WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

На правах рукописи

ЛЯШЕДЬКО АНДРЕЙ ДМИТРИЕВИЧ

Термооптические искажения в неодимовых лазерах на основе пластинчатых активных элементов с продольной диодной накачкой

Специальность: 01.04.21 – лазерная физика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва – 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте общей физики им. А.М. Прохорова РАН

Научный консультант:

доктор физико-математических наук Цветков Владимир Борисович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Ильичев Николай Николаевич (Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН) доктор технических наук, профессор Федин Александр Викторович (Ковровская Государственная технологическая академия им. В. А. Дегтярева)

Ведущая организация:

НИИ ядерной физики имени Д.В. Скобельцына, МГУ имени М.В.Ломоносова, г. Москва

Защита состоится 14 мая 2012 года в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 002.063.03 при Институте общей физики им. А.М. Прохорова РАН по адресу 119991, ГСП-1, Москва, ул. Вавилова, д. 38.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института общей физики им.

А.М. Прохорова РАН.

Автореферат разослан « __ » апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 002.063.кандидат физико-математических наук Т.Б. Воляк

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы Лазеры нашли широкое применение в современном мире в таких областях как телекоммуникации, обработка материалов, медицина. Для использования в технологических целях требуются лазеры с выходной мощностью от 10 Вт до нескольких десятков киловатт. Использование диодной накачки твердотельных лазеров позволило на порядок увеличить эффективность генерации, упростить конструкцию лазерных систем, улучшить частотную и временную стабильность выходного излучения. Таким образом, актуальность данной диссертационной работы обусловлена бурным развитием новых конструкций мощных неодимовых лазеров и иттербиевых лазеров, использующих полупроводниковые лазерные диоды для накачки.

Одной из основных задач при создании твердотельных лазерных систем высокой средней мощности является задача эффективного охлаждения активного элемента (АЭ) лазера. По сравнению с цилиндрическими активными элементами, более эффективным теплосъемом обладают планарные активные элементы в форме тонких дисков или пластин. Использование пластинчатых АЭ с зигзагообразным ходом лазерного пучка позволяет получить высокую мощность генерации с сохранением высокого качества излучения за счет компенсации термооптических искажений пучка. Несмотря на подробное описание результатов, достигнутых с использованием пластинчатых элементов, критически важная информация о методах изготовления активных элементов, системах накачки, теплоотвода, распределении температуры в активной среде, методов защиты поверхностей полного внутреннего отражения (ПВО) и др.

представлена в сильно урезанном виде, совершенно недостаточном для практического использования. Основное внимание в публикациях уделяется достижению высокой мощности генерации, но не определению и изучению эффектов, ограничивающих эффективность, мощность генерации и качество излучения. Это определяет основные цели и задачи диссертационной работы.

Цели и задачи работы Целью работы является создание непрерывных твердотельных лазеров на основе пластинчатых активных элементов, излучающих в ближней ИК-области, и исследование их тепловых и генерационных характеристик в различных режимах излучения. Достижение поставленной цели потребовало применения новых технологий изготовления активных элементов, создания стендов для исследования тепловых эффектов в активной среде и оптимизации условий генерации.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

Расчет и изготовление композитного активного элемента Nd:YAG в форме пластины с зигзагообразным ходом пучка. Проверка качества изготовленного АЭ.

Исследование тепловыделения и профиля температуры вдоль пластинчатого активного элемента при различных конфигурациях продольной диодной накачки.

Изучение термоиндуцированных искажений волнового фронта лазерного пучка в пластинчатом активном элементе с зигзагообразным ходом пучка при различных конфигурациях продольной диодной накачки.

Исследование потерь и коэффициента усиления слабого сигнала в пластинчатом активном элементе Nd:YAG и построение многопроходного усилителя на основе АЭ с зигзагообразным ходом лазерного пучка.

Изучение генерационных характеристик лазера на основе пластинчатого активного элемента Nd:YAG с зигзагообразным ходом пучка при различных конфигурациях продольной диодной накачки.

