Содержание к диссертации
Введение
Глава 1, Обзор литературы 14
1.1. Оптотехника мощных твердотельных лазеров и проблема увеличения яркости излучения лазеров 14
1.2. Методы расчета характеристик пространственных мод в оптических резонаторах 26
1.3. Применение приближения геометрической оптики при исследовании и разработке оптических резонаторов твердотельных лазеров 32
Глава 2. Исследование внутрирезонаторных оптических элементов .,.. 35
2.1. Исследование оптического качества активных элементов твердотельных лазеров 35
2.2 Исследование и оптимизация систем оптической накачки твердотельных лазеров 44
2.3. Термоиндуцированные аберрации оптических элементов твердотельных лазеров
2.4. Исследование нелинейности показателя преломления элементов оптических схем лазеров 81
Глава 3. Моделирование пространственно-временных характеристик излучения твердотельных лазеров с учетом изменения параметров активной среды в процессе генерации 105
3.1. Дифракционная модель твердотельного лазера с активной средой 105
3.2. Исследование твердотельного лазера с внутрирезонаторным телескопом 132
3.3. Исследование пространственно-энергетических характеристик внутрирезонаторных параметрических генераторов света 149
Глава 4. Применения градиентных зеркал в резонаторах мощных твердотельных лазеров 167
4.1. Основы использования градиентных элементов в лазерной технике 167
4.2. Моделирование пространственно-энергетических характеристик твердотельных лазеров с градиентными зеркалами 179
4.3. Экспериментальные исследования характеристик твердотельных лазеров с градиентными зеркалами 220
Глава 5. Примеры разработок мощных твердотельных лазерных систем различного назначения 228
5.1. Лазерный излучатель для космической программы "Фобос" 228
5.2. Мощные высокоэффективные компактные твердотельные лазеры для систем космической связи и дистанционного зондирования 237
5.3. Сверхлегкий лазерный излучатель для блока дальномера приборного комплекса спускаемого аппарата космической программы Марс-96 256
5.4. Квазинепрерывные лазерные излучатели высокой яркости для комплексов дистанционного мониторинга атмосферы 271
Заключение 323
Литература 326
Приложение 1. Определение компонент тензора нелинейной восприимчивости оптических сред при измерениях методом АСКР-спектроскопии 339
Приложение 2. Акты внедрения 352
- Методы расчета характеристик пространственных мод в оптических резонаторах
- Исследование и оптимизация систем оптической накачки твердотельных лазеров
- Исследование твердотельного лазера с внутрирезонаторным телескопом
- Моделирование пространственно-энергетических характеристик твердотельных лазеров с градиентными зеркалами
Введение к работе
Актуальность работы. Твердотельные лазеры (ТЛ) являются одним из наиболее распространенных типов лазерных излучателей. Они широко используются при построении лазерных комплексов, предназначенных для применения в научных исследованиях, в разнообразных технических устройствах, в технологических установках, военном деле, медицинских приборах. Столь значительное разнообразие применения твердотельных лазеров обусловлено возможностью широкого выбора активных сред, способных генерировать мощное световое излучение в различных спектральных диапазонах и в чрезвычайно широком временном интервале длительностей импульсов, относительной простотой, доступностью и достаточно высокой надежностью оптико-механических узлов, из которых собираются лазерные излучатели, отсутствием экологически вредных компонент и комплектующих, возможностью установки лазерных комплексов на различных носителях, сохранения работоспособности в широком диапазоне температур окружающей среды, относительно невысокой общей стоимостью твердотельных лазеров. По данным журнала Laser Focus World ТЛ с ламповой накачкой по объему продаж, который составил в 2001 году более 750 млн. долларов, продолжали занимать первое место среди всех типов 'недиодных' лазеров. Эффективность и стабильность ТЛ с ламповой накачкой уступают бурно прогрессирующим в последнее десятилетие твердотельным лазерным системам, в которых источником оптической накачки твердотельной активной среды служат полупроводниковые лазеры. Однако стоимость и предельные энергетические характеристики твердотельных лазеров с накачкой лазерными диодами в настоящее время все еще значительно уступают классическим ТЛ с ламповой накачкой.
