适用于圆筒形放电区的四镜半外腔的失调分析

　　1　引言

　　圆筒形气体放电区为两个同轴圆管之间的径向间隙,由于放电区的内外层管有极大的面积,故当激光介质气体需经冷却而排除废热才能维持较高输出时,这种形状的放电室具有极为突出的优点。这样的激光气体介质,如含CO2的CO2激光气体介质、含CO的CO激光介质等。圆筒形CO2激光器已达到10cm外径、1.8m长的放电区获得2kW的水平[1],这是十分令人感兴趣的。圆筒形放电区原则上也适合于不要求冷却而要求电子温度足够高的气体激光介质,如He-Ne激光介质。人们可以通过圆筒形区的放电间隙尺寸的控制来满足对较高电子温度和较高He-Ne介质增益系数的要求。这就象人们利用矩形放电管的矩形截面的短边来满足对电子温度和增益系数的要求,而用该截面的长边尺寸和矩形管的长度来扩大激活区而获得大功率可见光He-Ne激光输出一样[2],因为当矩形管截面的长边足够长,并将该矩管卷成一个圆筒形时和矩形管的差别很小。我们提出的半外腔四镜腔中,有一个环形平面反射镜、两个透镜和一个小型复曲面镜。圆环形平面镜贴于放电区的左端,因为是平面镜,故在贴封时不必象采用复曲面镜那样需严格的同轴调整和同轴封贴,这一点是本方案相对于已采用方案^[3] 的不同之处。

　　一个透镜用于封贴放电区的另一端,另一个透镜和一个小型复曲面镜的组合系统位于放电区外,复曲面镜作为输出镜,它的同轴和倾斜可依出光情况而得到修正。由于对CO激光(5.3μm波长)和可见光He-Ne激光,均有透射率极高的介质,如CaF2、光学玻璃等,故本半外腔有较宽的光谱适用性外,别是光学玻璃对3.39μm波长的光有强烈的吸收,故这种半外腔结构用于He-Ne激光器时可抑制3.39μm波长光波的寄生振荡。本文的目的是想对这种四镜腔的失调特性进行一些分析,以便在加工腔元件、安装调试时有一个参考。

　　2　失调分析

　　图1是圆筒形放电区和四镜腔的纵向剖面图。这里M ₁是平面全反射镜,M ₂既为隔离放电区的窗片,又是一个透镜,透镜M ₃与M ₂的焦点重合,M4为部分反射的复曲面镜,并由它引出输出,其曲率半径为ρ4。由复曲面镜作为输出镜也是本文的一个新考虑。M ₁为镀金膜或多层介质膜的高反射镜。M ₂、M ₃的两面均镀增透膜,使有用光波在腔内的损耗降到最小。四镜的间距如图示。若用于He-Ne激光,则透镜材料玻璃对3.39μm波长的寄生振荡产生极强的抑制作用(如厚度为2mm的K8玻璃对于3.39μm光的透过率仅为40%)。图中M ₂、M ₃、M ₄的中心轴线与放电管轴线一致,平面反射镜M ₁对同轴线要求较低。在腔内的振荡光波之光束的束轴线如图1中带箭头标记的实线所示,两实线代表剖面内两个对称腔的腔轴。本文重点讨论M ₁和M ₄的失调。