Научная новизна Измерено распределение температуры вдоль композитного пластинчатого АЭ при продольной диодной накачке при различных коэффициентах поглощения излучения накачки;

Продемонстрировано влияние неоднородного распределения поглощенной мощности накачки в сечении пластинчатого АЭ при продольной накачке на эффективность лазерной генерации;

Предложено использовать в качестве защитного покрытия на плоскостях ПВО активного элемента полимера СИЭЛ и реализован лазер на основе пластинчатого АЭ с выходной мощностью более 100 Вт.

Практическая ценность Практическая ценность работы заключается в выявлении преимуществ и недостатков схемы продольной накачки пластинчатых активных элементов, что необходимо для создания практических изделий. Проведенные эксперименты демонстрируют эффекты, которые ограничивают эффективность, мощность генерации и качество излучения в лазерах с пластинчатыми активными элементами. Выводы, сделанные на основе экспериментов и проведенные расчеты позволяют проводить проектирование систем накачки и охлаждения мощных лазеров на пластинчатых активных элементах. В работе также предложен метод защиты поверхности активного элемента с помощью специальных полимеров, который превосходит по своим характеристикам традиционно применяемые пленки SiO2.

Защищаемые положения Распределение температуры вдоль композитного пластинчатого активного элемента при продольной диодной накачке сильно зависит от эффективного коэффициента поглощения излучения накачки;

Термооптические искажения лазерного пучка при зигзагообразном проходе через пластинчатый активный элемент в значительной мере определяются распределением поглощенной мощности накачки в сечении пластины;

Потери в пластинчатом активном элементе определяются в основном качеством защитного покрытия на плоскостях полного внутреннего отражения (ПВО). Покрытие из кремнийорганического компаунда СИЭЛ является эффективным защитным покрытием на плоскостях ПВО;

Реализация многопроходного усилителя на основе пластинчатого Nd:YAG активного элемента с зигзагообразным ходом пучка; Вывод о том, что основным фактором ограничивающим усиление является действие термооптических эффектов на пучок и дополнительные потери излучения за счет виньетирования пучка на выходном торце АЭ;

Реализация лазера на основе композитного пластинчатого активного элемента Nd:YAG с защитным покрытием на плоскостях ПВО в виде полимера СИЭЛ с зигзагообразным ходом пучка с выходной мощностью более 100 Вт.

Личный вклад диссертанта Изложенные в диссертации результаты получены А.Д. Ляшедько лично или совместно с соавторами при непосредственном его участии.

Апробация работы Основные результаты работы были доложены на международных конференциях 18th International Laser Physics Workshop (LPHYS’09, Барселона, Испания), CLEO/Europe-2011 (Мюнхен, Германия), на XVII Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов 2010» (г.

Москва), на 4-ой (2010 г.) и 5-ой (2011 г.) Всероссийской школе для студентов, аспирантов, молодых ученых и специалистов по лазерной физике и лазерным технологиям (г. Саров), на конкурсе молодых ученых НЦЛМТ ИОФ РАН 2010 г.

и 2012 г. (г. Москва), на X Всероссийская молодежная научная школа «Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники и волоконной оптики: физические свойства и применение» (ВНКШ-2011, г. Саранск) Публикации Основные результаты опубликованы в 2 статьях в журналах, рекомендованных ВАК РФ, и в 8 тезисах российских и международных конференций. Список публикаций по теме диссертации приведен в конце автореферата.

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Объем диссертации составляет 117 страниц, включая 58 рисунков, 6 таблиц и список литературы из 87 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цели и вытекающие из них задачи исследований. Кратко рассмотрено состояние вопроса на момент начала исследований, сформулированы защищаемые положения, научная новизна работы и ее практическая ценность, описаны основные результаты работы и вклад автора в решение поставленных задач.

Первая глава диссертации носит обзорно-аналитический характер. В ней представлены основные результаты исследований и направления развития мощных твердотельных лазеров на основе пластинчатых активных элементов.