В этой связи необходимость решения задач развития и оптимизации оптотехнических параметров ТЛ, которые в большинстве случаев не являются противоречивыми для излучателей с ламповой накачкой и накачкой лазерными диодами, не потеряет своей актуальности еще в течение многих десятилетий. Большинство методов, разработанных для систем с ламповой накачкой, могут быть практически без изменений, а во многих случаях даже со значительными упрощениями, использованы при разработке и создании твердотельных лазеров с диодной накачкой. Поэтому актуальность настоящей работы, в которой рассмотрение проблем моделирования, исследования, разработки и оптимизации оптотехнических систем мощных ТЛ проведено на примере ТЛ с ламповой накачкой, представляется несомненной и полученные основные результаты могут быть применены при решении
многих задач, обусловливающих развитие и прогресс лазерной оптики и лазерной техники.
К оптотехническим системам твердотельных лазеров следует отнести в первую очередь традиционные оптические системы, а именно:
Оптические системы осветителей, предназначенные для передачи световой энергии от источника накачки к активным элементам лазерных излучателей.
Внутрирезонаторные оптические системы, составляющие оптический резонатор лазера и служащие для управления и формирования пространственно-временных и спектральных характеристик генерируемого излучения.
Внерезонаторные оптические системы лазерных излучателей, устанавливаемые в усилительных каскадах лазерных излучателей или каскадах нелинейно-оптического преобразования лазерного излучения.
Оптические системы доставки и формирования заданных пространственных характеристик излучения на облучаемом объекте (мишени).
Кроме того, очевидно, немаловажное значение играют оптические и технические системы, обеспечивающие как эффективность работы непосредственно ТЛ, так и позволяющие выполнить работы по исследованию и разработки ТЛ в наикратчайшие временные сроки и с наименьшими финансовыми затратами. К этой группе систем следует отнести:
комплексы контроля оптических неоднородностей всех оптических элементов резонатора лазера, в т. ч. и в процессе генерации,
лазерные комплексы по измерению важнейших характеристик оптических сред(в т.ч. и нелинейно-оптических), которые определяют возможность их применения в оптическом тракте мощных ТЛ,
технические системы обеспечения заданных тепловых режимов функционирования оптических элементов,
электронные системы формирования заданных параметров разрядного тока в источниках накачки и параметров управления электронно-оптическими элементами лазера.
Конечная цель разработки лазерного комплекса — достижение требуемых энергетических, пространственных, временных и спектральных параметров излучения на мишени, может быть оптимально решена только при учете взаимосвязи всех оптотехнических систем, как входящих в состав лазерной системы, так и обеспечивающих ее разработку.
Цель и задачи работы. Создание аппаратного и программного обеспечения проектирования оптотехнических систем мощных твердотельных лазеров, в т.ч. для комплексов дистанционного зондирования и медицины. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
Анализ совокупности физических и расчетных моделей, применяемых при разработке твердотельных лазеров, и разработка усовершенствованной системы моделирования мощных ТЛ, позволяющей определить пространственно-временные характеристики излучения мощных ТЛ с учетом влияния активной среды, воздействия систем оптической накачки, особенностей теплового режима.
Исследование оптических неоднородностей элементов резонатора ТЛ, позволяющее осуществить гарантированную классификацию и отбор активных элементов.
Экспериментальное исследование нелинейности показателя преломления оптических сред, применяемых при создании твердотельных лазеров.
Разработка, оптимизация и применение ряда оригинальных оптических элементов, определяющих свойства лазерных схем (внутрирезонаторные телескопы, интсрферометрические отражатели, поляризационные отражатели, градиентные оптические элементы, пассивные затворы, многоэлемеитные квантроны, нелинейно-оптические кристаллы и т.д.).
Научная новизна работы определяется тем, что в ней впервые:
Предложен и реализован новый метод контроля оптических неоднородностей (метод максимального контраста) элементов схем твердотельных лазеров .
Экспериментально доказана возможность измерения значений нелинейности показателя преломления оптических сред экспресс-методами, основанными на спектроскопии трехволнового смешения (АСКР-спектроскопии,).
Обоснована и развита компьютерная модель определения пространственно-временных характеристик излучения генерации твердотельных лазеров, позволяющая учитывать изменения параметров активной среды в дифракционном приближении в процессе генерации. Показана возможность расширения данной модели на случай внутрирезонаторной параметрической генерации света.
Определены основные характеристики и проведено систематические исследование градиентных оптических элементов с негауссовым радиальным пространственным профилем коэффициента отражения.
Проведены систематические экспериментальные и теоретические исследования оптических схем мощных твердотельных лазеров с применением внутрирезонаторных телескопов, интерферометрических отражателей, градиентных оптических элементов.
Проведены исследования динамики развития термооптических искажений, наводимых в активных элементах из неодимового стекла, при миллисекундных длительностях импульсов накачки.
Разработаны критерии оценки необходимой точности задания параметров хладагента при ступенчатой термостабилизации активных элементов из неодимового стекла при работе в режиме генерации нескольких импульсов.
