена из резонатора. Таким образом, вывод излучения из резонатора около первого края 6а зеркала 6 приводит к ограничению дальнейшего расширения пучка в обоих противоположных направлениях, в которых он расширяется как в свободном пространстве. При этом края остальных зеркал 4 и 5 достаточно удалены от осевого контура резонатора, чтобы распространяющийся в резонаторе пучок не выходил за края этих зеркал, что обеспечивает вывод излучения из резонатора в виде одного пучка, а не двух или более. Часть расширенного пучка, вышедшая за край 6а зеркала 6, после последовательного отражения от зеркал 10 и 11 выводится из лазера в виде выходного пучка 18 сплошного сечения, близкого к прямоугольному. Кривизна вогнутого зеркала 11 обеспечивает коллимацию выходного пучка в поперечной плоскости или, если это необходимо, формирование сходящегося пучка из расходящегося пучка, выходящего из кольцевого неустойчивого резонатора.The width of the laser beam propagating through the unstable ring resonator increases in the symmetry plane of the waveguide at each complete round-trip of the resonator by M times until after one round-trip of the resonator one of the beam edges exits, as shown in Fig. 2, beyond edge 6a of mirror 6 However, the radiation does not extend beyond the other edge 6b of this mirror 6, since the distance from the axial contour to the edge 6b is at least M times greater than the distance from the axial contour to the edge 6a. After the next full passage of the beam through the resonator and the beam width is increased by a factor of M again, that part of the laser beam that was near the second edge 6b of mirror 6, due to the flipping of the beam in the ring resonator made according to the invention, will be on the other side of the axial contour beyond the first edge 6a of the mirror 6 and will be removed from the resonator. Thus, the output of radiation from the resonator near the first edge 6a of the mirror 6 limits the further expansion of the beam in both opposite directions in which it expands in free space. In this case, the edges of the remaining mirrors 4 and 5 are sufficiently far from the axial contour of the resonator so that the beam propagating in the resonator does not go beyond the edges of these mirrors, which ensures that radiation is emitted from the resonator in the form of one beam, and not two or more. The part of the expanded beam that extends beyond the edge 6a of the mirror 6, after successive reflection from the mirrors 10 and 11, is removed from the laser in the form of an output beam 18 of a continuous section, close to rectangular. The curvature of the concave mirror 11 ensures the collimation of the output beam in the transverse plane or, if necessary, the formation of a converging beam from a diverging beam emerging from the annular unstable resonator.

Таким образом, в предложенном лазере, выполненном как показано на фиг.1 и 2, односторонний вывод излучения из резонатора осуществляется благодаря попеременному прохождению лучей, образующих лазерный пучок, с разных сторон от осевого контура резонатора, аналогично тому, как в линейных неустойчивых резонаторах отрицательной ветви односторонний вывод излучения обеспечивается благодаря попеременному прохождению лучей с разных сторон от оси линейного резонатора. В линейных неустойчивых резонаторах отрицательной ветви это позволяет избежать бесполезных потерь излучения из резонатора, имеющих место в “половинном” неустойчивом резонаторе положительной ветви с односторонним выводом излучения. В то же время, в отличие от известных линейных неустойчивых резонаторов отрицательной ветви, переворот сечения пучка в кольцевом резонаторе, выполненном согласно изобретению, не требует обязательного использования фокальной перетяжки пучка, а обеспечивается благодаря ориентации осевого контура кольцевого резонатора в плоскости, проходящей между поверхностями охлаждающих элементов 1 и 2, при соответствующем выборе числа и кривизны зеркал 4, 5 и 6, образующих кольцевой резонатор. Отсутствие фокальных перетяжек пучка в резонаторе, показанном на фиг.1 и 2, обеспечивает высокую равномерность интенсивности излучения и, следовательно, высокую эффективность использования объема активной среды и позволяет предотвратить нежелательные нелинейные эффекты и пробои в активной среде.Thus, in the proposed laser, made as shown in FIGS. 1 and 2, the one-way radiation output from the resonator is achieved due to the alternate passage of the rays forming the laser beam from different sides of the axial contour of the resonator, similar to the way in linear unstable resonators of the negative branch one-sided output of radiation is provided due to the alternate passage of rays from different sides from the axis of the linear resonator. In linear unstable resonators of the negative branch, this avoids the useless loss of radiation from the resonator that occurs in the “half” unstable resonator of the positive branch with one-sided radiation output. At the same time, unlike the known linear unstable resonators of the negative branch, the flip of the beam cross section in the ring resonator made according to the invention does not require the use of a focal beam waist, but is ensured by the orientation of the axial contour of the ring resonator in a plane passing between the surfaces of the cooling elements 1 and 2, with the appropriate choice of the number and curvature of the mirrors 4, 5 and 6, forming a ring resonator. The absence of focal constrictions of the beam in the resonator shown in FIGS. 1 and 2 ensures high uniformity of radiation intensity and, therefore, high efficiency of using the volume of the active medium and prevents undesirable nonlinear effects and breakdowns in the active medium.

Благодаря тому, что лучи, образующие пучок излучения в кольцевом резонаторе, выполненном согласно изобретению, падают на любое из зеркал 4, 5 и 6 попеременно то с одной, то с другой стороны от осевого контура, возможные отклонения этих зеркал в срединной плоскости световода от их требуемых положений компенсируются подобно тому, как это имеет место в линейных неустойчивых резонаторах отрицательной ветви с фокальной перетяжкой. Аналогичным образом компенсируются оптические клиновые неоднородности в активной среде, поскольку положительная разность хода, приобретенная на одном проходе наружной частью пучка вследствие ее распространения, например, по "толстой" стороне такого клина, ориентированного в плоскости симметрии световода, будет скомпенсирована на следующем проходе в результате приобретения этой же частью пучка отрицательной разности хода, так как наружная часть пучка станет теперь внутренней и будет распространяться по "тонкой" стороне того же клина. Таким образом, попеременное прохождение лучей, образующих лазерный пучок, с разных сторон от осевого контура кольцевого резонатора обеспечивает значительное уменьшение чувствительности кольцевого резонатора, выполненного согласно изобретению, к разъюстировкам зеркал 4-6, образующих резонатор, и к оптическим неоднородностям типа клина в активной среде, без использования для этой цели фокальных перетяжек пучка в резонаторе.Due to the fact that the rays forming the radiation beam in the ring resonator made according to the invention fall on any of the mirrors 4, 5 and 6, alternately from one or the other from the axial contour, possible deviations of these mirrors in the median plane of the fiber from them the required positions are compensated in the same way as in linear unstable negative-branch resonators with a focal constriction. Optical wedge inhomogeneities in the active medium are compensated in a similar way, since the positive path difference acquired in one pass by the outer part of the beam due to its propagation, for example, along the “thick” side of such a wedge oriented in the plane of symmetry of the fiber, will be compensated in the next pass as a result of acquisition the same part of the beam of the negative path difference, since the outer part of the beam will now become internal and will spread along the “thin” side of the same wedge. Thus, the alternate passage of the rays forming the laser beam from different sides of the axial contour of the ring resonator provides a significant decrease in the sensitivity of the ring resonator made according to the invention to the misalignments of the mirrors 4-6 forming the resonator and to optical inhomogeneities such as a wedge in an active medium, without using the focal constrictions of the beam in the cavity for this purpose.

Таким образом, предложенный волноводный лазер с диффузионным охлаждением и с кольцевым резонатором бегущей волны объединяет в себе преимущества известных волноводных лазеров с резонатором положительной ветви, связанные с отсутствием в них фокальной перетяжки лазерного пучка внутри резонатора, с достоинствами известных линейных неустойчивых резонаторов отрицательной ветви, такими как низкая чувствительность к разъюстировкам и клиновым неоднородностям и односторонний вывод излучения из резонатора пучка сплошного сечения.Thus, the proposed diffusion-cooled waveguide laser with a traveling-wave ring resonator combines the advantages of known waveguide lasers with a positive branch resonator associated with the absence of a focal waist of the laser beam inside the resonator with the advantages of the known linear unstable negative branch resonators, such as low sensitivity to misalignment and wedge inhomogeneities and one-sided output of radiation from a solid-beam beam resonator.

