close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Квантроны твердотельных лазеров с изменяемым распределением коэффициента усиления в активном элементе

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Николаев Павел Петрович
КВАНТРОНЫ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ ЛАЗЕРОВ С
ИЗМЕНЯЕМЫМ РАСПРЕДЕЛЕНИЕМ КОЭФФИЦИЕНТА
УСИЛЕНИЯ В АКТИВНОМ ЭЛЕМЕНТЕ
01.04.21 – Лазерная физика
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата
физико-математических наук
Москва – 2016
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего
профессионального образования «Московский государственный технический
университет им. Н.Э. Баумана»
Научный руководитель:
Гречин Сергей Гаврилович, кандидат технических наук, Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана», старший
научный сотрудник
Официальные оппоненты:
Ильичев Николай Николаевич, доктор физико-математических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей физики им А.М. Прохорова Российской академии наук, заведующий лабораторией нелинейной оптики примесных центров.
Палашов Олег Валентинович, кандидат физико-математических наук, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт прикладной
физики Российской академии наук, заведующий отделом диагностики оптических материалов для перспективных лазеров.
Ведущая организация: Акционерное общество «Научно-исследовательский институт «Полюс» им. М.Ф. Стельмаха»
Защита диссертации состоится «04» апреля 2016 г. на заседании диссертационного совета Д002.063.03 при ИОФ РАН по адресу г. Москва, 119991, ул. Вавилова,
38, корп. 1, конференц-зал.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИОФ РАН.
Автореферат разослан «___» февраля 2016 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
тел. +7(499) 503-8147
_________________ Т.Б. Воляк
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Предмет исследований и актуальность работы. На сегодняшний день
высокоэнергетичные импульсные твердотельные лазеры (ТТЛ) широко используются в самых разных областях науки и техники, таких как обработка материалов, медицина, военная техника, экологический мониторинг и многих других [1].
Наиболее перспективные направления развития ТТЛ связаны с использованием
диодных источников для оптической накачки активного элемента [2, 3]. Разнообразие областей применения ТТЛ выдвигает самые различные требования к
ним. Требование максимальной эффективности лазера является общим для лазеров различного целевого назначения, а требования к пространственным характеристикам лазерного излучения могут быть самыми разными. Так, например, для
генерации одномодового лазерного излучения требуется, чтобы распределение
коэффициента усиления по сечению активного элемента (АЭ) было максимально
согласовано с распределением низшей моды лазерного резонатора. Для задач,
например, нелинейного преобразования частоты лазерного излучения требуется,
чтобы в ближней зоне лазерный пучок имел близкий к прямоугольному профиль
интенсивности. В этом случае оптимальным становится вогнутое поперечное
распределение коэффициента усиления в АЭ.
Таким образом, одним из ключевых вопросов при разработке ТТЛ является
разработка квантрона – функционально и конструктивно законченного узла,
включающего источники излучения накачки, оптические элементы и активный
элемент, в котором формируется необходимое распределение поглощенного излучения в активной среде и, как следствие, требуемое распределение коэффициента усиления и термооптических неоднородностей. Перечисленные параметры
наряду с эффективностью поглощения излучения накачки (эффективностью
квантрона) определяют энергетические и пространственные характеристики
ТТЛ [1].
Для реализации различных распределений коэффициента усиления лазеров наиболее подходящими по своим возможностям являются квантроны с поперечной диодной накачкой цилиндрического активного элемента. Диодные источники накачки имеют важную особенность, которая обычно считается их большим недостатком: сильную температурную зависимость спектра излучения
(0,25–0,3 нм/°С) [3]. Эта особенность, наряду с такими свойствами, как высокая
пространственная направленность и небольшая ширина спектра излучения, открывает широкие возможности по формированию различного вида распределений коэффициента усиления в активном элементе. Важным моментом является
3
то, что эти возможности могут быть реализованы в рамках одной единой конструкции квантрона только за счет изменения длины волны накачки. Разработка
квантрона, который только за счет изменения режима накачки позволит формировать широкий набор распределений коэффициента усиления в активном элементе при сохранении его высокой эффективности, является важной научно-технической задачей. Такой квантрон являлся бы универсальным для решения ряда
практических лазерных задач.
Квантроны с изменяемым распределением коэффициента усиления в активном элементе открывают новые возможности в лазерной технике – создание
на их базе ТТЛ с изменяемыми пространственными характеристиками излучения
в реальном масштабе времени без необходимости использования дополнительных формирующих оптико-электронных узлов на выходе лазера. В этом случае
перестройка поперечного распределения поглощенного излучения и коэффициента усиления позволяет изменять поперечный модовый состав лазерного излучения, что, в свою очередь, создает предпосылки для управления пространственными характеристиками лазерного излучения [4].