Осуществлено исследование самофокусировки, самоотклонения и нелинейного рассеяния лазерного излучения в оптической керамике.
Экспериментально определен и обоснован критерий, позволяющий связать расчетные и экспериментально наблюдаемые параметры угла расходимости излучения при многомодовом режиме генерации Er:YAG лазеров, что позволило в значительной степени упростить и ускорить процедуру оптимизации EnYAG лазеров.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту.
Метод максимального контраста, позволяющий определить оптическую неоднородность лазерных кристаллов и осуществить их обоснованный отбор для применения в излучателях мощных твердотельных лазеров с целью увеличения яркости излучения.
Экспресс-метод АСКР-спектроскопии на базе применения двух твердотельных лазеров с частотным сдвигом линий генерации 27 см"1, позволяющий провести измерения нелинейности показателя преломления оптических материалов. Методика определения независимых компонент тензора x'tl кубичной нелинейности для изотропных и одноосных
кристаллов,
Модель оптического резонатора твердотельного лазера, учитывающая свойства активной среды, и результаты исследования пространственно-временных характеристик излучения ТЛ, в т.ч. динамики изменения кривизны волнового фронта в течение импульса генерации.
Модель расчета характеристик внутрирезонаторных параметрических генераторов света (ПГС) и результаты исследования ПГС с активной средой
на основе кристаллов КТР для оптимизации конфигурации зеркал резонатора ПГС.
Методика и результаты исследования влияния структуры модельных градиентных зеркал на пространственные характеристики излучения лазеров,
Оптические схемы твердотельных лазеров, включающие многоэлементные квантроны, внутрирезонаторные перестраиваемые телескопы, интерферометрические отражатели, градиентные оптические элементы, применение которых позволяет реализовать режим генерации излучения лазера с максимальной яркостью, уменьшить массово-габаритные параметры ТЛ, увеличить их энергетическую эффективность, добиться повышенной устойчивости выходных пространственно-энергетических характеристик излучения к воздействию возмущающих факторов.
Взаимосвязь между экспериментально измеренным углом расходимости выходного излучения EnYAG лазеров, работающих в режиме свободной генерации, и расчетным значением угла расходимости, используемым при моделировании резонаторов с применением аппарата ABCD-матриц.
Практическая ценность работы состоит в создании целостной системы обеспечения исследования и разработки мощных твердотельных лазеров, которая позволила успешно решить ряд важных задач лазерной техники и квантовой электроники. Большая часть проведенных исследований и разработок осуществлялась в рамках выполнения важнейших Государственных программ, в соответствии с координационными планами АН СССР по проблеме "Квантовая радиофизика и квантовая электроника", перечнем критических технологий Российской Федерации по разделу "Лазерные и электронно-ионно-плазменные технологии". Реализация результатов работы отражена актами внедрения от предприятий и организаций, в т.ч от института космических исследований РАН, института кристаллографии РАН, ФГУП ГОИ им. СИ. Вавилова, ГУП НИИ Лазерной физики, ГП УНП "Лазерный центр ИТМО", белорусско-японского совместного предприятия LOTIS ТИ и др.
Результаты настоящей работы широко внедрены в учебный процесс при разработке Государственного образовательного стандарта по специальности 072300 "Лазерная техника и лазерные технологии" и при подготовке студентов по специальности 072300 на кафедре квантовой электроники и биомедицинской оптики СПбГИТМО(ТУ). Материалы диссертационной работы были частично использованы автором при написании учебных и учебно-методических пособий по дисциплинам
"Твердотельные лазеры', "Элементы лазерных систем", "Теория лазеров", "Лазерная техника", "Нелинейная оптика" и др.
Личный вклад автора. Диссертация написана по материалам исследований выполненных лично автором, при его участии или под его руководством. Автором выполнены исследования, определившие защищаемые положения и методики. Соавторство, в основном, относится к практической реализации и выполнению части экспериментальных исследований.