Как следует из вышесказанного, для переворота поперечного сечения пучка в лазере, выполненном согласно изобретению, предпочтительным является использование нечетного числа зеркал резонатора (3, 5, 7 и т.д.). При этом переворот сечения пучка в направлении большего размера сечения обеспечивается без необходимости иметь фокальную перетяжку внутри резонатора. Однако в тех случаях, когда в кольцевом лазере, выполненном согласно данному изобретению, умышленно используют резонатор отрицательной ветви, имеющий фокальную перетяжку внутри резонатора, для того, чтобы сохранить переворот сечения пучка после полного обхода резонатора, число зеркал делают четным. И напротив, в соответствии с данным изобретением можно спроектировать кольцевой резонатор, который должен иметь четное число внутрирезонаторных зеркал. В такой ситуации, показанной на фиг.3, в связи с тем, что переворот сечения пучка с заменой левого на правое представляется предпочтительным для резонатора с четным числом зеркал, для того, чтобы осуществить такой переворот, необходимо создать фокальную перетяжку внутри резонатора.As follows from the foregoing, to flip the beam cross section in a laser made according to the invention, it is preferable to use an odd number of resonator mirrors (3, 5, 7, etc.). In this case, the flip of the beam section in the direction of the larger cross-section is ensured without the need for a focal constriction inside the resonator. However, in those cases where a negative branch resonator having a focal constriction inside the resonator is intentionally used in a ring laser made according to this invention in order to maintain a revolution in the beam cross section after a full round-trip of the resonator, the number of mirrors is made even. Conversely, in accordance with this invention it is possible to design a ring resonator, which should have an even number of intracavity mirrors. In such a situation, shown in figure 3, due to the fact that the flip of the beam cross-section with the left to the right being replaced seems to be preferable for a resonator with an even number of mirrors, in order to carry out such a flip, it is necessary to create a focal constriction inside the resonator.

Например, на фиг.3 такая перетяжка 19, формируемая благодаря фокусировке пучка вогнутым зеркалом 12, расположена между зеркалами 12 и 13. Однако, в отличие от лазеров с линейными неустойчивыми резонаторами отрицательной ветви, область перетяжки в лазере с кольцевым резонатором может быть вынесена за пределы накачиваемой области активной среды, поэтому наличие такой перетяжки не приведет к существенному ухудшению параметров лазера за счет возникновения нежелательных нелинейных эффектов.For example, in figure 3, such a constriction 19, formed by focusing the beam with a concave mirror 12, is located between the mirrors 12 and 13. However, unlike lasers with linear unstable resonators of the negative branch, the region of the waist in the laser with a ring resonator can be moved outside of the pumped region of the active medium, therefore, the presence of such a constriction will not lead to a significant deterioration of the laser parameters due to the appearance of undesirable nonlinear effects.

В отличие от лазера, показанного на фиг.2, где ограничение расширения пучка в резонаторе осуществляется зеркалом 6 резонатора, в лазере, схематически показанном на фиг.4, ограничение пучка осуществляется дополнительным зеркалом 16, которое установлено так, что оно отклоняет и выводит из резонатора часть излучения, примыкающую к краю пучка лазерного излучения, формируемого зеркалами оптического резонатора, и находящуюся с внешней стороны от осевого контура резонатора. Использование такого отдельного средства отклонения пучка для его вывода из резонатора упрощает юстировку оптической системы лазера и позволяет легко управлять шириной выходного пучка путем соответствующего поперечного перемещения зеркала 16.In contrast to the laser shown in FIG. 2, where the beam expansion in the cavity is limited by the mirror 6 of the resonator, in the laser shown schematically in FIG. 4, the beam is limited by the additional mirror 16, which is set so that it deflects and leads out of the resonator the part of the radiation adjacent to the edge of the laser beam formed by the mirrors of the optical resonator, and located on the outside of the axial contour of the resonator. The use of such a separate means of deflecting the beam for its output from the cavity simplifies the alignment of the optical system of the laser and makes it easy to control the width of the output beam by corresponding transverse movement of the mirror 16.

Зеркало 9 обратной связи, показанное на фиг.1 и 2, обеспечивает преимущественное распространение излучения в резонаторе в направлении по часовой стрелке, что позволяет достичь по существу однонаправленной генерации. Отверстие 8 в зеркале 4, благодаря своему небольшому размеру, не оказывает существенного влияния на волну, распространяющуюся по резонатору в направлении по часовой стрелке. Сравнительно небольшая часть мощности этой волны, проходящая через отверстие 8, отклоняется зеркалом 9 и не попадает обратно в резонатор. В то же время часть волны, распространяющейся в резонаторе против часовой стрелки, проходит через отверстие 8, отражается от зеркала 9 и направляется им через отверстие 8 обратно в резонатор, распространяясь в нем уже по часовой стрелке. Таким образом, между двумя распространяющимися навстречу друг другу волнами вносится некоторая связь, приводящая к дополнительному усилению одной из этих волн; в данном примере происходит усиление волны, распространяющейся по часовой стрелке. В результате конкуренции мод в усиливающей среде, которая возникает на стадии возникновения генерации в резонаторе, создаются преимущественные условия для пучка, распространяющегося по часовой стрелке, и лазер начинает работать по существу в однонаправленном режиме. Такое зеркало обратной связи особенно эффективно в случае сред с однородно уширенной линией усиления, таких как YAG или СО₂. Как показывают проведенные авторами расчеты и эксперименты, наличие даже относительно слабой связи между волнами, распространяющимися в резонаторе в противоположных направлениях, является вполне достаточным, чтобы обеспечить по существу однонаправленную работу лазера.The feedback mirror 9 shown in FIGS. 1 and 2 provides a predominant propagation of radiation in the cavity in a clockwise direction, which allows achieving substantially unidirectional generation. The hole 8 in the mirror 4, due to its small size, does not significantly affect the wave propagating along the resonator in a clockwise direction. A relatively small part of the power of this wave passing through the hole 8 is deflected by the mirror 9 and does not fall back into the resonator. At the same time, part of the wave propagating counterclockwise in the resonator passes through the hole 8, is reflected from the mirror 9 and is directed through the hole 8 back to the resonator, propagating in it clockwise. Thus, between two waves propagating towards each other, a certain connection is introduced, leading to an additional amplification of one of these waves; in this example, amplification of a wave propagating clockwise occurs. As a result of mode competition in the amplifying medium, which occurs at the stage of generation of oscillations in the cavity, preferential conditions are created for a beam propagating in a clockwise direction, and the laser begins to operate in essentially unidirectional mode. Such a feedback mirror is especially effective in the case of media with a uniformly broadened gain line, such as YAG or CO ₂ . As the calculations and experiments performed by the authors show, the presence of even a relatively weak coupling between the waves propagating in the cavity in opposite directions is quite sufficient to ensure essentially unidirectional operation of the laser.

В лазере, схема которого показана на фиг.5а и 5b, однонаправленная генерация достигается без использования отверстий в зеркалах резонатора, наличие которых в волноводных лазерах с малой величиной межэлектродного промежутка не всегда желательно. На фиг.5а показан пучок 18 полезного излучения, распространяющийся в резонаторе по часовой стрелке, на фиг.5b - пучок 20, идущий против часовой стрелки, который необходимо подавить. Зеркало 17, благодаря своему расположению за выводным зеркалом 4, в области "тени", не вносит искажений в пучок 18 излучения, распространяющийся по часовой стрелке. В то же время пучок 20 излучения, распространяющийся против часовой стрелки, выходит из резонатора под иным углом, чем пучок 18, и в результате частично перехватывается зеркалом 17. Попадающее на зеркало 17 излучение отражается им в обратном направлении и добавляется к волне, идущей в резонаторе по часовой стрелке. В результате как и в лазере, показанном на фиг.1 и 2, создаются преимущественные условия для пучка, распространяющегося по часовой стрелке, и лазер начинает работать по существу в однонаправленном режиме.In the laser, the circuit of which is shown in FIGS. 5a and 5b, unidirectional generation is achieved without using holes in the cavity mirrors, the presence of which in waveguide lasers with a small interelectrode gap is not always desirable. On figa shows a beam 18 of useful radiation, propagating in the resonator clockwise, on figb - beam 20 going counterclockwise, which must be suppressed. The mirror 17, due to its location behind the output mirror 4, in the region of the "shadow" does not introduce distortion into the radiation beam 18, propagating clockwise. At the same time, the radiation beam 20, propagating counterclockwise, leaves the resonator at a different angle than the beam 18, and as a result is partially intercepted by the mirror 17. The radiation incident on the mirror 17 is reflected in the opposite direction and added to the wave traveling in the resonator clockwise. As a result, as in the laser shown in FIGS. 1 and 2, advantageous conditions are created for a beam propagating in a clockwise direction, and the laser begins to operate essentially in a unidirectional mode.