К настоящему времени предложено большое число самых разнообразных
конструкций квантронов с поперечной диодной накачкой [2]. Анализ публикаций по данной тематике показал, что практически отсутствуют работы, посвященные комплексному моделированию поперечной диодной накачки цилиндрических активных элементов и методам расчета квантронов с поперечной диодной
накачкой. Существует необходимость в проведении исследования потенциальных возможностей квантронов с поперечной диодной накачкой по формированию различных распределений коэффициента усиления и термооптических неоднородностей в активном элементе и в разработке инструмента в виде программного обеспечения для расчета квантронов.
Целью работы является исследование возможности формирования различного вида поперечных распределений коэффициента усиления в цилиндрическом активном элементе в квантронах твердотельных лазеров с поперечной
диодной накачкой при сохранении высокой его эффективности.
Основные задачи работы
1.
Разработка математической модели поперечной диодной накачки цилиндрического активного элемента и ее экспериментальная верификация.
2.
Разработка методики расчета параметров квантрона с поперечной диодной
накачкой с изменяемым поперечным распределением коэффициента усиления в
цилиндрическом активном элементе.
4
3.
Теоретическое исследование возможности формирования различных поперечных распределений коэффициента усиления в цилиндрическом активном элементе при поперечной диодной накачке.
4.
Определение функциональных зависимостей между параметрами элементов квантрона, позволяющих разработать типоряд квантронов с активными элементами различного диаметра.
5.
Экспериментальное исследование возможности формирования различных
поперечных распределений коэффициента усиления в активном элементе.
6.
Экспериментальное исследование зависимости энергетических и пространственных характеристик генерируемого лазерного излучения от поперечного распределения коэффициента усиления в активном элементе.
Научная новизна работы
1.
Предложена математическая модель поперечной диодной накачки цилиндрического активного элемента, учитывающая основные физические процессы и
параметры всех элементов и дающая хорошее согласие результатов расчетов с
экспериментальными данными.
2.
Выполнен теоретический анализ возможностей квантронов с поперечной
диодной накачкой по формированию различных поперечных распределений коэффициента усиления в цилиндрическом активном элементе. Все практически
ценные распределения имеют параболический профиль.
3.
Определены инварианты – соотношения, связывающие между собой основные параметры элементов квантрона, при фиксированных значениях которых
формируются одинакового вида поперечные распределения коэффициента усиления в активных элементах различного диаметра.
4.
Разработана методика расчета параметров квантронов с поперечной диодной накачкой с изменяемым поперечным распределением коэффициента усиления на основе предложенных инвариантов.
5.
Разработан и изготовлен квантрон с поперечной диодной накачкой, с помощью которого в активном элементе можно формировать различные параболические поперечные распределения коэффициента усиления (c перепадом «центркрай» в диапазоне 0,6–1,4) при сохранении высокой эффективности поглощения
излучения накачки (более 75 %).
6.
С использованием разработанного квантрона исследована зависимость выходной энергии и расходимости генерируемого лазерного излучения от поперечного распределения коэффициента усиления в активном элементе в различных
5
режимах генерации (свободная генерация, активная и пассивная модуляция добротности). Разработанный квантрон позволяет в режиме активной модуляции
добротности достичь двукратного изменения расходимости излучения. Оптический КПД генерации при этом составил около 20 %.
Практическая значимость работы состоит в том, что ее результаты помогают восполнить существующие пробелы в теоретическом исследовании
квантронов с поперечной диодной накачкой цилиндрических активных элементов и определении их функциональных возможностей по формированию различного вида поперечных распределений коэффициента усиления активного элемента. Разработана математическая модель поперечной диодной накачки. На
базе модели создано программное обеспечение, которое является эффективным
рабочим инструментом для расчета квантронов и дает хорошее согласие результатов расчетов с экспериментальными данными, что позволяет сократить время
и стоимость разработок. Предложены инварианты, устанавливающие связь
между параметрами элементов квантрона, и разработана методика расчета параметров элементов квантронов с изменяемым поперечным распределением коэффициента усиления. По результатам работы разработан квантрон с изменяемым
в широких пределах поперечным распределением коэффициента усиления. Формирование различных распределений осуществляется за счет изменения длины
волны накачки. Такой квантрон является универсальным для решения ряда практических лазерных задач.
Личный вклад автора. Все результаты, представленные в диссертационной работе, получены автором лично, либо при непосредственном участии автора в процессе научной деятельности. Во всех случаях заимствования материалов других авторов в диссертации приведены ссылки на литературные источники.
Основные положения, выносимые на защиту
1.
Использование поперечной диодной накачки при изменении длины волны
ее излучения позволяет в широких пределах варьировать поперечным распределением коэффициента усиления в активном элементе с сохранением высокой эффективности поглощения излучения накачки. Изменение длины волны накачки
позволяет сформировать поперечные распределения коэффициента усиления параболической формы c перепадом «центр-край» в диапазоне 0,6–1,4 при эффективности поглощения излучения накачки более 75 %.
2.
Математическая модель поперечной диодной накачки цилиндрического
активного элемента, учитывающая основные физические процессы и параметры
6
элементов квантрона. Данная модель дает хорошее согласие результатов расчетов с экспериментальными данными.