В первом разделе рассмотрены наиболее распространенные активные среды 1-мкм твердотельных лазеров - кристаллы, активированные трехвалентными ионами Yb или Nd. Рассмотрены основные преимущества и недостатки данных активных сред с точки зрения их использования в лазерах с высокой средней мощностью генерации.

Второй раздел посвящен тепловым эффектам в активных средах твердотельных лазеров. Рассмотрены основные эффекты, ограничивающие эффективность и мощность генерации, такие как снижение усиления с ростом температуры из-за уширения спектральной линии и теплового заселения нижнего лазерного уровня, разрушение активного элемента из-за тепловых напряжений при неоднородном тепловыделении или высоких значениях поглощенной мощности накачки и ухудшение качества лазерного пучка с ростом градиентов температуры в активной среде. Показано, что нагрев кристалла на 100 С приводит к снижению коэффициента усиления на 20% относительно его значения при комнатной температуре [1], а перепады температуры в АЭ более 85 С могут привести к разрушению кристалла Nd:YAG вследствие термомеханических напряжений [2].

В третьем разделе описаны основные преимущества пластинчатой геометрии активной среды с зигзагообразным ходом лазерного пучка.

Использование активного элемента в форме тонкой прямоугольной пластины позволило производить эффективное охлаждение АЭ за счет большой площади боковых граней пластины. Прямоугольная геометрия элемента позволила снизить термонаведенные напряжения в активной среде и связанный с ними эффект двулучепреломления по сравнению с традиционными цилиндрическими АЭ. Для компенсации действия тепловой линзы было предложено использовать зигзагообразный ход пучка через пластину [3, 4]. При этом лазерный пучок распространяется через область с градиентом температуры под углом, отражаясь от плоскостей полного внутреннего отражения (ПВО), и все лучи в пучке распространяются в одинаковых условиях, вследствие чего приобретают одинаковый фазовый набег.

В четвертом разделе рассмотрены вопросы выбора систем накачки и теплоотвода в лазерных системах на основе пластинчатых активных элементов.

Кратко проанализированы работы, посвященные различным конфигурациям накачки пластинчатых АЭ. Представлены основные преимущества и недостатки поперечной и продольной схем накачки пластины. Достоинством схемы продольной торцевой накачки пластины является более простая конструкция радиатора охлаждения, чем в случае поперечной накачки через плоскости ПВО, а также возможность обеспечить поглощение накачки неоднородное по длине пластины, но достаточно однородное в поперечном сечении [5]. На основе достижений в области создания мощных твердотельных лазеров с высоким качеством излучения была выбрана конфигурация с продольной накачкой композитного пластинчатого активного элемента. Поставлены основные задачи диссертационной работы.

Во второй главе диссертационной работы описан расчет размеров композитного пластинчатого активного элемента Nd:YAG, с применением которого были получены результаты защищаемой работы. Представлены результаты экспериментов по проверке качества изготовленных АЭ.

В первом разделе представлена оценка размеров активного элемента с точки зрения эффективного охлаждения АЭ. Из решения стационарного уравнения теплопроводности определены необходимые размеры боковых поверхностей пластины, через которые осуществляется теплоотвод. Показано, что в случае равномерного тепловыделения в активной среде мощностью 760 Вт размеры активного элемента должны быть около 0,20,66 см3, чтобы максимальная температура нагрева не превышала 120 С, а перепады температуры в АЭ были менее 85 0С.

Во втором разделе произведен расчет распределения температуры вдоль композитного пластинчатого АЭ с размерами 0,20,66 см3 и центральной частью, легированной ионами Nd3+, длиной 4 см. В расчете предполагалось, что продольная накачка производится двумя диодными модулями суммарной мощностью 200 Вт по оси АЭ симметрично с двух торцов. Проведенное моделирование показало, что перепад температуры вдоль композитного пластинчатого АЭ сильно зависит от эффективного коэффициента поглощения излучения накачки в активной среде. При коэффициенте поглощения 2 см-перепады температуры вдоль пластины превышают 100 0С. Снижение в два раза эффективного коэффициента поглощения излучения накачки до значения 1 см-позволяет более чем в два раза снизить перепад температуры вдоль АЭ.