Апробация работы и публикации. Результаты работы обсуждались и докладывались на следующих конференциях и заседаниях: Всесоюзной конференции "Применение лазеров в науке и технике", Ленинград, 1980; V Всесоюзном совещания по нерезонансному взаимодействию оптического излучения с веществом, Ленинград, 1981; II Всесоюзной научно-технической конференции "Применение лазеров в технологии и системах передачи и обработки информации", Ленинград, 1984; V Международном симпозиуме "Сверхбыстрые процессы в спектроскопии", Вильнюс, 22-25авг. 1987г.; Международной конференции "Фобос". Научно-методологические аспекты исследований. АН СССР, Москва,, 24-28 ноября 1988г.; XIII международной конференции по когерентной и и нелинейной оптике, Минск, 6-9сент. 1988г.; Всесоюзной конференции "Применение лазеров в народном хозяйстве", Москва, 1989г.; 4 международном семинаре "Научное космическое приборостроение ",17-23 сентября 1989г., г.Фрунзе; VI Всесоюзной конференции "Оптика лазеров" Ленинград., 2-7 марта1990г.; OSA, CLEO'90, Anaheim, USA, May 1990; Conference on OE Laser'93, Los-Angeles, USA, Jan/1993; VIII Международной конференции "Оптика лазеров", С-П., 1995г, конференциях Прикладная оптика-96-2002, XVII-XXX научно-технических конференциях проф.-препод. состава ИТМО(ТУ); IX Международной конференции "Оптика лазеров", С-П., 1998г., Российской научно-практической конференции Оптика и научное приборостроение - ФЦП "Интеграция" 25-28 янв, 1999г.; X Международной конференции "Оптика лазеров", С-П., 2000г.; 2 международной конференции Лазеры, измерения, информация, С-Пб, 2001г.; 7-th International Symposium on Laser Metrology applied to Science, Industry and Everyday Life, September (9-13), Novosibirsk, 2002. Основные результаты диссертации опубликованы в 38 научных работах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитируемой литературы и двух приложений. Материал изложен на 352 страницах, содержит 130 рисунков, 29 таблиц и список литературы из 208 наименований.
Во введении обоснована актуальность выбранной темы, сформулирована цель работы, научные положения, выносимые на защиту, приведены сведения об апробации работы.
В первой главе в разделе 1.1 приведен краткий обзор современного состояния проблемы увеличения яркости излучения твердотельных лазеров, описаны основные методы, применяемые для увеличения яркости излучения. Показано, что, несмотря на большое количество методов, применяемых для увеличения яркости излучения ТЛ, ни один из них в полной мере проблему не решает.
В разделе 1.2 первой главы в начале кратко перечислены основные расчетные методы, применяемые при анализе оптических резонаторов твердотельных лазеров. Приведены результаты критического анализа литературы по применению аппарата ABCD-матриц для расчета характеристик оптических резонаторов ТЛ.
В разделе 1.3 первой главы рассмотрено применение приближения геометрической оптики при исследовании и разработке неустойчивых резонаторов твердотельных лазеров. Выполнены оценки влияния наведенных термооптических неоднородностей на угловую расходимость излучения мощного твердотельного лазера на неодимовом стекле
Вторая глава содержит результаты исследований характеристик оптических сред и элементов, применяемых при разработке ТЛ.
В разделе 2.1 рассмотрено применение разработанного при выполнении настоящей работы метода наибольшего контраста для определения оптической неоднородности кристаллических активных сред. Показано, что данный метод особо эффективен при отборе высокооднородных кристаллов.
В разделе 2.2 второй главы проведено рассмотрение методов исследования и оптимизации систем оптической накачки твердотельных лазеров. В начате раздела выполнен обзор методов расчета и исследования оптических систем квантронов. Далее приведены результаты исследования по созданию адекватной модели расчета осветительной системы твердотельного лазера практически любой реально интересной конструкции. Для построения модели оптимизации осветительных систем использован метод Монте-Карло, так как на его основе возможно построение универсальных
высокоэффективных алгоритмов расчета многокомпонентных оптических систем, применяемых в лазерных излучателях различных типов.
Методы расчета характеристик пространственных мод в оптических резонаторах
Вопрос об определении собственных колебаний оптических резонаторов относится к числу наиважнейших в квантовой электронике. Именно характеристики резонатора способствуют формированию таких важнейших свойств лазерного излучения как когерентность, монохроматичность, пространственная и временная структура, высокая направленность, большая выходная спектральная плотность мощности генерируемого излучения. Неудивительно, что свойствам оптического резонатора в научной литературе по квантовой электронике посвящено чрезвычайно большое количество работ. Перечисление и рассмотрение всех этих научных трудов в рамках настоящей работы, вряд ли целесообразно. Хорошо известны прекрасные монографии, оригинальные и обзорные статьи, посвященные рассмотрению характеристик резонатора. В русскоязычной литературе наиболее полное изложение теории открытых резонаторов можно найти в монографиях Л.А. Вайнштейна [39], Е.Ф. Ищенко [40], Ю.А. Ананьева [2], в англоязычной — к классическим с полным основанием можно отнести пионерские работы J.D. Boid и I.P. Gordon [41], J.D. Boid, II. Kogelnik[42], A.G. Fox, Т. Li [43], H. Kogelnik[44], H. Kogelnik, T. Li[45], A.E. Sigman[46-49].