3.
Использование инвариантов – соотношений, определяющих связь между
основными параметрами элементов квантрона, позволяет обеспечить заданное
распределение коэффициента усиления по сечению активных элементов различного диаметра и заданную эффективность квантрона.
4.
Методика расчета, базирующаяся на использовании двух предложенных
инвариантов, позволяет рассчитать все основные параметры элементов
квантрона с поперечной диодной накачкой с изменяемым поперечным распределением коэффициента усиления.
5.
Использование в ТТЛ квантронов с изменяемым поперечным распределением коэффициента усиления в активном элементе позволяет добиться как минимум двукратного изменения расходимости излучения в реальном масштабе
времени за счет изменения поперечного распределения коэффициента усиления
в активном элементе при сохранении высокой эффективности лазерной генерации (свыше 20 % в режиме модуляции добротности).
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались
и обсуждались на научных семинарах на кафедре лазерных и оптико-электронных систем МГТУ им. Н.Э. Баумана, в НИИ РЭТ МГТУ им. Баумана, ФИАН им.
П.Н. Лебедева, ИОФРАН им. А.М. Прохорова.
Публикации. Основные научные результаты диссертационной работы докладывались на двух международных конференциях: XIII International Conference «Laser Optics 2008» (St. Petersburg, 2008), International Symposium on Laser
Interaction with Matter (LIMIS 2010) (Changchun, China, 2010), а также были опубликованы в 3 статьях в научных журналах и изданиях, которые включены в Перечень российских рецензируемых научных журналов. Список публикаций по
теме диссертации приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех
глав, основных выводов по работе и списка цитируемой литературы. Материал
изложен на 149 страницах, содержит 79 иллюстраций и 18 таблиц. Список цитируемой литературы содержит 90 ссылок.
7
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и основные задачи исследования, научная новизна, практическая значимость полученных результатов, основные положения, выносимые на защиту,
сведения об апробации работы, а также приведены данные о структуре и объеме
диссертации.
Первая глава посвящена обзору и анализу
состояния современных исследований в области
квантронов с поперечной диодной накачкой цилиндрических активных элементов по материалам открытых публикаций. В разделе 1.1 анализируются представленные в открытых печатных
источниках конструкции квантронов с поперечной диодной накачкой с непосредственным подводом излучения накачки. В разделе 1.2 анализиРис. 1. Схема поперечной диодруются конструкции квантронов с поперечной
ной накачки
диодной накачкой с оптическими системами подвода излучения накачки. Раздел 1.3 посвящен обзору современного состояния
теоретических исследований процесса поперечной диодной накачки. В разделе
1.4 приведены выводы по первой главе. По результатам проведенного обзора и
анализа, как наиболее оптимальная была выбрана схема поперечной накачки с
непосредственным подводом излучения (Рис. 1). Такие схемы позволяют получать эффективности поглощения излучения накачки до 90 % при возможности в
широких пределах варьировать поперечное распределение поглощенного излучения в различных конструкциях. Обзор также показал существующие пробелы
в теоретическом исследовании квантронов с поперечной диодной накачкой, анализе функциональных возможностей формирования различных распределений
коэффициента усиления по сечению активного элемента, а также необходимость
проведения комплексного моделирования квантронов и разработки методики
расчета его параметров.
Во второй главе представлена математическая модель поперечной диодной накачки цилиндрического активного элемента, проведен теоретический анализ функциональных возможностей квантронов с поперечной диодной накачкой
по формированию различного вида поперечных распределений коэффициента
усиления и разработана методика расчета оптических характеристик квантронов
8
с поперечной диодной накачкой с изменяемым поперечным распределением коэффициента усиления в цилиндрических активных элементах.
В разделе 2.1 приведено описание оптической схемы поперечной диодной
накачки (Рис. 1). Основными оптическими элементами ее являются активный
элемент, прозрачная трубка-отражатель и набор диодных источников накачки,
размещенных вокруг активного элемента. Практически все проанализированные
схемы с поперечной диодной накачкой с осевой симметрией с теми или иными
допущениями можно свести к такой схеме.
В разделе 2.2 дается описание математической модели поперечной диодной накачки на базе выбранной оптической схемы. Квантрон как законченный
функциональный узел формирует распределение поглощенного излучения
накачки в активном элементе. Выходными параметрами разрабатываемой математической модели поперечной диодной накачки являются:
1.
Эффективность поглощения излучения накачки (квантрона);
2.
Поперечное распределение коэффициента усиления;
3.
Поперечное распределение термооптических неоднородностей.
Эффективность квантрона в первую очередь будет определять эффективность лазерной генерации. Последние два параметра определяют и энергетические, и пространственные характеристики лазерного излучения. Задача определения параметров элементов квантрона по его выходным параметрам является
задачей синтеза со следующим критерием: обеспечение заданного распределения коэффициента усиления и термооптических неоднородностей при максимизации эффективности поглощения излучения накачки.