Проведенный расчет также показал, что при выборе длины нелегированных концов пластины, равной 1 см, торцы АЭ практически не нагреваются.

В третьем разделе содержится описание расчета зигзагообразного хода лазерного пучка в пластинчатом активном элементе. Из геометрических соображений произведен точный расчет размеров пластины, угла скоса торцов и углов падения пучка, при которых в пластинчатом АЭ реализуется от 10 до полных внутренних отражений. Угла скоса пластины был выбран 450, при этом для угла падения пучка = 45052, близкого к оптической оси кристалла, реализуется 12 полных внутренних отражений в АЭ. На рис.1 представлен эскиз активного элемента и технологические условия изготовления.

Рис. 1 Эскиз активного элемента из кристалла Nd:YAG и технологические условия изготовления.

В четвертом разделе представлены результаты исследований фазовых искажений тестового пучка в модельных экспериментах при искусственно созданных температурных градиентах в активном элементе и в механически нагруженном АЭ. Из полученных в эксперименте интерференционных картин видно (рис. 2), что в случае перепада температуры вдоль плоскостей ПВО возникают существенные фазовые искажения пучка: около 5 длин волн (=632,8 нм) при перепаде температуры 6 С. Действие температурных градиентов между плоскостями ПВО (направление зигзагообразного хода пучка) эффективно компенсируется, и фазовые искажения в данном случае не превышают 1 длину волны (=632,8 нм). Эксперименты по измерению искажений волнового фронта тестового пучка, связанных с механическими напряжениями в АЭ, показали, что в монолитном и композитном активном элементе возникают одинаковые фазовые искажения пучка, что говорит о том, что места сварки легированной и нелегированной частей АЭ не вносят дополнительных напряжений.

Рис. 2 Интерференционные картины фазовых искажений тестового пучка при его зигзагообразном распространении через пластинчатый АЭ при наличии градиента температуры вдоль плоскостей ПВО (А) и между плоскостями ПВО (Б) Третья глава посвящена изложению результатов экспериментов по исследованию температурных профилей и термооптических искажений в пластинчатом активном элементе при продольной диодной накачке.

В первом разделе представлены результаты экспериментов по измерению профиля температуры вдоль пластинчатого АЭ при различных конфигурациях продольной диодной накачки. Накачка осуществлялась с двух торцов АЭ симметричным образом (рис. 3). Измерения проводились интерференционным методом. По числу полос, прошедших через определенную точку интерференционной картины при увеличении мощности накачки, определялась температура нагрева в данной точке. По стационарной интерференционной картине было рассчитано распределение температуры вдоль пластины.

Рис. 3 (А) Схема накачки пластинчатого активного элемента диодными модулями с волоконным выходом. (Б) Фотография люминесценции АЭ при накачке с одной стороны.

Фотографии интерференционных картин от активного элемента, нагретого излучением накачки мощностью 200 Вт, и графики распределения температуры вдоль пластины для двух эффективных коэффициентов поглощения излучения накачки представлены на рис. 4. При накачке диодными модулями с длиной волны около 805 нм эффективный коэффициент поглощения излучения накачки в активной среде составлял 2 см-1. При суммарной поглощенной мощности накачки около 200 Вт максимальная температура активного элемента составила 0 около 75 С, перепад температуры в легированной части АЭ - 40 С, а в нелегированных концах - 44 С. При накачке диодными матрицами с длиной волны около 793 нм эффективный коэффициент поглощения составлял около 0,9 см-1. Максимальная температура нагрева составила 58 С, что на 22 % меньше чем в случае использования накачки с эффективным коэффициентом поглощения 2 см-1. Перепад температуры в активной части кристалла был снижен на 58% и составил 17 С. Перепад температуры в нелегированных концах активного элемента уменьшился на 35% и составил 28 0С.