В лазере, схематически изображенном на фиг.6, показан другой вариант выполнения обратной связи. В нем пучок, распространяющийся против часовой стрелки, претерпевает дополнительное отражение от боковой поверхности 27 зеркала 21 прежде, чем он отразится от рефлектора обратной связи 28. Угол между поверхностями зеркал 27 и 21 вблизи их общего края 29 может быть выбран так, чтобы увеличить угол между пучками 20 и 18. Увеличение этого угла упрощает перехватывание пучка 20, распространяющегося против часовой стрелки, рефлектором обратной связи 28 и его отражение обратно в кольцевой резонатор.In the laser shown schematically in FIG. 6, another embodiment of feedback is shown. In it, a beam propagating counterclockwise undergoes additional reflection from the side surface 27 of the mirror 21 before it is reflected from the feedback reflector 28. The angle between the surfaces of the mirrors 27 and 21 near their common edge 29 can be chosen so as to increase the angle between beams 20 and 18. An increase in this angle simplifies the interception of the beam 20, propagating counterclockwise, by the feedback reflector 28 and its reflection back into the ring resonator.

Использование двугранного уголкового рефлектора 28 вместо зеркала обратной связи 17 существенным образом снижает требования к точности угловой юстировки отражателя при условии, что его ребро 30 расположено надлежащим образом по отношению к краю 29.The use of a dihedral corner reflector 28 instead of the feedback mirror 17 significantly reduces the requirements for the accuracy of the angular adjustment of the reflector, provided that its edge 30 is properly positioned relative to the edge 29.

В первом практическом выполнении настоящего изобретения в СО₂ слэб-лазере с трехзеркальным кольцевым неустойчивым резонатором была получена в непрерывном режиме выходная мощность 350 Вт. Компонентами кольцевого гибридного неустойчивого резонатора бегущей волны являлись два плоских полностью отражающих зеркала и одно выпуклое сферическое полностью отражающее зеркало с радиусом кривизны 60 метров. Указанные зеркала формировали резонатор с периметром 2L=1,3 м и геометрическим увеличением 1,3. При разрядном зазоре 2 мм лазер работал на смеси газов He-N₂-СО₂ 6:1:1 при давлении 70 тор. С резонатором, имевшим конфигурацию, подобную изображенной на фиг.5а, измеренная величина подавленной обратной волны была примерно в 100 раз, т.е. на 20 децибелл, слабее по интенсивности, чем 350 Вт-ная выходная волна, распространяющаяся в прямом направлении. Как показали эксперименты, расходимость выходного пучка сплошного сечения, выходящего с одной стороны от зеркала и имеющего сечение размером 2 мм на 12 мм, оказалось очень близкой к дифракционному пределу для каждого из двух измерений выходного пучка.In a first practical embodiment of the present invention, an output power of 350 watts was continuously obtained in a CO ₂ slab laser with a three-mirror ring unstable resonator. The components of the ring hybrid unstable traveling wave resonator were two flat fully reflecting mirrors and one convex spherical fully reflecting mirror with a radius of curvature of 60 meters. These mirrors formed a resonator with a perimeter of 2L = 1.3 m and a geometric magnification of 1.3. At a discharge gap of 2 mm, the laser operated on a mixture of He-N ₂ -CO ₂ 6: 1: 1 gases at a pressure of 70 torr. With a resonator having a configuration similar to that shown in Fig. 5a, the measured value of the suppressed backward wave was approximately 100 times, i.e. 20 decibels weaker in intensity than the 350 W output wave propagating in the forward direction. As the experiments showed, the divergence of the output beam of a continuous cross section, emerging on one side of the mirror and having a cross section of 2 mm by 12 mm, turned out to be very close to the diffraction limit for each of the two measurements of the output beam.

Рассмотренные выше конструкции газового лазера с диффузионным охлаждением и высокочастотным возбуждением приведены только в качестве примеров. Для осуществления изобретения могут быть использованы любые подходящие типы элементов, ограничивающих промежуток, зеркал, активных сред, средств накачки и других компонентов, применяемых в подобных устройствах. Для специалистов в области лазерной техники является очевидным, что вместо зеркал или наряду с ними могут использоваться любые эквивалентные оптические средства, обеспечивающие требуемую трансформацию и изменение направления пучков оптического излучения. Поэтому, хотя описанные выше варианты являются предпочтительными вариантами выполнения изобретения, в этих вариантах могут быть сделаны различные модификации и замены без отступления от духа и сути изобретения. Соответственно, должно быть понятным, что описание настоящего изобретения носит иллюстративный, а не ограничительный характер.The above constructions of a gas laser with diffusion cooling and high-frequency excitation are given only as examples. For the implementation of the invention can be used any suitable types of elements that limit the gap, mirrors, active media, means of pumping and other components used in such devices. For specialists in the field of laser technology, it is obvious that instead of mirrors or along with them, any equivalent optical means can be used, providing the required transformation and changing the direction of the optical radiation beams. Therefore, although the options described above are preferred embodiments of the invention, various modifications and replacements can be made in these embodiments without departing from the spirit and spirit of the invention. Accordingly, it should be understood that the description of the present invention is illustrative and not restrictive.

ЛитератураLiterature

1. А.Е. Siegman, "Unstable Optical Resonators for Laser Applications", Proceedings of the IEEE, Mar. 1965, pp. 277-287.1. A.E. Siegman, "Unstable Optical Resonators for Laser Applications", Proceedings of the IEEE, Mar. 1965, pp. 277-287.

2. A.E. Siegman and R. Arrathoon, "Modes in Unstable Optical Resonators and Lens Waveguides", IEEE, J. Quantum Electronics, vol. QE-3, 156-163, April 1967.2. A.E. Siegman and R. Arrathoon, "Modes in Unstable Optical Resonators and Lens Waveguides", IEEE, J. Quantum Electronics, vol. QE-3, 156-163, April 1967.

3. Ю.А. Ананьев, Н.А. Свенцицкая и В.Е. Шерстобитов, Селекция поперечных типов колебаний в ОКГ с выпуклыми зеркалами, ДАН СССР, т. 179, №6, стр. 1304-1305 (июль 1968), представлено 22.05.1967 (Yu. A. Anan'ev, N.А. Sventsitskaya and V.E. Sherstobitov, "Transverse mode selection in a laser with convex mirrors", Sov. Phys. - Doklady v. 13, p. 351-352 (October 1968)).3. Yu.A. Ananyev, N.A. Sventsitskaya and V.E. Sherstobitov, Selection of transverse types of oscillations in a laser with convex mirrors, Dokl. Akad. and VE Sherstobitov, "Transverse mode selection in a laser with convex mirrors", Sov. Phys. - Doklady v. 13, p. 351-352 (October 1968)).

4. Ю.А. Ананьев, Н.А. Свенцицкая и В.Е. Шерстобитов, Свойства ОКГ с неустойчивым резонатором, ЖТФ, т. 55, стр. 130-140, июль 1968 (Yu.A. Anan'ev, N.S. Sventsitskaya and V.E. Sherstobitov, "Properties of a Laser with an Unstable Resonator", Soviet Physics JETP, 28, 1, p. 69-74, Jan., 1969).4. Yu.A. Ananyev, N.A. Sventsitskaya and V.E. Sherstobitov, Properties of laser with an unstable resonator, Zhtf, vol. 55, pp. 130-140, July 1968 (Yu.A. Anan'ev, NS Sventsitskaya and VE Sherstobitov, "Properties of a Laser with an Unstable Resonator", Soviet Physics JETP, 28, 1, p. 69-74, Jan., 1969).

5. Ю.А. Ананьев и Г.Н. Винокуров, Некоторые свойства кольцевых неустойчивых резонаторов с угловой селекцией излучения, ЖТФ, т. 39, №7, стр. 1327-1330, июль 1969 (Yu.A. Anan'ev and G.N. Vinokurov, "Some properties of Ring-Type Unstable Cavities with Angular Selection of Radiation", Soviet Physics, 14, 7, p. 1000-1002, Jan., 1970).5. Yu.A. Ananyev and G.N. Vinokurov, Some properties of ring unstable resonators with angular selection of radiation, ZhTF, vol. 39, No. 7, pp. 1327-1330, July 1969 (Yu.A. Anan'ev and GN Vinokurov, "Some properties of Ring-Type Unstable Cavities with Angular Selection of Radiation ", Soviet Physics, 14, 7, p. 1000-1002, Jan., 1970).

6. Ю.А. Ананьев, Неустойчивые резонаторы и их применения. В сб. "Квантовая электроника", под ред. Н.Г. Басова, №6, стр. 3-28, 1971 (Yu.A. Anan'ev, "Unstable resonators and their applications", "Sov. J. Quant. Electron.", v. 1, p. 565-586 (May-June 1972)).6. Yu.A. Ananiev, Unstable resonators and their applications. On Sat "Quantum Electronics", ed. N.G. Basova, No. 6, pp. 3-28, 1971 (Yu.A. Anan'ev, "Unstable resonators and their applications", "Sov. J. Quant. Electron.", V. 1, p. 565-586 ( May-June 1972)).