Входными параметрами разрабатываемой математической модели поперечной диодной накачки являются параметры четырех узлов квантрона:

источник накачки:
 центральная длина волны излучения, λнак;
 ширина спектра излучения, Δλнак;
 диаметр окружности с источниками накачки, Dнак;
 расходимость излучения (по уровню 0,5), 2θнак;
 ориентация поляризации излучения;

активный элемент:
 спектр поглощения излучения оптической накачки, α();
 концентрация активатора, Саэ;
 диаметр, Dаэ;
9
 шероховатость цилиндрической поверхности, Rz;
 показатель преломления, nаэ;

прозрачная трубка:
 внешний и внутренний диаметры, Dтр1 и Dтр2;
 шероховатости внешней и внутренней поверхностей, Rz1 и Rz2;
 показатели преломления трубки и хладагента, nтр и nхл;
 коэффициенты поглощения трубки и хладагента, αтр и αхл;

отражатель:
 коэффициент отражения отражателя, Rr;
 диаметр, Dr;
 ширина «входных окон», s;
 шероховатость поверхности, Rzr.
Моделирование поперечной диодной накачки цилиндрического активного
элемента основывается на численных методах трассировки элементарных лучей
излучения накачки. Излучение накачки трассируется от диодного источника через все оптические элементы квантрона до тех пор, пока оно полностью не поглотится. Задача решается для одной плоскости. При трассировке учитываются
оптические свойства всех узлов, через которые проходит луч (показатель преломления, коэффициент отражения, степень матировки поверхности, коэффициент поглощения) во всем спектре и с учетом поляризации излучения, а также физические процессы, которые их сопровождают:
1.
Поглощение излучения во всех оптических средах по закону Бугера;
2.
Отражение, преломление полное внутренне отражение света на границах
раздела сред в зависимости от поляризации излучения;
3.
Рассеяние и деполяризация излучения на матированных поверхностях.
В модели также учитываются спектральные и пространственные параметры излучения источников накачки, оптические характеристики всех элементов квантрона и спектральные параметры активного элемента. В модели используется диодный источник накачки в виде линейки (точечный источник) или матрицы (набор точечных источников), размещенной вдоль активного элемента.
При проведении вычислений поперечного распределения коэффициента усиления в активном элементе его сечение разбивается на элементарные площадки,
поглощение в которых рассчитывается независимо друг от друга. При определении коэффициента поглощения в активном элементе учитывается просветление
10
среды. Доля поглощенного излучения определяется по закону Бугера на расстоянии, которое проходит элементарный луч по элементарной площадке. Для всех
остальных оптических элементов доля поглощенного излучения считается интегрально для всего элемента.
На основе представленной математической модели было разработано программное обеспечение в среде Delphi для проведения расчетов и визуализации
результатов. Все теоретические расчеты, приведенные в данной работе, получены с его использованием.
В разделе 2.3 рассматривается описание реализуемых поперечных распределений коэффициента усиления
в цилиндрическом активном
элементе. Типовые реализуемые распределения, представляющие практическую
ценность, имеют профили,
которые можно с хорошим
p<0
p=0
p>0
соответствием аппроксими- Рис. 2. Реализуемые параболические распределения коэффициента усиления
ровать осесимметричной параболической функцией с разными знаками кривизны p (Рис. 2). Это позволяет
дать простое описание радиальной зависимости распределения через кривизну
параболы (r – относительный радиус):
(1)
0 ∙ 1
∙
или через производный параметр – перепад «центр-край»:
0 ⁄ 1
1⁄ 1
.
(2)
Дополнительными параметрами являются среднеквадратичное отклонение, описывающее общее соответствие распределения требуемому, и максимальные относительные амплитудные выбросы, описывающее локальные неоднородности («горячие точки»).
В разделе 2.4 рассматривается описание поперечных распределений термооптических неоднородностей в цилиндрическом активном элементе. Распределение тепловыделения в активном элементе соответствует распределению коэффициента усиления. Проведенные расчеты показывают, что для параболических распределений тепловыделения в активном элементе установившийся температурный профиль также достаточно точно характеризуется параболической
11
зависимостью. В этом случае термооптические процессы в активном элементе
имеют аналитическое описание [1]. В разделе 2.4 приведено аналитическое описание распределения фазовых неоднородностей и интегральной тепловой линзы
в активном элементе.
Раздел 2.5 посвящен исследованию функциональных зависимостей между
основными входными параметрами квантрона. Проведенный теоретический анализ позволил выделить два ключевых соотношения между основными входными
параметрами квантрона – два инварианта.