А Б Температура, C 0 10 20 30 40 50 Координата, мм В Рис.4 Фотографии интерференционных картин от активного элемента, нагретого излучением накачки мощностью около 200 Вт (А – 2 см-1, Б – 0,9 см-1). График распределения температуры вдоль пластинчатого АЭ, 2 см-1 (), 0,9 см-1 ().

Была проведена оценка максимальной поглощенной мощности накачки, при которой перепады температуры вдоль пластинчатого АЭ достигают критического значения, после которого происходит разрушение элемента. При выбранной концентрации активатора и длине волны накачки в районе 793 нм суммарная поглощенная мощность ограничена значением около 440 Вт.

Во втором разделе представлены результаты исследований термооптических искажений тестового лазерного пучка в пластинчатом активном элементе с зигзагообразным ходом пучка. Проведена оценка фокусного расстояния тепловой линзы, формирующейся в пластинчатом активном элементе, при различных системах фокусировки диодной накачки.

Оценка фокусного расстояния тепловой линзы проводилась по отклонению нескольких тестовых лазерных пучков, распространяющихся зигзагообразным образом через неоднородно нагретый излучением накачки АЭ.

По изменению расстояния между парами точек было вычислено фокусное расстояние линзы, как в направлении зигзаг-хода лучей, так и в перпендикулярном направлении – параллельно плоскостям полного внутреннего отражения. Накачка активного элемента осуществлялась диодными модулями с волоконным выходом с однолинзовым фокусирующим объективом. На рис. представлены распределение поглощенной мощности накачки в сечении пластинчатого АЭ и фотографии тестовых пучков, прошедших через АЭ при различных поглощенных мощностях накачки.

А Б Рис. 5 (А) Распределение поглощенной мощности накачки в сечении пластины. (Б) Фотографии тестовых пучков, прошедших через АЭ, при различных мощностях накачки.

Из представленных фотографий видно, что при повышении мощности накачки происходит фокусировка пробного излучения как X-направлении (направление зигзаг-хода), так и в Y-направлении (параллельном плоскостям полного внутреннего отражения). Оптическая сила линзы в Y-направлении достигала величины 3 дптр, а в X-направлении в случае пары нижних пучков до 4 дптр при поглощенной мощности накачки около 200 Вт. Наличие тепловой линзы в направлении зигзагообразного хода пучка, по-видимому, связано с сильно неоднородным профилем накачки как в сечении пластинчатого АЭ (рис.

5А), так и вдоль оптической оси АЭ (рис. 3Б). Это приводит к высоким градиентам температуры, механическим напряжениям и возможному искривлению плоскостей полного внутреннего отражения.

Для получения более однородного профиля поглощенной мощности накачки в сечении пластинчатого АЭ при использовании диодных модулей с волоконным выходом был разработан трехлинзовый объектив. Оценка возникающих термооптических искажений пучка при данной конфигурации накачки была произведена интерференционным методом. На рис.6 представлены распределение поглощенной мощности в сечении пластины при использовании разработанного объектива и интерференционные картины фазовых искажений тестового пучка при различных мощностях накачки.

А Б Рис. 6 (А) Распределение интенсивности излучения накачки в сечении пластины. (Б) Интерференционные картины фазовых искажений тестового пучка при различных мощностях накачки.

Данные картины позволили оценить оптическую силу тепловой линзы, которая в Y-направлении составила 1,85 дптр при поглощенной мощности накачки 377 Вт. В случае неоднородного профиля пучка накачки в сечении АЭ (рис. 5А) тепловая линза аналогичной оптической силы наблюдалась при более чем вдвое меньшей мощности накачки. В Х-направлении (направление зигзагообразного хода пучка) оптическая сила тепловой линзы составляла менее 0,5 дптр при поглощенной мощности накачки 377 Вт.

Четвертая глава работы посвящена исследованию генерационных характеристик лазера на основе пластинчатого активного элемента Nd:YAG с зигзагообразным ходом пучка.

В первом разделе представлены результаты экспериментов по изучению природы потерь в активном элементе с зигзагообразным ходом пучка и измерения коэффициента усиления слабого сигнала. Показано, что потери в пластинчатом АЭ при зигзагообразном ходе пучка определяются качеством защитного покрытия на плоскостях полного внутреннего отражения. Было предложено использовать кремнийорганический компаунд СИЭЛ 159-274 с показателем преломления, равным 1,46, в качестве защитного покрытия на плоскостях ПВО (толщина покрытия составляла 30-50 мкм). При использовании просветляющего покрытия на плоскостях ПВО на длину волны 805 нм и защитного слоя полимера СИЭЛ потери на одно полное внутреннее отражение составили 0,45 %.

Были также проведены измерения коэффициента усиления слабого сигнала для двух эффективных коэффициентов поглощения излучения накачки 0,7 см-1 и 2 см-1. На рис. 7 представлены графики зависимости коэффициента усиления от поглощенной мощности накачки для случая однократного прохода пучка через усиливающую среду.

K=P/P 2,1,1,1,1,1,1,1,1,100 150 200 250 300 350 4Поглощенная мощность, Вт Рис. 7 Коэффициент усиления тестового излучения в зависимости от поглощенной мощности накачки при различных коэффициентах поглощения накачки ( - =0,7 см-1, - =2 см-1) В случае коэффициента поглощения 2 см-1 значение коэффициента усиления ограничено величиной около 1,5. Одним из основных явлений, ограничивающих в данном случае коэффициент усиления, могут быть потери энергии возбуждения вследствие паразитной генерации на замкнутых внутренних модах. При коэффициенте поглощения 0,7 см-1 коэффициент усиления составил 2 (g0 = 0,17) при поглощенной мощности накачки 350 Вт. Для того чтобы учесть эффект снижения коэффициента усиления, связанный с нагревом активной среды, были проведены эксперименты в квазинепрерывном режиме с частотой повторения импульсов накачки 10 Гц (скважность 10).

Снижение коэффициента усиления при работе в непрерывном режиме по сравнению с квазинепрерывным режимом составило около 20%.

Во втором разделе представлены результаты исследований многопроходного усилителя на основе пластинчатого активного элемента Nd:YAG с зигзагообразным ходом пучка. За счет использования различного числа полных внутренних отражений (различные углы падения на входной торец АЭ) реализован четырехпроходный усилитель на основе пластинчатого АЭ. Зависимости мощности сигнала от поглощенной мощности накачки для непрерывного и квазинепрерывного режима работы представлены на рис. 8. В непрерывном режиме работы была достигнута мощность сигнала 10 Вт при коэффициенте усиления 10 при поглощенной мощности накачки около 380 Вт.

Показано, что основным фактором, ограничивающим усиление в многопроходной схеме, является возникающая в пластинчатом АЭ тепловая линза, которая приводит к фокусировке пучка внутри АЭ и к его частичному виньетированию на выходном торце элемента.

100 200 300 400 5Поглощенная мощность, Вт Рис. 8 Зависимость мощности сигнала от поглощенной мощности накачки в четырехпроходном усилителе для непрерывного() и квазинепрерывного режима работы() Мощность сигнала, Вт Третий раздел посвящен исследованию генерационных характеристик лазера на основе пластинчатого активного элемента Nd:YAG. Эксперименты были проведены для двух систем фокусировки излучения накачки, которые обеспечивали различное распределение поглощенной мощности накачки в сечении пластины. Исследования проводились в плоском резонаторе с коэффициентом отражения выходного зеркала 75%. На рис. 9А представлены генерационные характеристики в квазинепрерывном режиме работы при использовании однолинзового объектива для фокусировки излучения накачки (см. рис. 5А).

А Pвых, Вт =10 мсек y = 0,2021x - 18,6=20 мсек =40 мсек =70 мсек Непрерывный режим Pнак, Вт 100 150 200 250 3 Б Pвых, Вт 1y = 0,34x - 30,10 отражений в АЭ 112 отражений в АЭ 0 50 100 150 200 250 300 350 4Pнак, Вт Рис. 9 Генерационные характеристики лазера с пластинчатым активным элементом при различных конфигурациях продольной накачки (А – однолинзовый объектив фокусировки, Б – трехлинзовый объектив фокусировки) В случае неоднородного распределения поглощенной мощности накачки в сечении пластинчатого АЭ большие значения тепловой линзы приводят к срыву генерации в непрерывном режиме. При использовании трехлинзового объектива распределение поглощенной мощности в сечении АЭ существенно более однородно (рис. 6А). При его использовании была достигнута выходная мощность генерации 105 Вт при поглощенной мощности накачки 410 Вт (рис. 9Б). Дифференциальный КПД составил 34%, порог генерации около 90 Вт, расходимость излучения в направлении зигзагообразного хода пучка составила около 7,5 мрад, что всего в несколько раз превышает дифракционный предел.

В заключение диссертации сформулированы основные выводы работы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 1. Экспериментально и теоретически показано, что распределение температуры вдоль композитного пластинчатого АЭ при продольной накачке сильно зависит от эффективного коэффициента поглощения излучения накачки.

Экспериментально показано, что снижение коэффициента поглощения с 2 см-до 0,9 см-1 снижает максимальную температуру нагрева на 22%, а перепад температуры в активной части пластины более чем в два раза. Проведены экспериментальные оценки максимальной поглощенной мощности накачки, при которой возникают критические перепады температуры в АЭ. Для эффективного коэффициента поглощения 0,9 см-1 значение поглощенной мощности накачки составило около 440 Вт.

2. Экспериментально показано, что неоднородное распределение поглощенной мощности накачки в сечении пластинчатого АЭ и вдоль пластины приводит к сильным искажениям проходящего пучка. Фокусировка наблюдалась как в направлении зигзагообразного хода пучка (оптическая сила термолинзы до 4 дптр), так и в ортогональном направлении (оптическая сила термолинзы до 3 дптр) при поглощенной мощности накачки 200 Вт. При использовании более однородного профиля поглощенной мощности накачки оптическая сила термолинзы в направлении зигзагообразного хода была снижена более чем на порядок и в несколько раз в ортогональном направлении.

3. Проведено экспериментальное исследование потерь при зигзагообразном ходе пучка в пластинчатом АЭ. Показано, что основным фактором являются потери в защитном слое, нанесенном на плоскости полного внутреннего отражения (ПВО) активного элемента. Предложено использовать в качестве защитного покрытия на плоскостях ПВО кремнийорганический компаунд СИЭЛ, наносимый в условиях «чистой комнаты».

4. Реализован четырехпроходный усилитель на основе пластинчатого активного элемента Nd:YAG с зигзагообразным ходом пучка с коэффициентом усиления 10 при поглощенной мощности накачки 380 Вт. Показано, что основным фактором, ограничивающим усиление в исследованной схеме, является возникающая в активном элементе тепловая линза и дополнительные потери излучения за счет виньетирования пучка на выходном торце АЭ.

5. Реализован лазер на основе пластинчатого активного элемента Nd:YAG с покрытием на плоскостях ПВО в виде полимера СИЭЛ с зигзагообразным ходом пучка. Выходная мощность составила 105 Вт при поглощенной мощности накачки 410 Вт, дифференциальный КПД - 34 %, расходимость излучения в направлении зигзагообразного хода пучка - 7,5 мрад, что всего в несколько раз превышает дифракционную расходимость.

Список публикаций по теме диссертации 1) А.Д. Ляшедько, Г.А. Буфетова, В.Ф. Серегин, В.Б. Цветков, И.А.

