Моноимпульсный твердотельный лазер с полупроводниковой накачкой и килогерцовой частотой повторения импульсов генерации.
УДК 621.375.826
МОНОИМПУЛЬСНЫЙ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ЛАЗЕР С ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ НАКАЧКОЙ И КИЛОГЕРЦОВОЙ ЧАСТОТОЙ ПОВТОРЕНИЯ ИМПУЛЬСОВ ГЕНЕРАЦИИ
© 2009 г.
В. А. Беренберг, канд. физ.-мат. наук; С. В. Дороганов; А. А. Мирзаева; В. А. Русов, канд. физ.-мат. наук; Г. Е. Новиков; В. И. Устюгов, канд. физ.-мат. наук; М. М. Халеев
Институт лазерной физики НПК “Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова”, Санкт-Петербург
E-mail: berenberg@mail.ru
Представлены характеристики твердотельного лазера с полупроводниковой накачкой и модуляцией добротности резонатора электрооптическим затвором. Лазер излучает пачки 5 нс-импульсов с энергией до 70 мДж, при частоте повторения импульсов в пачке до 1 кГц, и с программируемой последовательностью импульсов и пачек.
Коды OCIS: 140.3480, 140.3530.
Поступила в редакцию 22.12.2008.
В статье описывается лазер, который может быть использован в оптико-локационных системах, а также в лазерной технологии для маркировки изделий и материалов. Лазеры для подобных систем должны излучать наносекундные импульсы (или пачки импульсов) с высокой пиковой мощностью на частоте повторения в килогерцовом диапазоне при высокой угловой направленности излучения. Жесткие эксплуатационные требования, предъявляемые к подобным лазерам в части энергетической эффективности, ресурса работы, массы и габаритов, определяют выбор твердотельных лазеров с полупроводниковой накачкой как наиболее перспективных источников излучения для этих целей.
Внешний вид лазера (левая часть – радиатор воздушного охлаждения со снятым теплоизолирующим кожухом) представлен на рис. 1.
Квантрон лазера включает лазерные диодные источники накачки (ЛДИН) c l ≈ 0,8 мкм и активный элемент (АЭ) из кристалла Nd:ИАГ, размещенный в концентраторе энергии накачки. Рабочая температура ЛДИН обеспечивается термоэлектрическими модулями (элементами Пельтье) с кондуктивным отводом тепла.
Конструкция системы накачки была выбрана таким образом, чтобы обеспечивались как высокая эффективность запасания энергии накачки (порядка 23% от энергии импульса накачки), так и высокая степень однородности распределения в поперечном сечении АЭ усредненного по его длине коэффициента усиления. На рис. 2 и 3 представлены рассчитанные методом Монте-
52
200 Рис. 1. Общий вид лазера.
у, мм
150 100 0,50
0 –0,50
–100 –150
–150 –100 –50 0 50 100 150 x, мм Рис. 2. Распределение в поперечном сечении АЭ усредненного по его длине коэффициента усиления.
“Оптический журнал”, 76, 4, 2009
k, см–1 4
K2max
3 1,5
21
1 0,5
0 0 –15 –1 –0,5 0 0,5
1 1,5 x, мм
Рис. 3. Изменение коэффициента усиления, усредненного по длине АЭ, по оси х.
00 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Eн, Дж
Рис. 4. Зависимость максимального значения интегрального коэффициента усиления от энергии накачки.
Карло распределение указанного коэффициента усиления по торцу АЭ и его изменение по оси х, проходящей через центр торца АЭ. Результаты расчета находятся в хорошем согласии с результатами экспериментальных исследований.
Резонатор лазера был образован плоским частично прозрачным зеркалом и электрооптическим затвором-ретрозеркалом. Принцип построения таких затворов описан в [1]. Электрооптический элемент затвора состоял из двух высокоомных кристаллов КТР [2, 3] c управляющим напряжением порядка 2,5 кВ.