В настоящей работе при исследовании и разработки оптических резонаторов твердотельных лазеров, в основном, были использованы методы, базирующиеся на применении интеграла Френеля-Кирхгофа, аппарата ABCD-матриц и аппарата геометро-опти чес кого приближения. Подробное рассмотрение первого метода будет выполнено в разделе 3,1 настоящей работы при рассмотрении модели расчета резонатора твердотельного лазера с активной средой. В данном разделе основное внимание будет уделено методам расчета при помощи аппарата ABCD-матриц и геометро-оптического приближения.
Методы расчета оптических резонаторов на основе аппарата ABCD-матриц имеют богатую историю и, пожалуй, самую большую по количеству выполненных работ библиографию. Заранее принося извинения всем авторам, чьи работы не будут отмечены в настоящем разделе, мы ограничимся цитированием только тех работ, что непосредственно послужили основой при разработки нами компьютерной программы LASCA, предназначенной для выполнения расчета и оптимизации характеристик резонаторов твердотельных лазеров, активные элементы которых имеют достаточно большое значение оптической силы наведенной тепловой линзы (см. разделы 5.4,5.5). Ыеобходимость наличия удобной и достаточно полно учитывающей комплекс требований, предъявляемых к резонатору твердотельного лазера, расчетной программы является безусловным элементом обеспечения процедуры выбора и оптимизации резонатора. Критический анализ литературы показал, что выбор оптимального резонатора при решении какой-либо конкретной задачи часто может не удовлетворять условиям, заложенным авторами в приводимую ими процедуру оптимизации. Кроме того, в качестве основных ограничивающих параметров при оптимизации могут выступать, например, размеры пучка излучения на зеркалах резонатора, что обусловлено технологическим уровнем максимально допустимой лучевой нагрузки, выдерживаемой диэлектрическими покрытиями зеркал, имеющимися в наличии. Найденные оптимальные параметры резонатора, как правило, склонны к изменениям при изменении входных условий. Хорошей иллюстрацией последнего утверждения могут служить результаты расчета резонатора, приведенные на рис. 1.2.1 и заимствованные из работы [51, fig.7]. Видно, что для случая наведенной в активном элементе тепловой линзы с фокусным расстоянием 30 см более приемлемым решением является вогнуто-вогнутый резонатор с параметрами рис. 1.2.1 а), а для случая тепловой линзы с фокусным расстоянием 40 см уже выпукло-выпуклый резонатор, отвечающий рис.1.2.16), Таким образом, не обладая всей полной картиной рассчитанных характеристик, осуществить оптимальный выбор резонатора весьма затруднительно.
Анализ работ [51-64], построенных на применение аппарата ABCD-матриц и расчетные формулы из которых были заимствованы при составлении программы LASCA, показал, что основные используемые положения и допущения метода ABCD-матриц можно свести к следующим:
1. Расчет выполняется в параксиальном приближении для основной моды устойчивого резонатора. Радиус кривизны волнового фронта излучения в плоскости зеркал совпадает с радиусом кривизны зеркал. Переход резонатора в неустойчивую область означает прекращение генерации.
2. Активный элемент заменяется эквивалентной тонкой линзой, оптическая сила которой прямо пропорциональна мощности накачки и может меняться в некотором заданном заранее диапазоне значений.
3. Выходная мощность излучения основной моды определяется размером каустики излучения в плоскости расположения тонкой тепловой линзы (активного элемента). Стабилизация выходной мощности отвечает требованию неизменности радиуса каустики в плоскости активного элемента.
4. Угол дифракционной расходимости излучения Goo определяется размером пучка излучения на выходном зеркале резонатора. Условие стабильности угла расходимости требует неизменности размеров пучка на выходном зеркале при изменении оптической силы тепловой линзы. Предполагается, что геометрическая составляющая угловой расходимости скомпенсирована конструкцией подложки выходного зеркала, которое для выходящего излучения является линзой.