7. W.F. Krupke and W.R. Sooy, "Properties of an Unstable Confocal Resonator CO₂ Laser System", IEEE J. Quantum Electronics, vol. QE-5, pp. 575-586, Dec. 1969.7. WF Krupke and WR Sooy, "Properties of an Unstable Confocal Resonator CO ₂ Laser System", IEEE J. Quantum Electronics, vol. QE-5, pp. 575-586, Dec. 1969.

8. A.E. Siegman and H.Y. Miller, "Unstable Optical Resonator Loss Calculations Using the Prony Method", Applied Optics, vol. 9, №12, p. 2729-2736, Dec. 1970.8. A.E. Siegman and H.Y. Miller, "Unstable Optical Resonator Loss Calculations Using the Prony Method", Applied Optics, vol. 9, No. 12, p. 2729-2736, Dec. 1970.

9. E.V. Locke, R.A. Hella, L. Westra and G. Zeiders, "Performance of an Unstable Oscillator on a 30-kW CW Gas Dynamic Laser", IEEE J. Quantum Electronics, vol QE-7, p. 581-583, Dec. 1971.9. E.V. Locke, R.A. Hella, L. Westra and G. Zeiders, "Performance of an Unstable Oscillator on a 30-kW CW Gas Dynamic Laser", IEEE J. Quantum Electronics, vol QE-7, p. 581-583, Dec. 1971.

10. Cari.J. Buczek, Peter P. Chenausky and Robert J. Freiberg, "Unstable Ring Laser Resonators", US Patent 3824487, filed 8 May 1972.10. Cari.J. Buczek, Peter P. Chenausky and Robert J. Freiberg, "Unstable Ring Laser Resonators", US Patent 3824487, filed May 8, 1972.

11. R.J. Freiberg, P.P. Chenausky and C.J. Buczek, "An Experimental Study of Unstable Confocal CO₂ Resonators", IEEE J. Quantum Electronics, vol. QE-8, p. 882-892, Dec.1972.11. RJ Freiberg, PP Chenausky and CJ Buczek, "An Experimental Study of Unstable Confocal CO ₂ Resonators", IEEE J. Quantum Electronics, vol. QE-8, p. 882-892, Dec. 1972.

12. R.J. Freiberg, P.P. Chenausky and C.J. Buczek, "Unidirectional Unstable Ring Lasers", Appl. Optics, vol. 12, №6, p. 1140-1144, June 1973.12. R.J. Freiberg, P.P. Chenausky and C.J. Buczek, "Unidirectional Unstable Ring Lasers", Appl. Optics, vol. 12, No. 6, p. 1140-1144, June 1973.

13. R.J. Freiberg, P.P. Chenausky and C.J. Buczek, "Unstable Asymmetric Travelling Wave Resonators for High-Power Applications", IEEE J. Quantum Electronics, vol. QE-9, p. 716ff, June 1973.13. R.J. Freiberg, P.P. Chenausky and C.J. Buczek, "Unstable Asymmetric Traveling Wave Resonators for High-Power Applications", IEEE J. Quantum Electronics, vol. QE-9, p. 716ff, June 1973.

14. Carl J. Buczek, Robert J. Freiberg and M.L. Skolnick, "Laser Injection Locking", Proc. IEEE, vol. 61, №10. October 1973.14. Carl J. Buczek, Robert J. Freiberg and M.L. Skolnick, "Laser Injection Locking", Proc. IEEE, vol. 61, No. 10. October 1973.

15. Ю.А. Ананьев, Г.Н. Винокуров, Л.В. Ковальчук, Н.А. Свенцицкая и В.Е. Шерстобитов, "ОКГ с телескопическим резонаторорм", ЖЭТФ, т. 58, стр. 786-793, 1970 (представлено 29 июля 1969); (Yu.A. Anan'ev, G.N. Vinokurov, L.V. Koval'chuk, N.A. Sventsitskaya and V.E. Sherstobitov "Telescopic - resonator Laser", Sov. Phys. JETP, v. 31, №3, p. 420-423, 1970).15. Yu.A. Ananyev, G.N. Vinokurov, L.V. Kovalchuk, N.A. Sventsitskaya and V.E. Sherstobitov, “Laser with Telescopic Resonatororm”, ZhETP, vol. 58, pp. 786-793, 1970 (presented July 29, 1969); (Yu.A. Anan'ev, GN Vinokurov, LV Koval'chuk, NA Sventsitskaya and VE Sherstobitov "Telescopic - resonator Laser", Sov. Phys. JETP, v. 31, No. 3, p. 420-423, 1970) .

16. Ю.А. Ананьев, Н.А. Свенцицкая, В.Е. Шерстобитов. Авторское свидетельство №274254 с приоритетом от 18.03.1968. Бюллетень №24, 1970, с. 63.16. Yu.A. Ananyev, N.A. Sventsitskaya, V.E. Sherstobitov. Copyright certificate No. 274254 with priority of 03/18/1968. Bulletin No. 24, 1970, p. 63.

17. А.Е. Siegman, "Unstable Optical Resonators", Appl. Optics, vol 13, №2, p. 353-367, Feb. 1974.17. A.E. Siegman, "Unstable Optical Resonators", Appl. Optics, vol 13, No. 2, p. 353-367, Feb. 1974.

18. Ю.А. Ананьев, Оптические резонаторы и проблема расходимости лазерного излучения, М.: Наука, 1979.18. Yu.A. Ananyev, Optical resonators and the problem of laser radiation divergence, M .: Nauka, 1979.

19. А.Е. Siegman, "Lasers", pages 858-922, Univ. Science Books, copyright 1986. ISBN 0-935702-11-5.19. A.E. Siegman, "Lasers", pages 858-922, Univ. Science Books, copyright 1986. ISBN 0-935702-11-5.

20. W.M. Mecek and D.T.M. Davis, Jr., "Rotation Rate Sensing with Travelling-Wave Ring Lasers", Appl. Phys. Lett., 9, 1966 p. 55ff).20. W.M. Mecek and D.T.M. Davis, Jr., "Rotation Rate Sensing with Traveling-Wave Ring Lasers", Appl. Phys. Lett., 9, 1966 p. 55ff).

21. Roger A. Haas, Peter P. Chenausky and Robert J. Freiberg, "Laser Plasma Diagnostic Using Ring Resonators, US Patent 3885874, Filed 11 Jan. 1974, issued 27 May 1975.21. Roger A. Haas, Peter P. Chenausky and Robert J. Freiberg, "Laser Plasma Diagnostic Using Ring Resonators, US Patent 3885874, Filed 11 Jan. 1974, issued May 27, 1975.

22. A.S. Osipov, G.A. Ponomarev, Yu.P. Maiboroda, V.K. Batalin, V.G. Kurganov and V.A. Levada, "Ring Cavity Resonator for the Analysis of the Spectral Composition of the Radation from a CO₂ laser", Pribory i Tekhnika Eksperimenta, №1, p. 186 и 187, Jan-Feb. 1973.22. AS Osipov, GA Ponomarev, Yu.P. Maiboroda, VK Batalin, VG Kurganov and VA Levada, "Ring Cavity Resonator for the Analysis of the Spectral Composition of the Radation from a CO ₂ laser", Pribory i Tekhnika Eksperimenta, No. 1, p. 186 and 187, Jan-Feb. 1973.

23. Hans Opower, "Folded Waveguide Laser", US Patent 5097479, filed 28 Dec. 1990, issued 17 March 1992.23. Hans Opower, "Folded Waveguide Laser", US Patent 5,097,479, filed 28 Dec. 1990, issued 17 March 1992.

24. John Tulip, "Carbon Dioxide Slab Laser", US Patent 4719639, filed 8 Jan. 1987, issued 12 Jan. 1988.24. John Tulip, "Carbon Dioxide Slab Laser", US Patent 4,719,639, filed Jan 8. 1987, issued 12 Jan. 1988.

25. Junichi Nishimae, Kenji Yoshizawa, Masakazu Taki, "Gas Laser Device", US Patent 5048048, filed 9 Aug. 1990, issued 10 Sept 1991.25. Junichi Nishimae, Kenji Yoshizawa, Masakazu Taki, "Gas Laser Device", US Patent 5048048, filed 9 Aug. 1990, issued 10 Sept 1991.