Электрооптический затвор–ретрозеркало обладает рядом полезных свойств, гарантирующих надежность работы лазера. В частности, плотность излучения на электрооптическом элементе в 2 раза меньше, чем в стандартной схеме затвора; затвор работает с неполяризованным излучением, компенсирует клиновую разъюстировку резонатора, “осесимметризовывает” распределение коэффициента усиления в поперечном сечении АЭ, обеспечивает стабильность положения оси излучения относительно плоскости выходного зеркала.
Рисунки 4–8 иллюстрируют возможности л азера. На рис. 4 и 5 приведены зависимости максимального интегрального коэффициента
l
òусиления Kmax = k(z)dz (k –коэффициент уси0
ления в точке z, l – длина АЭ) и энергии излучения на длине волны 1,064 мкм от энергии накачки. Коэффициент усиления измерялся по порогу генерации, когда потери в резонаторе изменялись как за счет зеркал с разными коэффици-
“Оптический журнал”, 76, 4, 2009
Eг, мДж 100
80
60
40
1 2
20
0 0 0,1 0,2 0,3 0,5 Eн, мДж
Рис. 5. Зависимость энергии излучения от энергии накачки в р ежиме свободной генерации (1) и моноимп ульсном режиме генерации (2).
ентами отражения, так и за счет размещения в резонаторе светофильтров с известным пропусканием на длине волны генерации. Длительность импульса накачки составляла 250 мкс. Для получения режима свободной генерации на электрооптический элемент затвора подавалось постоянное напряжение.
Снижение энергии излучения в моноимпульсном режиме генерации по сравнению с режимом свободной генерации обусловлено уменьшением коэффициента усиления из-за развития суперлюминесценции.
На рис. 6 приведена типичная форма импульса генерации в режиме модуляции добротности
53
Рис. 6. Типичная форма импульса излучения.
2 мс
Рис. 7. Пачка импульсов с энергией в импульсе 70 мДж.
длительностью (по уровню 50%) примерно 5 нс. Измерения проводились с использованием фотоприемного устройства и осциллографа с шириной полосы 500 МГц. Негладкость формы им пульса генерации обусловлена наличием в спектр е излучения нескольких продольных мод. Энергия в импульсе составляла 70 мДж.
Рисунки 7 и 8 иллюстрируют примеры возможных режимов работы лазера:
• пачки из 9 импульсов, частота следования импульсов в пачке 1 кГц, частота следования пачек 4 Гц;
• 10 пачек импульсов с интервалом между пачками 5 мс, каждая пачка состоит из 9 импульсов, следующих с частотой в пачке 1 кГц.
Угловая расходимость излучения лазера в обоих режимах работы лазера, измеренная по уровню 80% энергии, не превышает 4 мрад.
Некоторое снижение энергии излучения в импульсах в режиме 10 пачек связано с нестационарным характером термооптических аберраций, возникающих в АЭ, и смещением максимума спектра излучения в ЛДИН вследствие их нагрева.
Благодаря вышеприведенным характеристикам, а также возможности гибко управлять режимами излучения внешним сигналом, про граммируя нужную последовательность следования импульсов и пачек, разработанный лазер может найти применение в дальномерных и других оптико-локационных системах, а также может быть полезен для лазерной обработки материалов.
В заключение авторы выражают благодарность Е.П. Миронову за проведение численных расчетов.
54
20 мс
Рис. 8. 10 пачек импульсов с максимальной энергией в импульсе 70 мДж.
ЛИТЕРАТУРА
1. Мезенов А.В., Сомс Л.Н., Степанов А.И. Термо оптика твердотельных лазеров. Л.: Машиностроение, 1986. 199 с.
2. Горчаков А.В., Белостоцкий А.Л., Сапожников В.К., Русов В.А., Мешалкин А.Б., Каплун А.Б. Технология высококонтрастных электроопти ческих модуляторов на основе кристаллов KTiOPO4 // Автометрия. 2001. № 3. С. 81–88.
3. Rusov V.A., Gorchakov A.V., Belostotsky A.L., Sapojnikov V.K., Kaplun A.B., Meshalkin A.B., Shapovalov V.N. KTiOPO4 electro-optical devices with extinction ratio up to 1:1000 // Proc. SPIE. 2001. V. 4350. P. 117–119.
“Оптический журнал”, 76, 4, 2009
МОНОИМПУЛЬСНЫЙ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ЛАЗЕР С ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ НАКАЧКОЙ И КИЛОГЕРЦОВОЙ ЧАСТОТОЙ ПОВТОРЕНИЯ ИМПУЛЬСОВ ГЕНЕРАЦИИ
© 2009 г.
В. А. Беренберг, канд. физ.-мат. наук; С. В. Дороганов; А. А. Мирзаева; В. А. Русов, канд. физ.-мат. наук; Г. Е. Новиков; В. И. Устюгов, канд. физ.-мат. наук; М. М. Халеев
Институт лазерной физики НПК “Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова”, Санкт-Петербург
E-mail: berenberg@mail.ru
Представлены характеристики твердотельного лазера с полупроводниковой накачкой и модуляцией добротности резонатора электрооптическим затвором. Лазер излучает пачки 5 нс-импульсов с энергией до 70 мДж, при частоте повторения импульсов в пачке до 1 кГц, и с программируемой последовательностью импульсов и пачек.
Коды OCIS: 140.3480, 140.3530.
Поступила в редакцию 22.12.2008.
В статье описывается лазер, который может быть использован в оптико-локационных системах, а также в лазерной технологии для маркировки изделий и материалов. Лазеры для подобных систем должны излучать наносекундные импульсы (или пачки импульсов) с высокой пиковой мощностью на частоте повторения в килогерцовом диапазоне при высокой угловой направленности излучения. Жесткие эксплуатационные требования, предъявляемые к подобным лазерам в части энергетической эффективности, ресурса работы, массы и габаритов, определяют выбор твердотельных лазеров с полупроводниковой накачкой как наиболее перспективных источников излучения для этих целей.
Внешний вид лазера (левая часть – радиатор воздушного охлаждения со снятым теплоизолирующим кожухом) представлен на рис. 1.
Квантрон лазера включает лазерные диодные источники накачки (ЛДИН) c l ≈ 0,8 мкм и активный элемент (АЭ) из кристалла Nd:ИАГ, размещенный в концентраторе энергии накачки. Рабочая температура ЛДИН обеспечивается термоэлектрическими модулями (элементами Пельтье) с кондуктивным отводом тепла.
Конструкция системы накачки была выбрана таким образом, чтобы обеспечивались как высокая эффективность запасания энергии накачки (порядка 23% от энергии импульса накачки), так и высокая степень однородности распределения в поперечном сечении АЭ усредненного по его длине коэффициента усиления. На рис. 2 и 3 представлены рассчитанные методом Монте-
52
200 Рис. 1. Общий вид лазера.
у, мм
150 100 0,50
0 –0,50
–100 –150
–150 –100 –50 0 50 100 150 x, мм Рис. 2. Распределение в поперечном сечении АЭ усредненного по его длине коэффициента усиления.
“Оптический журнал”, 76, 4, 2009
k, см–1 4
K2max
3 1,5
21
1 0,5
0 0 –15 –1 –0,5 0 0,5
1 1,5 x, мм
Рис. 3. Изменение коэффициента усиления, усредненного по длине АЭ, по оси х.
00 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Eн, Дж
Рис. 4. Зависимость максимального значения интегрального коэффициента усиления от энергии накачки.
Карло распределение указанного коэффициента усиления по торцу АЭ и его изменение по оси х, проходящей через центр торца АЭ. Результаты расчета находятся в хорошем согласии с результатами экспериментальных исследований.
Резонатор лазера был образован плоским частично прозрачным зеркалом и электрооптическим затвором-ретрозеркалом. Принцип построения таких затворов описан в [1]. Электрооптический элемент затвора состоял из двух высокоомных кристаллов КТР [2, 3] c управляющим напряжением порядка 2,5 кВ.
Электрооптический затвор–ретрозеркало обладает рядом полезных свойств, гарантирующих надежность работы лазера. В частности, плотность излучения на электрооптическом элементе в 2 раза меньше, чем в стандартной схеме затвора; затвор работает с неполяризованным излучением, компенсирует клиновую разъюстировку резонатора, “осесимметризовывает” распределение коэффициента усиления в поперечном сечении АЭ, обеспечивает стабильность положения оси излучения относительно плоскости выходного зеркала.
Рисунки 4–8 иллюстрируют возможности л азера. На рис. 4 и 5 приведены зависимости максимального интегрального коэффициента
l
òусиления Kmax = k(z)dz (k –коэффициент уси0
ления в точке z, l – длина АЭ) и энергии излучения на длине волны 1,064 мкм от энергии накачки. Коэффициент усиления измерялся по порогу генерации, когда потери в резонаторе изменялись как за счет зеркал с разными коэффици-
“Оптический журнал”, 76, 4, 2009
Eг, мДж 100
80
60
40
1 2
20
0 0 0,1 0,2 0,3 0,5 Eн, мДж
Рис. 5. Зависимость энергии излучения от энергии накачки в р ежиме свободной генерации (1) и моноимп ульсном режиме генерации (2).
ентами отражения, так и за счет размещения в резонаторе светофильтров с известным пропусканием на длине волны генерации. Длительность импульса накачки составляла 250 мкс. Для получения режима свободной генерации на электрооптический элемент затвора подавалось постоянное напряжение.
Снижение энергии излучения в моноимпульсном режиме генерации по сравнению с режимом свободной генерации обусловлено уменьшением коэффициента усиления из-за развития суперлюминесценции.
На рис. 6 приведена типичная форма импульса генерации в режиме модуляции добротности
53
Рис. 6. Типичная форма импульса излучения.
2 мс
Рис. 7. Пачка импульсов с энергией в импульсе 70 мДж.
длительностью (по уровню 50%) примерно 5 нс. Измерения проводились с использованием фотоприемного устройства и осциллографа с шириной полосы 500 МГц. Негладкость формы им пульса генерации обусловлена наличием в спектр е излучения нескольких продольных мод. Энергия в импульсе составляла 70 мДж.
Рисунки 7 и 8 иллюстрируют примеры возможных режимов работы лазера:
• пачки из 9 импульсов, частота следования импульсов в пачке 1 кГц, частота следования пачек 4 Гц;
• 10 пачек импульсов с интервалом между пачками 5 мс, каждая пачка состоит из 9 импульсов, следующих с частотой в пачке 1 кГц.
Угловая расходимость излучения лазера в обоих режимах работы лазера, измеренная по уровню 80% энергии, не превышает 4 мрад.
Некоторое снижение энергии излучения в импульсах в режиме 10 пачек связано с нестационарным характером термооптических аберраций, возникающих в АЭ, и смещением максимума спектра излучения в ЛДИН вследствие их нагрева.
Благодаря вышеприведенным характеристикам, а также возможности гибко управлять режимами излучения внешним сигналом, про граммируя нужную последовательность следования импульсов и пачек, разработанный лазер может найти применение в дальномерных и других оптико-локационных системах, а также может быть полезен для лазерной обработки материалов.
В заключение авторы выражают благодарность Е.П. Миронову за проведение численных расчетов.
54
20 мс
Рис. 8. 10 пачек импульсов с максимальной энергией в импульсе 70 мДж.
ЛИТЕРАТУРА
1. Мезенов А.В., Сомс Л.Н., Степанов А.И. Термо оптика твердотельных лазеров. Л.: Машиностроение, 1986. 199 с.
2. Горчаков А.В., Белостоцкий А.Л., Сапожников В.К., Русов В.А., Мешалкин А.Б., Каплун А.Б. Технология высококонтрастных электроопти ческих модуляторов на основе кристаллов KTiOPO4 // Автометрия. 2001. № 3. С. 81–88.
3. Rusov V.A., Gorchakov A.V., Belostotsky A.L., Sapojnikov V.K., Kaplun A.B., Meshalkin A.B., Shapovalov V.N. KTiOPO4 electro-optical devices with extinction ratio up to 1:1000 // Proc. SPIE. 2001. V. 4350. P. 117–119.
“Оптический журнал”, 76, 4, 2009