Исследование и оптимизация систем оптической накачки твердотельных лазеров
Оптимизация систем оптической накачки твердотельных лазеров представляет собой актуальную задачу, важность которой неоднократно отмечалась в научной литературе [2-8, 66]. Первые статьи на эту тему появились как в нашей стране, так и за рубежом в начале 60-х годов. К настоящему времени разработано большое число различных конфигураций осветителей. Наибольшее распространение получили осветители в виде эллиптических и круговых цилиндров и осветители с плотной упаковкой, как наиболее простые и достаточно эффективные [3]. Определенные успехи в задачах оптимизации систем оптической накачки были достигнуты с помощью аналитических расчетов. В связи с созданием быстродействующих ЭВМ наиболее перспективными оказались расчеты методом Монте-Карло[3,119,121,132,182,208]. В [182] приведены расчеты распределения накачки по сечению АЭ для осветителя с диффузным покрытием и отмечены значительные отличия между результатами расчета по методу Монте-Карло и аналитическими методами. В работе [144] для увеличения эффективности осветителя и равномерности накачки АЭ применялись неизображающие концентраторы. Отмечается, что применяемые осветители позволяют значительно уменьшить поток излучения многократно проходящий через лампу накачки. В работе приводятся формулы, позволяющие определить оптимальную геометрию осветительной системы.
Для реализации многократного прохождения излучения накачки через активную среду были предложены системы с отражающими конусами [121,122]. Лампа и АЭ помещаются на оси двух конусов, соединенных цилиндрической отражающей поверхностью (аксикон). Аналогичным образом работает конструкция, у которой конус с лампой заменен полусферой (сферокон). Вследствие симметрии таких систем достигается высокая равномерность освещения АЭ, Недостатками систем накачки с отражателями типа сферокон и аксикон являются трудность использования для накачки активных элементов большой длины и резкая зависимость эффективности системы от коэффициента отражения отражателя. В работе [142] получены точные квадратурные формулы для вычисления коэффициента передачи некоторых систем оптической накачки лазеров с учетом френелевских эффектов на границах сред. Было отмечено, что полученные формулы могут использоваться при тестировании программ расчета осветителей на ЭВМ, а также при качественном анализе некоторых систем оптической накачки лазеров. В работе рассматривались задачи прохождения излучения от точечного источника через составной плоский слой, рассчитывались сферически-симетричная и коаксиальная системы накачки.
В работе [143] проводится сравнение квантронов для Nd:YAG лазера компактной конфигурации с осветителями эллиптической формы. Компактные конфигурации рассматриваются как с зеркальным, так и с диффузным покрытием. Полученные экспериментальные результаты показывают, что во всех рассмотренных случаях эллиптический осветитель обладает большей эффективностью, однако с точки зрения равномерности накачки АЭ более предпочтительна компактная конфигурация. Было отмечено, что в компактной конфигурации тип отражающего покрытия (зеркальное или диффузное) незначительно влияет иа распределение накачки по сечению АЭ. Отмечается также возможность оптимизации распределения накачки по сечению АЭ в эллиптическом осветителе без заметного снижения эффективности накачки. В работе [146] рассмотрена система накачки мощного лазерного усилителя на неодимовом стекле. Для достижения высокой эффективности осветителя в сочетании с большой энергией накачки и равномерности освещения АЭ (рассматривались АЭ диаметром 90, 64 и 40мм) применялся двенадцатиламповый осветитель. Отражающая поверхность осветителя составлялась из цилиндрических сегментов с зеркальным покрытием. В работе приведены экспериментальные результаты распределения накачки по сечению АЭ. В [132] рассчитывается эффективность переноса излучения накачки от лампы к активному элементу в цилиндрическом осветителе в зависимости от его диаметра, диаметра активного элемента и межосевого расстояния лампа -активный элемент. Показано, что максимальная эффективность достигается при несимметричном положении осей лампы и активного элемента в осветителе. Существует оптимальное расстояние между лампой и активным элементом, которое не соответствует предельному их сближению. Отмечается, что оптическая толщина плазмы лампы, а также учет кварцевого баллона лампы незначительно влияет на эффективность осветителя. Однако в рассматриваемой работе сделаны значительные допущения которые не позволили оценить влияние многократных проходов излучения через АЭ на эффективность системы накачки и на равномерность распределения излучения накачки по сечению АЭ.
В работе [119] разработана программа расчета накачки многолампового дискового усилителя, позволяющая рассчитывать временной ход и пространственное распределение инверсной населенности в активных элементах лазерных усилительных систем. Программа учитывает реальную геометрию системы, спектрально-люминисцентные свойства лазерного стекла, спектрально-временные характеристики источника накачки и усиленное спонтанное излучение. Проведены сравнения расчетных характеристик системы с экспериментальными данными. В работе [120] рассматривается изменение энергетических параметров лазера при нагреве кварцевого баллона лампы. Было отмечено, что при увеличении температуры баллона ксеноновой импульсной лампы наблюдается уменьшение относительной величины тепловых потерь. При этом происходило увеличение кпд лазера и уменьшение порога генерации. В работе [167] рассмотрена высокоэффективная система накачки с рециркуляцией фотонов. Накачка производится двумя сфокусированными пучками. Система состоит из двух одинаковых зеркал эллиптической формы. При этом точка фокуса одной поверхности находится на другом зеркале и совпадает с источником излучения. Преимущество рассматриваемой системы накачки заключается в высокой эффективности использования непоглощенного в АЭ излучения.