Первый инвариант связывает основные геометрические параметры
квантрона и определяется диаметром окружности с источниками накачки, диаметром активного элемента и расходимостью излучения накачки:
нак ∙
нак
аэ
(3)
Второй инвариант связывает спектральные параметры диодных источников накачки и активного элемента с геометрическими:
∙ аэ
(4)
В выражение (4) входит величина эффективного коэффициента поглощения излучения в активном элементе ϰ, который определяется как интеграл перекрытия между спектром излучения источника накачки P(λ) и спектром поглощения активного элемента α(λ) [1]:
∙
(5)
Именно эти соотношения параметров определяют выходные параметры
квантрона. При прочих одинаковых параметрах квантроны с одинаковыми значениями Inv1 и Inv2, независимо от составляющих их комбинаций параметров,
имеют одинаковые эффективности поглощения и одинаковые распределения коэффициента усиления. Используя эти два инварианта, при помощи разработанного программного обеспечения были проведены расчеты для исследования
функциональных зависимостей между различными входными параметрами
квантрона. Результатом этого явилась разработка методики расчета входных параметров квантрона с поперечной диодной накачкой, позволяющего формировать различные поперечные распределения коэффициента усиления по его выходным параметрам. Методика базируется на определении оптимальных значений инвариантов и на их базе оптимальных значений оптических характеристик
квантрона. Для определения оптимальных значений инвариантов использовался
критерий обеспечения заданного распределения коэффициента усиления при
максимизации эффективности поглощения. Степень соответствия полученного
12
распределения требуемому характеризуется среднеквадратичным отклонением
(СКО) и максимальными амплитудными выбросами (Рис. 3).
(а)
(б)
Рис. 3. Зависимости эффективности поглощения излучения накачки (1), СКО (2) и максимальных амплитудных выбросов (3) от Inv1 при Inv2 = 3 (а) и от Inv2 при Inv1 = 1 (б)
(а)
(б)
Рис. 4. Зависимости СКО распределения от инвариантов (а) и оптимальных значений инвариантов от распределения коэффициента усиления (б) в активном элементе
Неравномерность распределения и максимальная амплитуда отдельных
выбросов имеют практически совпадающие минимумы. Эффективность поглощения при этом близка к максимальным значениям в области минимума неравномерности распределения. Оптимальное значение инвариантов как раз и находится в области минимума неравномерности распределения (Рис. 4а). Подобные
результаты получаются при любом наборе параметров квантрона. Для различных распределений коэффициента усиления существуют свои единственные
пары оптимальных значений инвариантов. На Рис. 4б приведены оптимальные
значения инвариантов Inv1 и Inv2 для различных параболических распределений
13
коэффициента усиления, характеризуемые параметром перепада «центр-край», δ
(см. выражение (2)).
В разделе 2.6 приводится исследование зависимости эффективности поглощения излучения накачки от длины волны источников накачки, определяемой их температурой. Чтобы достичь высокой эффективности в как можно более
широком диапазоне температур и при этом сохранить возможность варьировать
в широких пределах поперечное распределение коэффициента усиления, необходимо подобрать оптимальные соотношения центральной длины волны
накачки λ0, ширины спектра излучения накачки Δλ и концентрации активатора в
активной среде Саэ для заданного инварианта Inv1 и диапазона инвариантов Inv2.
Активные элементы с большей концентрацией активатора позволяют в больших
пределах варьировать распределение коэффициента усиления при изменении рабочей температуры. Однако максимальная концентрация активатора ограничена
предельно допустимым значением Inv2 ≤ 4. Сильно вогнутые распределения коэффициента усиления приводят к сильному падению эффективности лазера.
806,5 нм
(а)
(б)
Рис. 5. Зависимость ширины температурного диапазона, в котором эффективность квантрона
изменяется менее чем на 5 %, от длины волны накачки (а) и ширины спектра излучения (б)
На Рис. 5 приведены результаты расчетов ширины температурного диапазона, в котором эффективность квантрона изменяется менее чем на 5 %, при различных соотношениях длины волны накачки и ширины спектра излучения для
активного элемента Nd3+:YAG диаметром 6,3 мм и с концентрацией активатора
1,1 %. Оптимальная длина волны составляет 806,5 нм, а оптимальная ширина
спектра лежит в диапазоне Δλ = 2–5 нм. Таким образом, можно добиться стабилизации эффективности квантрона в температурном диапазоне до 50 °С при сохранении высокой эффективности квантрона (более 70 %).
14
В разделе 2.7 приводится исследование поперечных распределений коэффициента усиления в активных элементах различных диаметров. В зависимости
от уровня выходной энергии лазера выставляются требования для диаметра активного элемента. Предложенные инварианты позволяют однозначно определить оптимальные параметры квантрона под заданное распределение коэффициента усиления и его эффективность. Это позволяет описать двумя инвариантами
весь ряд квантронов с различными диаметрами активного элемента (типоряд
квантронов) с одинаковыми выходными параметрами.
В разделе 2.8 описана блок-схема методики расчета параметров квантрона
с поперечной диодной накачкой, позволяющего формировать различные поперечные распределения коэффициента усиления:
1.
По заданным выходным параметрам квантрона (η, δ) определяются оптимальное значение Inv1 и необходимый диапазон изменения оптимальных значений Inv2. Инвариант Inv1 определяет все основные геометрические параметры
квантрона.
2.
