Lézertükrök

Különféle tükörkonfigurációkat alkalmaznak a lézerrezonátorokhoz. A tükörgeometriák több különböző kombinációját mutatja be a 2.3.2.1. ábra.

A lézerrendszerben alkalmazott anyagok és alkatrészek

2.3.2.1. ábra

A konfiguráció megválasztása függ a stabilitástól és a megengedett sugárdivergenciától, valamint a hatásfoktól.

A síkpárhuzamos kombináció rendkívül érzékeny a beállításra és a működési paraméterekben bekövetkező változásokra, alkalmazása mégis általánosan elterjedt az impulzuslézereknél, ahol a stabilitással szemben támasztott követelmények kisebbek, és ahol kis divergenciájú kimenetre van szükség.

A nagy görbületi sugarú tükörkonfiguráció a csőátmérőhöz közeli nyalábátmérőt eredményez, az előzőnél lényegesen nagyobb a stabilitása, és lehetővé teszi a rezonátor térfogatának jó kihasználását. A konfokális tükörrendszerrel még magasabb stabilitási szint érhető el, de ennek ára a rezonátorüregben a hasznos térfogat csökkentése: ugyanez a helyzet a hemiszférikus tükrök esetében, amelyek egyébként az alapmódusú üzemet is elősegítik a hosszúsághoz viszonyítva nagy átmérőjű csőben. Ezeknek a rendszereknek különféle egyéb módosulatai is lehetségesek, ahol néhány tulajdonság tökéletesítése többnyire más tulajdonságok rovására történik.

Nemstabil rezonátorokat, amelyekben az egyik tükör konvex, a másik pedig sík vagy konvex, ott lehet alkalmazni, ahol a rezonátor erősítése elegendően nagy. A többszörös reflexió a rezonátort keresztező visszavert sugárnyalábot eredményez.

Nagy, folyamatos teljesítményeken a tükrökhöz alkalmazott hordozóanyagokkal szemben támasztott követelmény, hogy a tükrön előálló veszteségeket szétoszlassa anélkül, hogy nagy hőmérsékletgradienst hozna létre, ami a tükröt deformálná. A teljesen visszaverő tükrökkel szemben támasztott követelmények kevésbé szigorúak, mint a részben áteresztő tükröké. Az alkalmazásra kerülő anyagok közül néhány megemlíthető:

vörösréz, sárgaréz, egyéb rézötvözetek, vákuumöntésű rozsdamentes acél, zafír és kvarc. A tükrök hatékonysága a hordozóanyagon elérhető megmunkálás minőségétől függ; a megmunkálási pontosságnak azon hullámhossz 1/20-ad részén belül kell lennie, amely hullámhosszon alkalmazni kívánják. Az ömlesztett kvarc, zafír és rozsdamentes acél kitűnő optikai felületi finomságra polírozható, azonban teljesítménytűrő képességüket korlátozza a hő okozta torzulásuk. Nagy teljesítményekhez a berilliumot és a cirkónium-réz ötvözetet lehet alkalmazni. Nagy, folyamatos teljesítményekhez (> 1 kV) szükségessé válhat az oxigénmentes, nagy tisztaságú vörösrézből készült hordozóanyag alkalmazása vízhűtéssel, azonban optikailag ezt az anyagot nehezebb megmunkálni, mint a berillium- vagy a cirkónium-réz ötvözetet.

A lézerrendszerben alkalmazott anyagok és alkatrészek

A lézer kicsatoló tükre lencsének tekinthető, a nyaláb széttartására gyakorolt hatása alakjának és anyagának ismeretében meghatározható. Mindkét felületén sík kicsatoló tükörnél lesz a divergencia minimális. Ha a lézersugárforrást különleges alkalmazás céljára tervezik, akkor a lencsehatást szférikus külső felület segítségével növelni lehet. Ez a tükör-lencse kombináció jelentős megtakarítást eredményez mind az alkatrészek számának, mind pedig mechanikai bonyolultságuk csökkentése révén, azonban egyúttal természetesen a sokoldalú felhasználhatóságot is csökkenti. A lézerek különleges célokra való növekvő mértékű alkalmazása valószínűleg még jobban kedvez majd ennek a tendenciának.