26. Ю.А. Ананьев, В.Н. Чернов и В.Е. Шерстобитов, Твердотельный ОКГ с высокой пространственной когерентностью излучения, в сб. Квантовая электроника, под. ред. Н.Г. Басова, №4, стр. 112 и 113, 1971 (Yu.A. Anan'ev, V.N. Chernov and V.E. Sherstobitov, "Solid-state laser with a high spatial coherence of radiation", Sov. J. Quant. Electron., v. 1, p. 403 и 404 (Jan.-Feb. 1972)).26. Yu.A. Ananyev, V.N. Chernov and V.E. Sherstobitov, Solid State Laser with High Spatial Coherence of Radiation, Sat Quantum electronics, under. ed. N.G. Basova, No. 4, pp. 112 and 113, 1971 (Yu.A. Anan'ev, VN Chernov and VE Sherstobitov, "Solid-state laser with a high spatial coherence of radiation", Sov. J. Quant. Electron., v. 1, p. 403 and 404 (Jan.-Feb. 1972)).

27. P.E. Jackson, H.J. Baker and D.R. Hall, "СО₂ large-area discharge laser using an unstable-waveguide hybrid resonator", Appl. Phys. Lett. Vol. 54, №20, 15 May 1989, p. 1950-1952.27. PE Jackson, HJ Baker and DR Hall, "CO ₂ large-area discharge laser using an unstable-waveguide hybrid resonator", Appl. Phys. Lett. Vol. 54, No. 20, 15 May 1989, p. 1950-1952.

28. Peter Chenausky, "Rectangular Discharge Gas Laser", US Patent 5748663, filed 6 June 1997, issued 5 May 1998.28. Peter Chenausky, "Rectangular Discharge Gas Laser", US Patent 5748663, filed 6 June 1997, issued 5 May 1998.

29. D.R. Hall and H.J. Baker, "Area Scaling boosts СО₂-laser performance", Laser Focus World. October 1989, p. 77-80.29. DR Hall and HJ Baker, “Area Scaling boosts CO ₂ -laser performance,” Laser Focus World. October 1989, p. 77-80.

30. A. Lapucci, A. Labate, F. Rossetti and S. Mascalchi, "Hybrid stable-unstable resonators for diffusion-cooled СО₂ slab lasers.", vol. 35, №18, Applied Optics, June 1996, 3185-3192.30. A. Lapucci, A. Labate, F. Rossetti and S. Mascalchi, "Hybrid stable-unstable resonators for diffusion-cooled CO ₂ slab lasers.", Vol. 35, No. 18, Applied Optics, June 1996, 3185-3192.

31. H. Zhao, H.J. Baker and D.R. Hall, "Area scaling in slab rf-excited carbon monoxide lasers". Appl. Phys. Lett., vol. 59, №11, 9 Sept. 1991, р. 1281-1283.31. H. Zhao, H.J. Baker and D.R. Hall, "Area scaling in slab rf-excited carbon monoxide lasers". Appl. Phys. Lett., Vol. 59, No. 11, 9 Sept. 1991, p. 1281-1283.

32. P.P. Vitruk, R.J. Morley, H.J. Baker and D.R. Hall, "High power continuous wave Xe laser with radio frequency excitation.", Appl Phys. Lett. Vol. 67, №10, 4 Sept. 1995, p.1366-1368.32. P.P. Vitruk, R.J. Morley, H.J. Baker and D.R. Hall, "High power continuous wave Xe laser with radio frequency excitation.", Appl Phys. Lett. Vol. 67, No. 10, 4 Sept. 1995, p. 1366-1368.

33. P. Chenausky, L.M. Laughman and R.J. Wayne, "Radio-frequency and Microwave Excitation of CO₂ Lasers", Paper TuKKy CLEOS Conference, 1980.33. P. Chenausky, LM Laughman and RJ Wayne, "Radio-frequency and Microwave Excitation of CO ₂ Lasers", Paper TuKKy CLEOS Conference, 1980.

34. A. Gabi, R. Hertzberg and S. Yatsiv, "Radio-Frequency Excited Stripline CO and СО₂ Lasers", paper TuB4, CLEO Conference, June 19, 1984.34. A. Gabi, R. Hertzberg and S. Yatsiv, "Radio-Frequency Excited Stripline CO and CO ₂ Lasers", paper TuB4, CLEO Conference, June 19, 1984.

35. Peter Chenausky, "Slice Laser", US Patent 6134256, filed 4 May 1998, issued 17 Oct. 2000.35. Peter Chenausky, "Slice Laser", US Patent 6134256, filed 4 May 1998, issued 17 Oct. 2000.

36. James L. Hobart, J. Michael Yarborough, Joseph Dallarosa and Philip Gardner, "RF Excited СО₂ Slab Waveguide Laser", US Patent 5123028, filed 12 Oct. 1990, issued 16 June 1992.36. James L. Hobart, J. Michael Yarborough, Joseph Dallarosa and Philip Gardner, "RF Excited CO ₂ Slab Waveguide Laser", US Patent 5123028, filed 12 Oct. 1990, issued 16 June 1992.

Claims (101)

1. Лазер, включающий первую и вторую протяженные поверхности, между которыми имеется промежуток, характеризуемый средней величиной в некотором направлении, причем указанные поверхности образуют пространство между ними для размещения лазерной активной среды, указанное пространство имеет плоскость, содержащую замкнутый осевой контур оптического резонатора бегущей волны, указанная плоскость расположена посередине между указанными поверхностями, а указанное направление ориентировано преимущественно перпендикулярно указанным поверхностям; лазерную активную среду, размещенную в указанном пространстве; средства накачки по крайней мере части лазерной среды, расположенной между указанными первой и второй поверхностями, для создания инверсной населенности в указанной активной среде; в котором указанный резонатор является оптически неустойчивым в указанной плоскости и оптически устойчивым в указанном направлении, причем моды оптически неустойчивого и оптически устойчивого резонаторов совместно определяют характеристики распространения света внутри лазера, а также вывод излучения из него.1. A laser, including the first and second extended surfaces, between which there is a gap characterized by an average value in a certain direction, and these surfaces form a space between them to accommodate the laser active medium, the specified space has a plane containing a closed axial contour of the traveling wave optical resonator, the specified plane is located in the middle between the indicated surfaces, and the indicated direction is oriented mainly perpendicular to the indicated surface Ostam; laser active medium located in the specified space; means for pumping at least a portion of the laser medium located between said first and second surfaces to create an inverse population in said active medium; wherein said resonator is optically unstable in the indicated plane and optically stable in the indicated direction, the modes of the optically unstable and optically stable resonators together determine the characteristics of light propagation inside the laser, as well as the output of radiation from it. 2. Лазер по п.1, в котором вывод излучения из указанного неустойчивого резонатора осуществляется только с одной стороны от замкнутого осевого контура.2. The laser according to claim 1, in which the output of radiation from the specified unstable resonator is carried out only on one side of the closed axial contour. 3. Лазер по п.1, включающий внерезонаторный элемент, делающий предпочтительным замыкание осевого контура резонатора в направлении против часовой стрелки.3. The laser according to claim 1, including a non-resonant element, making it preferable to close the axial contour of the resonator in the counterclockwise direction. 4. Лазер по п.1, включающий внерезонаторный элемент, делающий предпочтительным замыкание осевого контура резонатора в направлении по часовой стрелке.4. The laser according to claim 1, including a non-resonant element, making it preferable to close the axial contour of the resonator in a clockwise direction. 5. Лазер по п.1, включающий внерезонаторный элемент, вынуждающий аксиальные моды резонатора бегущей волны осциллировать в направлении против часовой стрелки.5. The laser according to claim 1, including a non-resonant element, forcing the axial modes of the traveling wave resonator to oscillate in the counterclockwise direction. 6. Лазер по п.1, включающий внерезонаторный элемент, вынуждающий аксиальные моды резонатора бегущей волны осциллировать в направлении по часовой стрелке.6. The laser according to claim 1, including a non-resonant element, forcing the axial modes of the traveling wave resonator to oscillate in a clockwise direction. 7. Лазер по п.1, в котором активная среда размещена таким образом, чтобы сделать предпочтительным одно направление распространения в указанном резонаторе бегущей волны.7. The laser according to claim 1, in which the active medium is placed in such a way as to make preferred one direction of propagation in the specified traveling wave resonator. 8. Лазер по п.1, в котором оптически устойчивая мода является гауссовой устойчивой модой в указанном направлении, поперечном промежутку.8. The laser according to claim 1, in which the optically stable mode is a Gaussian stable mode in the indicated direction, transverse to the gap. 9. Лазер по п.1, в котором указанные первая и вторая поверхности являются отражающими.9. The laser according to claim 1, wherein said first and second surfaces are reflective. 10. Лазер по п.9, в котором оптически устойчивая мода в направлении, поперечном промежутку, является устойчивой волноводной модой.10. The laser according to claim 9, in which the optically stable mode in the direction transverse to the gap is a stable waveguide mode. 11. Лазер по п.1, в котором замкнутый осевой контур имеет нечетное число вершин.11. The laser according to claim 1, in which the closed axial contour has an odd number of vertices. 12. Лазер по п.1, в котором замкнутый осевой контур имеет четное число вершин.12. The laser according to claim 1, in which the closed axial contour has an even number of vertices. 13. Лазер по п.1, в котором неустойчивый резонатор бегущей волны является неустойчивым резонатором отрицательной ветви.13. The laser according to claim 1, in which the unstable resonator of the traveling wave is an unstable resonator of the negative branch. 14. Лазер по п.1, в котором неустойчивый резонатор бегущей волны является неустойчивым резонатором положительной ветви.14. The laser according to claim 1, in which the unstable resonator of the traveling wave is an unstable resonator of the positive branch. 15. Лазер по п.1, в котором активной средой является газ.15. The laser according to claim 1, in which the active medium is gas. 16. Лазер по п.1, в котором активной средой является твердое тело.16. The laser according to claim 1, in which the active medium is a solid. 17. Лазер по п.15, в котором излучающей средой является СO₂.17. The laser according to clause 15, in which the emitting medium is CO ₂ . 18. Лазер по п.15, в котором излучающей средой является СО.18. The laser of claim 15, wherein the emitting medium is CO. 19. Лазер по п.15, в котором излучающей средой является эксимерная среда.19. The laser of claim 15, wherein the emitting medium is an excimer medium. 20. Лазер по п.1, в котором активная среда излучает в видимом диапазоне спектра.20. The laser according to claim 1, in which the active medium emits in the visible range of the spectrum. 21. Лазер по п.15, в котором активная среда излучает в далеком инфракрасном диапазоне спектра.21. The laser according to clause 15, in which the active medium emits in the far infrared range of the spectrum. 22. Лазер по п.15, в котором средством накачки является ток радиочастоты.22. The laser of claim 15, wherein the pumping means is a radio frequency current. 23. Лазер по п.15, в котором протяженные отражающие поверхности являются проводящими.23. The laser of claim 15, wherein the extended reflective surfaces are conductive. 24. Лазер по п.23, в котором средством накачки является ток радиочастоты, приложенный между первой и второй протяженными поверхностями.24. The laser of claim 23, wherein the pumping means is a radio frequency current applied between the first and second extended surfaces. 25. Лазер по п.1, в котором средством накачки является источник света.25. The laser according to claim 1, in which the pumping means is a light source. 26. Лазер по п.1, в котором средством накачки является лазерный источник света.26. The laser according to claim 1, in which the pumping means is a laser light source. 27. Лазер по п.15, в котором средством накачки является источник света.27. The laser of claim 15, wherein the pumping means is a light source. 28. Лазер по п.15, в котором средством накачки является лазерный источник света.28. The laser of claim 15, wherein the pumping means is a laser light source. 29. Слэб-лазер, включающий первую и вторую протяженные отражающие поверхности, имеющие промежуток между ними и расположенные так, что они формируют световод между указанными поверхностями, причем указанные поверхности определяют пространство между ними для размещения активной среды, указанное пространство активной среды имеет плоскость, содержащую замкнутый осевой контур оптического резонатора бегущей волны, а указанная плоскость расположена посередине между указанными поверхностями; активную среду, расположенную по крайней мере в части указанного пространства; средства накачки указанной активной среды, расположенной между указанными первой и второй поверхностями, для создания инверсной населенности в указанной активной среде, причем резонатор является неустойчивым в указанной плоскости и совместно с промежутком между первой и второй протяженными поверхностями определяет распространение резонаторных мод света внутри лазера, обеспечивающее дифракционный вывод излучения.29. A slab laser, including the first and second extended reflective surfaces having a gap between them and arranged so that they form a light guide between said surfaces, said surfaces defining a space between them to accommodate an active medium, said active medium space having a plane containing a closed axial contour of the traveling wave optical cavity, and said plane is located in the middle between said surfaces; an active medium located at least in part of the specified space; means for pumping said active medium located between said first and second surfaces to create an inverse population in said active medium, the cavity being unstable in said plane and, together with the gap between the first and second extended surfaces, determines the propagation of resonator modes of light inside the laser, which ensures diffraction radiation output. 30. Слэб-лазер по п.29, в котором дифракционный вывод излучения осуществляется только с одной стороны от указанного осевого контура.30. The slab laser according to clause 29, in which the diffraction output of radiation is carried out only on one side of the specified axial contour. 31. Слэб-лазер по п.29, включающий внерезонаторный элемент для обеспечения однонаправленного режима работы лазера.31. The slab laser according to clause 29, including the non-resonant element to provide unidirectional laser operation. 32. Слэб-лазер по п.29, включающий внерезонаторный элемент, замыкающий осевой контур в направлении против часовой стрелки.32. The slab laser according to clause 29, including an extra-resonant element that closes the axial circuit in the counterclockwise direction. 33. Слэб-лазер по п.29, включающий внерезонаторный элемент, замыкающий осевой контур в направлении по часовой стрелке.33. The slab laser according to clause 29, including the non-resonant element that closes the axial circuit in a clockwise direction. 34. Слэб-лазер по п.29, в котором замкнутый осевой контур имеет нечетное число вершин.34. The slab laser according to clause 29, in which the closed axial contour has an odd number of vertices. 35. Слэб-лазер по п.29, в котором замкнутый осевой контур имеет четное число вершин.35. The slab laser according to clause 29, in which the closed axial contour has an even number of vertices. 36. Слэб-лазер по п.29, в котором неустойчивый резонатор бегущей волны является неустойчивым резонатором отрицательной ветви.36. The slab laser according to clause 29, in which the unstable resonator of the traveling wave is an unstable resonator of the negative branch. 37. Слэб-лазер по п.29, в котором неустойчивый резонатор бегущей волны является неустойчивым резонатором положительной ветви.37. The slab laser according to clause 29, in which the unstable traveling wave resonator is an unstable positive branch resonator. 