Необходимый диапазон значений Inv2 и входные требования к квантрону
позволяет выбрать λ0, Δλ и Саэ (с учетом максимизации температурного диапазона эффективности квантрона).
3.
После определения всех параметров квантрона производится уточняющие
расчеты квантрона с использованием разработанного программного обеспечения.
В разделе 2.9 приведены выводы по второй главе.
В третьей главе представлены описание конструкции и результаты
экспериментальных исследований разработанного квантрона по формированию
различных поперечных распределений коэффициента усиления.
В разделе 3.1 приводится описание конструкции квантрона. В качестве активной среды был выбран Nd3+:YAG диаметром 6,3 мм с концентрацией активатора 1,1 %. Активный элемент помещался в трубку из кварцевого стекла КВ с
внешним диаметром 18 мм и внутренним 8 мм. На внешнюю поверхность трубки
нанесено медное отражающее покрытие с входными окнами шириной 3 мм. В
качестве источников накачки использовались импульсные диодные линейки
производства американской фирмы Lasertel с расходимостью излучения 36° (по
уровню 0,5), длиной волны излучения 806,5 нм и шириной спектра излучения 2,5
нм. Изменение распределения коэффициента усиления осуществляется за счет
изменения температуры диодных источников накачки.
В разделе 3.2 приведено экспериментальное исследование параметров диодных источников накачки. Для управления температурой диодных источников
15
накачки использовались элементы Пельтье, которые позволяли регулировать температуру в
диапазоне ΔТ = 20 °С. Узлы
накачки располагаются по периметру активного элемента на общем основании – секции, изготовленной из анодированного
(а)
(б)
дюралюминия (Рис. 6а). В каждой секции располагается по 7 Рис. 6. Внешний вид секции накачки квантрона (а) и
квантрона в сборе (б)
узлов накачки. Сам квантрон
(Рис. 6б) состоит из семи секций с узлами накачки и двух концевых секций. Разработанный квантрон имеет следующие характеристики:

импульсная мощность накачки до 10 кВт;

частота следования импульсов до 50 Гц;

длительность импульса до 500 мкс;

средняя выходная мощность до 60 Вт.
В разделе 3.3 приводится экспериментальные исследования по верификации математической модели поперечной диодной накачки. Для этого был создан
специальный экспериментальный стенд, для которого было изготовлено несколько различных образцов активных элементов и прозрачных трубок с различными параметрами. Данный стенд позволял произвольно относительно друг
друга располагать четыре основные узла квантрона: активный элемент, прозрачную трубку и совмещенный с ним отражатель и диодный источник. Основное
внимание уделялось исследованию распределения коэффициента усиления.
Непосредственно измерить его не представляется возможным, поэтому оно оценивалось по распределению люминесценции.
В Таблице 1 изображены экспериментально измеренные распределения
люминесценции и рассчитанные распределения коэффициента усиления и соответствующие им кривизны параболических профилей для различных Inv1 и Inv2
при диаметре активного элемента 6,3 мм и концентрации активатора 1,1 %. Полученные экспериментальные результаты хорошо согласуются с результатами
теоретических расчетов и подтверждают правомерность использования предложенных инвариантов при расчете параметров квантрона с поперечной диодной
накачкой.
16
Таблица 1. Измеренные распределения люминесценции, рассчитанные распределения коэффициента усиления и кривизны параболических профилей для различных Inv1 и Inv2
λ, нм
803,9
805,2
807,2
808,6
Inv2
Inv1 = 1,1
Inv1 = 1,3
Inv1 = 1,5
Dтр1 = 19 мм
Dтр1 = 23 мм
Dтр1 = 27 мм
Эксп.
Расчет
Эксп.
Расчет
Эксп.
Расчет
-0,323
-0,318
-0,227
-0,220
-0,155
-0,150
-0,095
-0,111
0,007
-0,009
0,079
0,087
0,062
0,061
0,110
0,108
0,140
0,133
0,377
0,342
0,418
0,391
0,457
0,418
1,8
2,3
2,8
4,0
(а)
(б)
Рис. 7. Измеренные и рассчитанные зависимости параметра перепада «центр-край» δ (а) и
эффективности поглощения излучения накачки (б) от температуры источника накачки
В разделе 3.4 рассматривается вопрос экспериментального измерения выходных параметров квантрона с поперечной диодной накачкой: распределения
17
коэффициента усиления и эффективности квантрона на предмет соответствия
рассчитанным и заложенным в конструкцию значениям. На Рис. 7 приведены
теоретически рассчитанные и экспериментально измеренные зависимости параметра перепада «центр-край» δ (а) и эффективности поглощения излучения
накачки (б) от температуры источника накачки. Полученные результаты показывают хорошее согласие экспериментальных и расчетных результатов. Квантрон
позволяет формировать поперечные распределения коэффициента усиления в
широком диапазоне изменения профиля δ = 0,6–1,4 за счет изменении температуры источников накачки в диапазоне ΔТ = 20 °С. При этом эффективность
квантрона остается практически неизменной и составляет около 75 %.