A részben áteresztő, felgőzölögtetett fémbevonatok, megfelelő áteresztő hordozóanyagon, elvben alkalmazhatók kicsatoló tükörként, a veszteségek azonban itt igen nagyok. Ha az erősítés a lézerrezonátorban elég nagy, akkor a kicsatoló ablak bevonat nélküli felületének reflexiója is elegendő a működéshez, különösen olyan esetekben, amikor az ablaknak nagy a törésmutatója. Az első és a második felületről jövő reflexiót bizonyos mértékű módusszelekcióra is fel lehet használni. Egy másik módszer, amely az igen nagy teljesítmények esetén hasznos, a lyukkicsatolású rezonátor, melyben a kimenő ablak közege nincs bevonatolva, míg a környező terület nagy reflektivitású bevonattal van ellátva.

Többrétegű dielektrikumbevonatokat alkalmaznak a spektrum ultraibolya szélén és a látható tartományban is, ha 98%-ot meghaladó reflektivitásra van szükség, korlátozott sávszélesség mellett, nem túl nagy folytonos vagy impulzusos teljesítmények esetén. Igen nagy teljesítményeknél, így például Q-kapcsolású vagy módusszinkronizált lézereknél a 2.3.2.2 ábrán bemutatott Fabry–Perot-interferométer- vagy etalonkonfigurációjú, ún. rezonáns reflektorokban bevonat nélküli optikát alkalmaznak.

2.3.2.2. ábra

A rezonáns reflektorokat egyébként arra is fel lehet használni, hogy a lézer koherenciahosszát módusszelekció útján növeljük. Ezekben két igen gondosan megmunkált és egymással a hullámhossz tört részén belül párhuzamos sík felület reflexiója játszik szerepet. E felületeken többszörös reflexió következik be, de a felületek közötti távolság éppen akkora, hogy mindegyik reflektált fénysugár konstruktív interferenciát hoz létre egy-egy kitüntetett hullámhosszon. Ily módon nagy reflexióképességek érhetők el a réteggel bevont optikai elemek viszonylag alacsony károsodási küszöbének korlátja nélkül.

A részben áteresztő fémbevonatok abszorpciója rendszerint elfogadhatatlanul magas, ezért nemfémes, többrétegű dielektrikumbevonatokat alkalmaznak a kicsatoló tükrökön, valamint az egyéb részleges reflexiójú felületeken. Ahol a lézer erősítése kielégítő és a kimenő ablak törésmutatója nagy, ott magának a bevonatolatlan ablaknak a reflektivitása is kielégítő lehet a lézer működésének fenntartására.

A lézerrendszerben alkalmazott anyagok és alkatrészek

A fénysugár polarizálására felhasználható a két különböző törésmutatójú anyag határfelületén bekövetkező reflexió. Maximális polarizációt úgy lehet elérni, ha a sugár beesési szöge a Brewster-féle szög, amelynek értéke a határfelülettel elválasztott közegek törésmutatójától függ. Levegő-üveg határfelületen a Brewster-szög 57,5°.

A lézerekben ezt használják fel arra, hogy polarizált fénykimenetet érjenek el, vagy hogy külső tükrök alkalmazása esetén a reflexiót a polarizáció síkjában minimumra csökkentsék a fényerősítő közeg végfelületein.

Nagy hullámhosszakon polarizáció valósítható meg az áteresztő hordozóanyagon alkalmazott reflexiós rács segítségével. Ez ott használható fel, ahol más, megfelelő polarizáló anyag nincs. Az a fény, amelynél a polarizáció síkja (a villamos térerősség vektora) párhuzamos a ráccsal, majdnem teljesen reflektálódik, míg az a fény, amelynél a polarizáció síkja merőleges a rácsra, nagyrészt áteresztődik, bár bizonyos mértékű abszorpció ekkor is fellép.

A beszabályozási módszerek rendszerint az x és az y síkokat alkalmazzák; a hárompontos kinematikai tartón alapulnak, ahol a szerelési pontok egyenlő szárú háromszöget alkotnak, és így lehetővé teszik a beszabályozás elvégzését az x és az y síkokban. A pontos beállításhoz differenciálcsavarok alkalmazhatók, itt egy csavarfordulat a fordulat teljes elmozdulásának csak egy tört részét teszi ki.

Az optikai rendszerek végső és igen pontos távszabályozását piezoelektromos készülékek segítségével lehet elvégezni, kombinálva a mechanikai durva beállítással. Tipikusan megvalósítható ily módon 6 µm maximális elmozdulás 5*10^-3 J/m felbontási pontossággal. Piezoelektromos kristályok alkalmazhatók optikai alkatrészek precíziós tengelyirányú távmozgatására, így pl. használják lézerek precíziós hangolására is.