38. Слэб-лазер по п.29, в котором активной средой является газ.38. The slab laser according to clause 29, in which the active medium is a gas. 39. Слэб-лазер по п.29, в котором активной средой является твердое тело.39. The slab laser according to clause 29, in which the active medium is a solid. 40. Слэб-лазер по п.29, в котором активной средой является жидкость.40. The slab laser according to clause 29, in which the active medium is a liquid. 41. Слэб-лазер по п.38, в котором излучающей средой является СO₂.41. The slab laser according to claim 38, wherein the emitting medium is CO ₂ . 42. Слэб-лазер по п.38, в котором излучающей средой является СО.42. The slab laser according to claim 38, wherein the emitting medium is CO. 43. Слэб-лазер по п.38, в котором излучающей средой является эксимерная среда.43. The slab laser according to claim 38, wherein the radiating medium is an excimer medium. 44. Слэб-лазер по п.38, в котором активная среда излучает в видимом диапазоне спектра.44. The slab laser according to claim 38, wherein the active medium emits in the visible range of the spectrum. 45. Слэб-лазер по п.38, в котором активная среда излучает в далеком инфракрасном диапазоне спектра.45. The slab laser according to claim 38, wherein the active medium emits in the far infrared range of the spectrum. 46. Слэб-лазер по п.38, в котором протяженные отражающие поверхности являются проводящими.46. The slab laser of claim 38, wherein the extended reflective surfaces are conductive. 47. Слэб-лазер по п.46, в котором средством накачки является ток радиочастоты, приложенный между первой и второй протяженными поверхностями.47. The slab laser according to claim 46, wherein the pumping means is a radio frequency current applied between the first and second extended surfaces. 48. Слэб-лазер по п.29, в котором средством накачки является источник света.48. The slab laser according to clause 29, in which the pumping means is a light source. 49. Слэб-лазер по п.38, в котором средством накачки является лазерный источник света.49. The slab laser according to claim 38, wherein the pumping means is a laser light source. 50. Слэб-лазер по п.38, в котором средством накачки является источник света.50. The slab laser according to claim 38, wherein the pumping means is a light source. 51. Газовый лазер, включающий первую и вторую протяженные отражающие поверхности, имеющие промежуток между ними, расположенные так, что они формируют световод между указанными поверхностями, причем указанный промежуток определяет пространство для размещения активной среды, указанное пространство имеет плоскость, содержащую замкнутый осевой контур оптического резонатора бегущей волны, а указанная плоскость расположена посередине между указанными поверхностями; лазерный газ, помещенный в указанном пространстве; средства для накачки указанного лазерного газа, находящегося между указанными первой и второй поверхностями, и создания инверсной населенности в указанном газе между указанными поверхностями, причем указанный резонатор является неустойчивым в указанной плоскости и совместно с промежутком между первой и второй протяженными поверхностями определяет распространение мод света внутри лазера, обеспечивающее дифракционный вывод излучения.51. A gas laser, including the first and second extended reflective surfaces having a gap between them, arranged so that they form a light guide between these surfaces, said gap defining a space for accommodating an active medium, said space having a plane containing a closed axial contour of the optical resonator a traveling wave, and the indicated plane is located in the middle between the indicated surfaces; laser gas placed in the indicated space; means for pumping said laser gas located between said first and second surfaces and creating an inverse population in said gas between said surfaces, said resonator being unstable in said plane and together with the gap between the first and second extended surfaces determines the propagation of light modes inside the laser providing a diffraction output of radiation. 52. Газовый лазер по п.51, в котором дифракционный вывод излучения осуществляется лишь с одной стороны от указанного осевого контура.52. The gas laser according to paragraph 51, in which the diffraction output of radiation is carried out only on one side of the specified axial contour. 53. Газовый лазер по п.51, в котором замкнутый осевой контур имеет нечетное число вершин.53. The gas laser according to paragraph 51, in which the closed axial contour has an odd number of vertices. 54. Газовый лазер по п.51, в котором замкнутый осевой контур имеет четное число вершин.54. The gas laser according to paragraph 51, in which the closed axial contour has an even number of vertices. 55. Газовый лазер по п.51, в котором неустойчивый резонатор бегущей волны является неустойчивым резонатором отрицательной ветви.55. The gas laser according to claim 51, wherein the unstable traveling wave resonator is an unstable negative branch resonator. 56. Газовый лазер по п.51, в котором неустойчивый резонатор бегущей волны является неустойчивым резонатором положительной ветви.56. The gas laser according to paragraph 51, in which the unstable resonator of the traveling wave is an unstable resonator of the positive branch. 57. Газовый лазер по п.51, в котором излучающей средой является CO₂.57. The gas laser according to paragraph 51, in which the emitting medium is CO ₂ . 58. Газовый лазер по п.51, в котором излучающей средой является СО.58. The gas laser according to paragraph 51, in which the emitting medium is CO. 59. Газовый лазер по п.51, в котором излучающей средой является эксимерная среда.59. The gas laser according to paragraph 51, in which the emitting medium is an excimer medium. 60. Газовый лазер по п.51, в котором активная среда излучает в видимом диапазоне спектра.60. The gas laser according to paragraph 51, in which the active medium emits in the visible range of the spectrum. 61. Газовый лазер по п.51, в котором активная среда излучает в далеком инфракрасном диапазоне спектра.61. The gas laser according to paragraph 51, in which the active medium emits in the far infrared range of the spectrum. 62. Газовый лазер по п.57, в котором средством накачки является ток радиочастоты.62. The gas laser according to Claim 57, wherein the pumping means is a radio frequency current. 63. Газовый лазер по п.58, в котором средством накачки является ток радиочастоты.63. The gas laser according to claim 58, wherein the pumping means is a radio frequency current. 64. Газовый лазер по п.57, в котором средством накачки является источник света.64. The gas laser according to clause 57, in which the pumping means is a light source. 65. Газовый лазер по п.57, в котором средством накачки является лазерный источник света.65. The gas laser according to clause 57, in which the means of pumping is a laser light source. 66. Газовый лазер по п.58, в котором средством накачки является источник света.66. The gas laser according to claim 58, wherein the pumping means is a light source. 67. Газовый лазер по п.58, в котором средством накачки является лазерный источник света.67. The gas laser according to claim 58, wherein the pumping means is a laser light source. 68. Газовый лазер по п.57, в котором протяженные отражающие поверхности являются проводящими.68. The gas laser according to clause 57, in which the extended reflective surfaces are conductive. 69. Газовый лазер по п.57, в котором средством накачки является ток радиочастоты, приложенный между первой и второй протяженными поверхностями.69. The gas laser according to Claim 57, wherein the pumping means is a radio frequency current applied between the first and second extended surfaces. 70. Газовый лазер по п.58, в котором средством накачки является ток радиочастоты, приложенный между первой и второй протяженными поверхностями.70. The gas laser according to § 58, in which the pumping means is a radio frequency current applied between the first and second extended surfaces. 71. Газовый слэб-лазер, включающий первый и второй протяженные электроды, имеющие промежуток между ними, причем каждый из них включает отражающую свет поверхность, расположенную таким образом, что между указанными поверхностями образуется световод, указанные электроды, имеющие промежуток между ними, определяют пространство, заполненное разрядом, указанное разрядное пространство имеет плоскость, содержащую замкнутый осевой контур оптического резонатора бегущей волны, а указанная плоскость расположена посередине между указанными электродами; лазерный газ, расположенный в указанном промежутке; средства для приложения тока радиочастоты между указанными первым и вторым электродами и возбуждения разряда в указанном лазерном газе между указанными электродами; в котором указанный резонатор выполнен неустойчивым в указанной плоскости и совместно с промежутком между первым и вторым протяженными электродами определяет распространение мод света внутри лазера, обеспечивающее дифракционный вывод излучения.71. A gas slab laser comprising first and second extended electrodes having a gap between them, each of which includes a light reflecting surface arranged so that a light guide is formed between said surfaces, said electrodes having a gap between them define a space, filled with a discharge, said discharge space has a plane containing a closed axial contour of the traveling wave optical resonator, and said plane is located in the middle between said electrons childbirth; laser gas located in the specified gap; means for applying a radio frequency current between said first and second electrodes and exciting a discharge in said laser gas between said electrodes; in which the specified resonator is unstable in the specified plane and together with the gap between the first and second extended electrodes determines the propagation of light modes inside the laser, providing a diffraction output of radiation. 72. Газовый слэб-лазер по п.71, в котором дифракционный вывод излучения осуществляется лишь по одну сторону от указанного замкнутого осевого контура.72. The gas slab laser according to claim 71, wherein the diffraction output of radiation is carried out only on one side of said closed axial contour. 73. Газовый слэб-лазер по п.71, в котором замкнутый осевой контур имеет нечетное число вершин.73. The gas slab laser of claim 71, wherein the closed axial contour has an odd number of vertices. 74. Газовый слэб-лазер по п.71, в котором замкнутый осевой контур имеет четное число вершин.74. The gas slab laser according to claim 71, wherein the closed axial contour has an even number of vertices. 75. Газовый слэб-лазер по п.71, в котором неустойчивый резонатор бегущей волны является неустойчивым резонатором отрицательной ветви.75. The gas slab laser of claim 71, wherein the unstable traveling wave resonator is an unstable negative branch resonator. 76. Газовый слэб-лазер по п.71, в котором неустойчивый резонатор бегущей волны является неустойчивым резонатором положительной ветви.76. The gas slab laser of claim 71, wherein the unstable traveling wave resonator is an unstable positive branch resonator. 77. Газовый слэб-лазер по п.71, в котором излучающей средой является СО₂.77. The gas slab laser according to claim 71, wherein the emitting medium is CO ₂ . 78. Газовый слэб-лазер по п.71, в котором излучающей средой является СО.78. The gas slab laser according to claim 71, wherein the emitting medium is CO. 79. Газовый слэб-лазер по п.71, в котором излучающей средой является эксимерная среда.79. The gas slab laser according to claim 71, wherein the emitting medium is an excimer medium. 80. Газовый слэб-лазер по п.71, в котором активная среда излучает в видимом диапазоне спектра.80. The gas slab laser according to claim 71, in which the active medium emits in the visible range of the spectrum. 81. Газовый слэб-лазер по п.71, в котором активная среда излучает в далеком инфракрасном диапазоне спектра.81. The gas slab laser according to claim 71, wherein the active medium emits in the far infrared range of the spectrum. 82. Газовый слэб-лазер по п.77, в котором средством накачки является ток радиочастоты.82. The gas slab laser according to claim 77, wherein the pumping means is a radio frequency current. 83. Газовый слэб-лазер по п.78, в котором средством накачки является ток радиочастоты.83. The gas slab laser according to claim 78, wherein the pumping means is a radio frequency current. 84. Газовый слэб-лазер по п.77, в котором средством накачки является источник света.84. The gas slab laser according to Claim 77, wherein the pumping means is a light source. 85. Газовый слэб-лазер по п.77, в котором средством накачки является лазерный источник света.85. The gas slab laser according to Claim 77, wherein the pumping means is a laser light source. 86. Газовый слэб-лазер по п.78, в котором средством накачки является источник света.86. The gas slab laser of claim 78, wherein the pumping means is a light source. 87. Газовый слэб-лазер по п.78, в котором средством накачки является лазерный источник света.87. The gas slab laser of claim 78, wherein the pumping means is a laser light source. 88. Газовый слэб-лазер по п.77, в котором протяженные отражающие поверхности являются проводящими.88. The gas slab laser of claim 77, wherein the extended reflective surfaces are conductive. 89. Газовый слэб-лазер по п.88, в котором средством накачки является ток радиочастоты, приложенный между первой и второй протяженными поверхностями.89. The gas slab laser of claim 88, wherein the pumping means is a radio frequency current applied between the first and second extended surfaces. 90. Газовый лазер с высокочастотным возбуждением и диффузионным охлаждением, включающий пару разделенных промежутком охлаждающих элементов, каждый из которых имеет протяженную поверхность, расположенных напротив друг друга таким образом, чтобы образовать световод для распространения оптического излучения в промежутке между указанными поверхностями; газовую активную среду, помещенную в указанный промежуток для генерации лазерного излучения при возбуждении этой среды электрическим разрядом путем подвода к указанной среде высокочастотной электрической мощности; зеркала, образующие кольцевой оптический резонатор бегущей волны с замкнутым осевым контуром для формирования в указанном световоде пучка лазерного излучения, в котором указанные зеркала расположены так, что замкнутый осевой контур образуемого ими резонатора лежит, по существу, в плоскости, проходящей между указанными поверхностями указанных охлаждающих элементов и обращенной своими противоположными сторонами к указанным поверхностям охлаждающих элементов, при этом указанный резонатор бегущей волны выполнен неустойчивым в указанной плоскости с тем, чтобы часть указанного пучка, расширяющегося в указанном резонаторе, выводилась из лазера в виде выходного пучка сплошного сечения, а кривизна зеркал и число этих зеркал таковы, что любой луч, принадлежащий пучку лазерного излучения, распространяющемуся по световоду, и находящийся с внутренней стороны от осевого контура резонатора, после полного обхода резонатора оказывается с внешней стороны от осевого контура резонатора, а любой луч, принадлежащий пучку лазерного излучения, распространяющемуся по световоду, и находящийся с внешней стороны от осевого контура резонатора, после полного обхода резонатора оказывается с внутренней стороны от осевого контура резонатора.90. A gas laser with high-frequency excitation and diffusion cooling, comprising a pair of gap-separated cooling elements, each of which has an extended surface, located opposite each other so as to form a fiber for the propagation of optical radiation in the gap between these surfaces; a gas active medium placed in the indicated interval for generating laser radiation upon excitation of this medium by an electric discharge by supplying high-frequency electric power to said medium; mirrors forming an annular traveling-wave optical cavity with a closed axial contour for forming a laser beam in said optical fiber in which said mirrors are arranged so that the closed axial contour of the resonator formed by them lies essentially in a plane passing between said surfaces of said cooling elements and facing its opposite sides to the indicated surfaces of the cooling elements, wherein said traveling wave resonator is made unstable in said plane so that part of the specified beam, expanding in the specified resonator, is removed from the laser in the form of an output beam of a continuous cross section, and the curvature of the mirrors and the number of these mirrors are such that any ray belonging to the laser beam propagating through the fiber and located with the inner side of the axial contour of the resonator, after a complete round-trip of the resonator, it appears on the outer side of the axial contour of the resonator, and any beam belonging to the laser beam propagating through the fiber, and which extends from the outer side from the axial contour of the resonator, after a complete bypass of the resonator, it appears from the inner side from the axial contour of the resonator. 91. Газовый лазер по п.90, в котором число указанных зеркал, образующих кольцевой резонатор, является нечетным, а величины их кривизны таковы, что распространяющийся по световоду пучок лазерного излучения не имеет фокальных перетяжек внутри резонатора.91. The gas laser according to claim 90, in which the number of said mirrors forming an annular resonator is odd, and their curvature is such that the laser beam propagating through the optical fiber does not have focal constrictions inside the resonator. 92. Газовый лазер по п.90 или 91, в котором по меньшей мере одно из зеркал кольцевого резонатора выполнено выпуклым, а остальные зеркала являются плоскими.92. The gas laser according to claim 90 or 91, wherein at least one of the mirrors of the ring resonator is convex and the remaining mirrors are flat. 93. Газовый лазер по п.90 или 91, в котором по меньшей мере одно из зеркал кольцевого резонатора выполнено выпуклым и по меньшей мере одно из зеркал кольцевого резонатора выполнено вогнутым.93. The gas laser of claim 90 or 91, wherein at least one of the mirrors of the ring resonator is convex and at least one of the mirrors of the ring resonator is concave. 94. Газовый лазер по любому из пп.90-93, в котором указанные поверхности охлаждающих элементов являются, по существу, плоскопараллельными.94. A gas laser according to any one of claims 90-93, wherein said surfaces of the cooling elements are substantially plane parallel. 95. Газовый лазер по любому из пп.90-94, в котором расстояния от точки пересечения осевого контура резонатора с поверхностью каждого из зеркал, образующих резонатор, до краев этих зеркал являются такими, чтобы обеспечить вывод излучения из резонатора в виде единственного пучка сплошного сечения около одного из краев одного из указанных зеркал и ограничение тем самым расширения пучка в резонаторе.95. A gas laser according to any one of claims 90-94, wherein the distances from the intersection of the axial contour of the resonator with the surface of each of the mirrors forming the resonator to the edges of these mirrors are such that radiation is emitted from the resonator in the form of a single continuous beam near one of the edges of one of these mirrors and thereby limiting the expansion of the beam in the resonator. 96. Газовый лазер по любому из пп.90-94, в котором резонатор снабжен средством отклонения части излучения, примыкающей к краю пучка лазерного излучения, формируемого зеркалами оптического резонатора, для вывода этой части излучения из резонатора и ограничения тем самым расширения пучка в резонаторе.96. The gas laser according to any one of paragraphs.90-94, in which the resonator is equipped with a means of deflecting a portion of the radiation adjacent to the edge of the laser beam generated by the mirrors of the optical resonator, to remove this part of the radiation from the resonator and thereby limit the expansion of the beam in the resonator. 97. Газовый лазер по любому из пп.90-96, в котором указанный лазер включает средства, обеспечивающие преимущественные условия для распространения излучения по кольцевому резонатору в одном из двух возможных противоположных направлений обхода резонатора.97. The gas laser according to any one of paragraphs.90-96, wherein said laser includes means that provide preferential conditions for the propagation of radiation through a ring resonator in one of two possible opposite directions around the cavity. 98. Газовый лазер по п.97, в котором указанные средства, обеспечивающие преимущественное распространение излучения в одном из двух указанных противоположных направлений, включают зеркало обратной связи, установленное так, что оно, по существу, не влияет на излучение, распространяющееся по резонатору в первом из указанных направлений, но отражает в обратном направлении по меньшей мере часть излучения, распространяющегося по резонатору во втором направлении, противоположном первому, так, что указанная часть излучения направляется по резонатору в первом направлении.98. The gas laser according to p. 97, in which the said means, which provide the predominant propagation of radiation in one of these two opposite directions, include a feedback mirror, installed so that it essentially does not affect the radiation propagating through the resonator in the first from the indicated directions, but reflects in the opposite direction at least part of the radiation propagating along the resonator in the second direction opposite to the first, so that the specified part of the radiation is directed along the resonance torus in the first direction. 99. Газовый лазер по п.97, в котором в одном из зеркал резонатора в точке пересечения его поверхности с осевым контуром резонатора выполнено отверстие, а указанные средства, обеспечивающие преимущественное распространение излучения в первом из двух возможных направлений, включают зеркало обратной связи, установленное за указанным отверстием так, что оно отражает в первом направлении по крайней мере часть излучения, прошедшего через отверстие во втором направлении, так, что по крайней мере часть этого излучения проходит обратно через указанное отверстие и распространяется по резонатору в первом направлении.99. The gas laser according to claim 97, in which a hole is made in one of the resonator mirrors at the intersection of its surface with the axial contour of the resonator, and said means, which provide the predominant propagation of radiation in the first of two possible directions, include a feedback mirror mounted behind the specified hole so that it reflects in the first direction at least part of the radiation transmitted through the hole in the second direction, so that at least part of this radiation passes back through the decree hole and propagates through the resonator in the first direction. 100. Газовый лазер по любому из пп.90-99, в котором указанный кольцевой резонатор бегущей волны выполнен устойчивым в направлении, перпендикулярном указанной плоскости указанного осевого контура.100. A gas laser according to any one of claims 90-99, wherein said traveling wave ring resonator is made stable in a direction perpendicular to said plane of said axial contour. 101. Газовый лазер по любому из пп.90-99, в котором указанные поверхности указанных охлаждающих элементов обеспечивают волноводный режим распространения света в указанном световоде.101. A gas laser according to any one of claims 90-99, wherein said surfaces of said cooling elements provide a waveguide mode of light propagation in said light guide.

Images