В разделе 3.5 приведены выводы по третьей главе.
В четвертой главе представлена практическая демонстрация разработанного квантрона в составе ТТЛ с изменяемой расходимостью излучения в реальном масштабе времени.
В разделе 4.1 описывается постановка задачи, обосновывается перспективность применения такого лазера в ряде прикладных задач.
В разделах 4.2 и 4.3 исследована зависимость расходимости и выходной
энергии лазерного излучения от поперечного распределения коэффициента усиления в активном элементе. В рамках исследований был выработан ряд требований к лазеру для обеспечения наибольших возможностей по изменению расходимости излучения:
1.
Лазерный резонатор должен обеспечивать генерацию лазерного излучения
с максимальным числом поперечных мод (Nфр > 100);
2.
Мощность накачки должна иметь малое превышении над порогом;
3.
Оптическая сила тепловой линзы должна быть минимальная.
Таблица 2. Характеристики ТТЛ в различных режимах работы
СГ
ПМД
АМД
Максимальная выходная энергия Евых, мДж
800
169
225
Максимальный оптический КПД опт, %
40
21,7
16,1
Нестабильность выходной энергии ΔЕвых, мДж
≤7
~ 70
≤ 10
2,6–3,0
1,6–3,6
1,6–3,3
~ 15
~ 125
~ 106
Расходимость излучения (на частоте 5 Гц), мрад
Диапазон изменения расходимости Δθ, %
Примечание. СГ – свободная генерация, ПМД – пассивная модуляция добротности, АМД –
активная модуляция добротности.
18
В результате проведенных измерений в разТаблица 3. Сравнение эффективности различных ТТЛ
личных режимах работы ТТЛ были получены характеристики с использованием предельно коротηопт, % Рвых, Вт
ких плоскопараллельных резонаторов в темпера[5]
48,7
211,6
турном диапазоне ΔТ = 20 °С, указанные в Таб[6]
35,9
53,8
лице 2. Полученные результаты по эффективности
[7]
40,0
400,0
генерации в различных режимах работы лазера
[8]
42,6
426,0
находятся на уровне лучших аналогов твердотель[9]
42,5
425,0
ных лазеров. В Таблице 3 приведены выборка ста[10]
37,5
150,0
тей по квантронам с поперечной диодной накач[11]
49,9
378,0
данная
кой с максимально достигнутым оптическим КПД
40,0
30,0
работа
в непрерывном режиме. Сравнение полученных
результатов позволяет сделать вывод о том, что оптический КПД разработанного
квантрона в режиме СГ ηопт = 40 %, при средней мощности выходного излучения
Рвых ≤ 40 Вт находится на уровне лучших мировых аналогов.
(а)
(б)
Рис. 8. Зависимость расходимости излучения (а) и выходной энергии (б) от температуры при
различных частотах следования в режиме АМД
–8 °С
–4 °С
0 °С
+4 °С
+8 °С
(а)
(б)
(в)
(г)
(д)
Рис. 9. Распределения интенсивности лазерного пучка в дальней зоне при различной температуре в режиме АМД
19
Режим активной модуляции добротности является наиболее подходящим
для реализации ТТЛ с изменяемой расходимостью выходного излучения. В этом
режиме изменение распределения коэффициента усиления также практически не
оказывает влияния на выходные энергетические характеристики (Рис. 8). При
этом удается реализовать более чем двукратное изменение расходимости лазерного излучения. На Рис. 9 изображены соответствующие распределения интенсивности лазерного пучка в дальней зоне при различной температуре.
В разделе 4.4 приведены выводы по четвертой главе.
В общих выводах представлены основные результаты диссертационной
работы.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
1.
Разработана математическая модель поперечной диодной накачки цилиндрического активного элемента, учитывающая основные физические процессы и
параметры всех элементов квантрона. Эта модель позволяет провести расчет выходных параметров квантрона: эффективности поглощения излучения накачки и
поперечных распределений коэффициента усиления и термооптических неоднородностей в активном элементе. Математическая модель прошла экспериментальную верификацию. На базе модели разработано программное обеспечение.
2.
Разработана методика расчета параметров квантрона с поперечной диодной накачкой с изменяемым поперечным распределением коэффициента усиления в цилиндрическом активном элементе. Установлена связь между основными
параметрами квантрона (концентрация активатора, диаметр активного элемента,
диаметр окружности с источниками накачки, расходимость, длина волны и ширина спектра излучения накачки), определяемая двумя инвариантами Inv1 и Inv2.
Требуемые выходные параметры квантрона определяют единственные оптимальные значения инвариантов.
3.
На основе предложенной методики расчета разработан квантрон и проведены экспериментальные исследования, показавшие, что возможно формировать
поперечные распределения коэффициента усиления в широком диапазоне изменения профиля δ = 0,6–1,4. Формирование различных распределений коэффициента усиления осуществляется посредством перестройки длины волны накачки
и, соответственно, изменения температуры источников накачки в диапазоне ΔТ
= 20 °С (время переходного процесса – несколько секунд). В диапазоне изменения распределения коэффициента усиления эффективность квантрона остается
20
практически неизменной и составляет около 75 %. Экспериментальные результаты полностью совпадают с результатами расчетов.