Исследование твердотельного лазера с внутрирезонаторным телескопом
Компактные твердотельные лазеры, генерирующие излучение высокой яркости и располагаемые на борту подвижных носителей (самолетов, вертолетов, космических аппаратов и др.), являются важной частью приборных комплексов, предназначенных для решения многих задач дальней связи, дистанционной масс-спектрометрии, экологического мониторинга, лидарньгх исследований.
Такие лазеры обычно работают в одномодовом режиме, когда критичность к разьюстировке элементов резко возрастает, что существенно ограничивает возможность их применения. В настоящей разделе приводятся результаты теоретического и экспериментального исследования компактного одномодового моноимпульсного твердотельного лазера с неразъюстируемым резонатором, ключевыми элементами которого являются интерферометрический отражатель и внутрирезонаторная перестраиваемая телескопическая система.
Функциональная схема лазера представлена на рис.3.2.1. Ключевыми элементами резонатора лазера является перестраиваемая телескопическая система 6 и неразъюстируемый интерферометрический отражатель. Телескоп позволяет увеличить эффективную дифракционную длину резонатора, что повышает его селективные свойства по отношению к поперечным модам. Изменяя расстояние между компонентами телескопической системы, резонатор можно перестраивать в устойчивую и неустойчивую области, добиваясь тем самым оптимального режима генерации. Кроме того, перестройкой телескопа можно компенсировать тепловую линзу, возникающую в активной среде лазера при его работе. Стабильность одномодового режима генерации при воздействии различных возмущений (изгиб корпуса, наклон зеркал, клин и другие аберрации) обеспечивается интерферометрическим отражателем, который существенно снижает чувствительность резонатора к разъюстировкам. Интерферометрический отражатель 1 представляет собой интерферометр Саньяка, состоящий из 4-х зеркал (рис.3.2.1.): зеркала 2 являются полностью отражающими при угле падения излучения 45 , а зеркало полупрозрачным с коэффициентом отражения 0.5 и делит пучок, входящий в интерферометр, на два пучка равной интенсивности.
Использование призмы Дове 5 обеспечивает неразъюстируемость резонатора в двух ортогональных плоскостях. В отсутствие призмы Дове нечувствительность резонатора к разъюстировкам сохранялась бы только в плоскости рисунка. Клиновой компенсатор 3 предназначен для точной настройки интерферометра, нормальное функционирование которого обеспечивается только в том случае, когда разделенные на входе в интерферометр лучи после его обхода пересекаются на зеркале 4. Интерференция этих лучей приводит к тому, что практически все излучение возвращается обратно в резонатор, несмотря на то, что зеркало 4 является п олупрозрачным.
Общий анализ чувствительности кольцевых резонаторов к положению зеркал проведен в работе [24]. Анализ показал, что в неплоских (нормали зеркал не лежат в одной плоскости) четнозеркальных резонаторах независимо от положения зеркал существует самосопряженный луч, совпадающий сам с собой после отражения от всех зеркал резонатора, в связи с чем такие резонаторы при определенном условии, указанном ниже, наименее чувствительны к разъюстировкам и аберрациям. В плоских же четнозеркальных резонаторах, а также в любых нечетнозеркальных резонаторах, для существования замкнутого луча требуется настройка зеркал. При разюстировке неплоского четнозеркального резонатора происходит уход замкнутой траектории, который в сильной степени зависит от расположения зеркал. В работе [24] показано, что наименьшей критичностью к расположению зеркал обладают резонаторы, поворачивающие сечение самосопряженного луча на 180 . Примером такого резонатора является резонатор с нечетным числом отражений в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.
Представляемый в настоящей работе резонатор в совокупности с интерферометрическим отражателем формально можно считать кольцевым резонатором; при этом, как нетрудно убедиться, он удовлетворяет условию минимальной чувствительности к разъюстировкам: при полном обходе резонатора луч испытывает четное число отражений - 6, из которых пять отражений в плоскости рисунка и одно - в перпендикулярной ей плоскости (в призме Дове).
Для анализа процесса генерации в лазере, оптимизации его яркостных характеристик была развита численная модель лазера, достаточно точно описывающая эффекты насыщения, дифракции и пространственной неоднородности усиления, подробно описанных в разделе ЗЛ.
В модели лазера активный элемент АЭ и затвор представляются в виде тонкого слоя, расположенного в плоскости диафрагмы. Зеркала считаются достаточно большими, и диафрагма является единственным элементом, ограничивающим апертуру пучка. Поле в резонаторе представляется в виде двух распространяющихся навстречу друг другу потоков излучения, разделенных на некоторое число импульсов равной длительности, в пределах которых распределение поля считается независимым от продольной координаты. Импульсы циркулируют по резонатору. На основе балансных уравнений последовательно рассчитывается прохождение через активный слой одного импульса, распространяющегося в прямом направлении (к выходному зеркалу) и одного в обратном направлении.
Моделирование пространственно-энергетических характеристик твердотельных лазеров с градиентными зеркалами
Как уже было указано в предыдущем разделе, наиболее простой путь получения градиентных зеркал состоит в нанесении на просветленную поверхность подложки профилированного диэлектрического слоя с высоким показателем преломления. Конструкция одного из вариантов данного зеркала была приведена на рис 4.1.3а. Коэффициент отражения на длине волны излучения лазера о плавно уменьшается от максимального коэффициента отражения Ro в точке г=0 до минимума на краю зеркала, где толщина профилированного слоя равна нулю.
Прежде всего отметим, что при пх=1 (линейная зависимость толщины от координаты) зависимость энергетического коэффициента отражения R2(r)=f Ra(r)2! от координаты является выпуклой (квазигауссовой) функцией. При пх=0.б зависимость R2(r) близка к линейной, а при пх=0.3 является ярко выраженной вогнутой (квазиэкспоненциальной) функцией. Интересно, что такой характер зависимости R2(r) практически не зависит от состава диэлектрических слоев, применяемых для создания градиентного зеркала.
Зависимость фазы от радиальной координаты (г) = Ч (г)-тг (сдвиг зависимости ftr) на тс выбран для удобства рассмотрения фазовых характеристик, т.к. обеспечивает равенство нулю фазы градиентной структуры в центре - Ч (О) = 0) для исследованных модельных градиентных зеркал имеет более сложный характер. Так, на рис. 4.2.3г-д показаны зависимости для градиентных структур, образованных градиентными структурами 1.7-1.38-1.51 и 1.7-1.38-1.52. Видно, что характеристики Т (г) для указанных зеркал практически совпадают за исключением граничной области, в которой коэффициент отражения градиентной структуры мал. В этой области фазовые характеристики сильно расходятся; для зеркала на подложке с п=1.51 зависимость Т (г) стремится к (-л), а для зеркала на подложке с показателем преломления п=1.52 к величине -Иг.
Существует два основных способа задания параметра, характеризующего степень углового расхождения излучения. В одном из них угол расходимости излучения 9d определяется величиной плоского угла, характеризующего конус направлений, внутри которого нормированные на максимум распределения значения плотности мощности или плотности энергии излучения больше некоторого задаваемого относительного уровня. Для задания этого уровня обычно используются следующие величины: 0 (классическое определения угла дифракции направлением на первый минимум функции пространственного распределения), ехр(-2)=0.135 (применяется в теории гауссовых пучков), 0.5 (при использовании параметра полной ширины на половинном уровне — FWIIM). Во втором способе угол расходимости Gt также определяется плоским углом, но уже внутри которого содержится определенная доля полной мощности или энергии пространственного распределения. Доля 0.5 используется для определения функции FWHM пространственного распределения. Доля 0.838 соответствует дифракционному распределению, описываемому функцией Эйри, число 0.865=1- ехр(-2) применяют при рассмотрении гауссовых пучков. При экспериментальных измерениях углового расхождения излучения Gt часто применяют и другие уровни задания распределения , например 0.8. Как правило, уровень, по которому определяется угловая расходимость, указывается как нижний индекс в обозначении параметров, например Gdo 5 или 9to g. В соответствии с вышесказанным, будем называть в заданной плоскости наблюдения полным углом расходимости излучения 6do угол, который определяется как отношение диаметра окружности 2roi, соответствующей первому минимуму функции распределения плотности мощности излучения, к фокусному расстоянию f тестовой линзы. Данное определение полностью совпадает с классическим определением полного угла расходимости при дифракции плоской однородной волны на круглом отверстии, если плоскость наблюдения находится в фокальной плоскости линзы.