Щербаков, «Изучение термооптических искажений в пластинчатом активном элементе с зигзагообразным ходом пучка», Краткие сообщения по физике Физического института им. П.Н. Лебедева РАН, №1, стр. 43-52 (2012) 2) A.D. Lyashedko, V.F. Seregin, I.A. Shcherbakov, and V.B. Tsvetkov, “Polymer coated Nd:YAG slab laser with 100 W output power”, Laser Physics Letters, 9, pp. 340-343 (2012) Публикации на конференциях 1) G.A. Bufetova, A.D. Lyashedko, V.F. Seregin, V.B. Tsvetkov, I.A.

Shcherbakov, “ Temperature profile of the end pumped Nd:YAG zigzag slab laser ”, 18th International Laser Physics Workshop (LPHYS'09), Book of Abstracts, p.4.(2009) 2) Ляшедько А.Д., Серегин В.Ф., Цветков В.Б., Щербаков И.А., «Изучение термооптических искажений в активном элементе с зигзагообразным ходом пучка», Сборник докладов 4-ой Всероссийской школы для студентов, аспирантов, молодых ученых и специалистов по лазерной физике и лазерным технологиям, стр. 171-173, Саров: ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ» (2010) 3) А.Д. Ляшедько «Изучение термооптических искажений в активном элементе с зигзагообразным ходом пучка», Конференция молодых ученых НЦЛМТ ИОФ РАН, г. Москва. Сборник тезисов, стр. 13 (2010) 4) А.Д. Ляшедько «Изучение термооптических искажений в твердотельных лазерных системах высокой средней мощности», XVII Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов 2010», г. Москва. Материалы конференции, стр. 25 (2010) 5) А.Д. Ляшедько, Д.А. Лисицын, В.Ф. Серегин, В.Б. Цветков, «Многопроходный усилитель на основе пластинчатого активного элемента с зигзагообразным ходом пучка», Сборник докладов 5-ой Всероссийской школы для студентов, аспирантов, молодых ученых и специалистов по лазерной физике и лазерным технологиям, стр. 205-211, Саров: ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ» (2011) 6) A.D. Lyashedko, G.A. Bufetova, V.F. Seregin, V.B. Tsvetkov, I.A.

Shcherbakov, “Thermooptical distortions in a Nd:YAG slab with a zigzag beam propagation” in: Proc. of the Conference on Lasers and Electro-Optics/Europe (CLEO/Europe 2011), Munich, Germany, paper CA_P7) А.Д. Ляшедько, В.Ф. Серегин, В.Б. Цветков, «Лазер на основе пластинчатого активного элемента с зигзагообразным ходом пучка с выходной мощностью более 100 Вт», Сборник трудов 10-ой Всероссийской конференции «Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники и волоконной оптики: физические свойства и применение», стр. 85, Саранск: Изд-во Мордов. ун-та (2011) 8) А.Д. Ляшедько, Д.А. Лисицын, В.Б. Цветков, «Изучение термооптических эффектов в пластинчатом Nd:YAG лазере с поперечной диодной накачкой», Конференция молодых ученых НЦЛМТ ИОФ РАН, г.

Москва. Сборник тезисов, стр. 25 (2012) Цитируемая литература 1) В.А. Бученков, И.Б. Витрищак, В.Г. Евдокимова, Л.Н. Сомс, А.И.

Степанов, В.К. Ступников, «О температурной зависимости усиления моноимпульсов в АИГ:Nd3+ », Квантовая электроника, 8, стр. 1170-1176 (1981) 2) W.Koechner, “Solid State Laser Engineering”, Springer, New York, 747 p.

(2006) 3) А.Л.Микаэлян, В.В.Дьяченко, «Явление сохранения волнового фронта в сильно деформированных твердых телах», Письма в ЖЭТФ, 16, стр. 25-(1972) 4) W.S.Martin, J.P.Chernoch, “Multiple internal reflection face pumped laser” Patent № 3533126, USA (1972) 5) Gregory D. Goodno, Stephen Palese, Joseph Harkenrider, and Hagop Injeyan, “High average-power Yb:YAG end-pumped zig-zag slab”, Advanced SolidState Lasers Conference, 2001 Technical Digest, pp. 2-






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.