4.
С использованием разработанного квантрона проведено экспериментальное исследование зависимости выходной энергии и расходимости генерируемого лазерного излучения от поперечного распределения коэффициента усиления в активном элементе в различных режимах генерации (свободная генерация,
активная и пассивная модуляция добротности). Полученные результаты по эффективности генерации находятся на уровне лучших аналогов ТТЛ с поперечной
диодной накачкой. Разработанный квантрон обеспечивает возможность в широких пределах изменять пространственные характеристики генерируемого лазерного излучения. В режиме активной модуляции добротности удалось достичь
двукратного изменения расходимости излучения за счет изменения поперечного
распределения коэффициента усиления в активном элементе. Оптический КПД
генерации при этом составил около 20 %.
СПИСОК ЦИТИРОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1.
Koechner W. Solid-State Laser Engineering. Sixth revised and updated edition.
New York: Springer, 2006. 750 p.
2.
Barnes N.P. Solid-state lasers from an efficiency perspective // IEEE Journal of
Selected Topics in Quantum Electronics. 2007. V. 13, № 3. P. 435–447.
3.
Bachmann F., Loosen P., Poprawe R. High power diode lasers: Technology and
Applications. New York: Springer, 2007. 554 p.
4.
Ананьев Ю.А. Оптические резонаторы и лазерные пучки. М.: Наука, 1990. 264 c.
5.
Lee S., Choi D., Kim C.-J., Zhou J. Highly efficient diode side-pumped Nd:YAG
ceramic laser with 210 W output power // Optics & Laser Technology. 2007. V. 39, №
4. P. 705–709.
6.
Sun Z., Li R., Bi Y., Hu C., Kong Y., Wang G., Zhang H., Xu Z. Experimental
study of high-power pulse side-pumped Nd:YAG laser // Optics & Laser Technology.
2005. V. 37, № 2. P. 163–166.
7.
Cui Q., Peng Q., Zhang H., Yang X., Bo Y., Guo X., Zhou Y., Lu Y., Cui D.,
Xu Z. Highly efficient diode-side-pumped six-rod Nd:YAG laser // Chinese Physics
Letters. 2008. V. 25, № 11. P. 3991–3994.
8.
Li C., Bo Y., Wang B., Tian C.Y., Peng Q., Cui D., Xu Z., Liu W., Feng X., Pan
Y. A kilowatt level diode-side-pumped QCW Nd:YAG ceramic laser // Optics Communications. 2010. V. 283, № 24. P. 5145–5148.
9.
Wang Y., Wang B., Bo Y., Xu J., Song S., Peng Q., Xu Z., Liu W., Pan Y., Liu
21
J. High efficiency, high power QCW diode-side-pumped Nd:YAG ceramic laser at
1064 nm based on domestic ceramic // Chinese Optics Letters. 2010. V. 8, № 12. P.
1144–1146.
10. Wang H., Huang W., Zhou Z., Cao H. Experimental study of a high power and
high efficiency CW diode-side-pumped Nd:YAG laser // Optics & Laser Technology.
2004. V. 36, № 1. P. 69–73.
11. Sundar R., Ranganathan K., Nath A.K. Performance studies of diode-sidepumped CW Nd:YAG laser in copper coated optical pump cavity // Optics & Laser
Technology. 2007. V. 39, № 7. P. 1426–1431.
СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ РАБОТ
1. Гречин С.Г., Николаев П.П. Квантроны твердотельных лазеров с поперечной
полупроводниковой накачкой (обзор) // Квантовая электроника. 2009. Т. 39, № 1.
С. 1–17.
2. Гречин С.Г., Николаев П.П., Шарандин Е.А. Функциональные возможности
квантронов твердотельных лазеров с поперечной диодной накачкой // Квантовая
электроника. 2014. Т. 44, № 10. С. 912–920.
3. Гречин С.Г., Николаев П.П., Охримчук А.Г. Спектральный метод расчета
распространения лазерного излучения в двухосных кристаллах с учетом разориентации собственных поляризаций // Квантовая электроника. 2014. Т.44, № 1. С.
34–42.
4. Grechin S.G., Nikolaev P.P. Overview of the diode transverse pumped modules for
solid-states lasers // XIII International Conference «Laser Optics 2008». Saint Petersburg, Russia. 2008. ThR1.
5. Grechin S.G., Nikolaev P.P., Sharandin E.A. Solid-state laser diode-pumped heads:
forming of parabolic distributions // International Symposium on Laser Interaction
with Matter (LIMIS 2010). Changchun, China. 2010. P. 122.
22
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
10
Размер файла
545 Кб
Теги
элементы, изменяемые, твердотельных, активної, лазеров, усиление, коэффициента, распределение, квантроны
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа