WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. 10 07;12 Двухпроходный лазерный усилитель на парах меди с высокой пиковой мощностью © В.Т. Карпухин, М.М. Маликов Объединенный институт высоких температур РАН, 125412 Москва, Россия e-mail: mmalikov@oivtran.iitp.ru (Поступило в Редакцию 12 января 2005 г.) Приводятся новые результаты исследования двухпроходного усилителя, выполненного по особой схеме [1,2], позволившей существенно увеличить пиковую мощность лазерных импульсов [3] при сохранении средней мощности излучения и мощности накачки на прежнем уровне. В данной работе достигнута пиковая мощность импульсов излучения 305 kW при средней мощности излучения лазерной системы 25 W.

Обсуждаются физические вопросы, связанные с работой такого усилителя, и его перспективы.

Введение ходом и с поляризационной развязкой лучей (рис. 1).

Система состояла из задающего генератора 1, коллиСоздание лазерных систем на самоограниченных пематора 2, поляризационного разветвителя (призма Глареходах с высокой пиковой мощностью излучения явна) 3, усилительного какада 4 и блока возврата лучей 5, ляется актуальной задачей для ряда практических привключающего в себя четвертьволновую фазовращающую ложений, таких как преобразование частоты излучения пластинку 6 и плоское зеркало 7.

с помощью нелинейных кристаллов, накачка лазеров на Задающий генератор 1 (серийная лазерная трубка красителях, микрообработка некоторых материалов и др.

LT-1Cu [4]) был снабжен неустойчивым резонатором Ранее [1,2] нами предлагалось использовать для увели(зеркала 8, 9) с коэффициентом увеличения M = 5 и чения пиковой мощности излучения лазера на парах поляризатором (призма Глана) 11 и излучал импульсы меди схему многопроходного усилителя. За счет особого с горизонтальной (в плоскости рисунка) поляризацией его исполнения можно повысить пиковую мощность в электрического вектора E с длинами волн 0.51 и несколько раз при тех же энерговкладах в активную 0.578 µm и частотой следования 10 kHz. Телескопичесреду и энергосхемах.

ский коллиматор 2, состоящий из двух вогнутых сфериЭффект достигается путем многократного прохождеческих зеркал 8, 9, увеличивал диаметр луча задающего ния через активную среду усилителя лазерного импульгенератора до 20 mm и частично задерживал его суса задающего генератора (ЗГ) с достаточно крутыми перлюминесцентный фон, выделяя с помощью диафрагфронтами и с длительностью 0s, более короткой, чем мы 10 из пучка излучения ядро с расходимостью in, время существования инверсии inv в активной среде равной примерно пяти дифракционным расходимостям.

усилительного каскада. Как показано экспериментально Мощность излучения ЗГ на входе в усилительный касв [3], короткий входной импульс отбирает от активной среды и аккумулирует в себя примерно столько же энергии, что и длинный входной импульс с 0s inv в однопроходной схеме (с одинаковым объемом активной среды), и поэтому имеет более высокую амплитуду, приблизительно в inv/0s раз. Из качественных соображений в [3] получены также соотношения, устанавливающие оптимальную взаимосвязь параметров 0s, inv, длины активной среды усилителя — Lamp и времени задержки луча del в блокаx разворота луча многопроходного усилителя на парах меди (МУПМ). В данной работе уделено внимание экспериментальной проверке этих отношений и осуществлено техническое совершенствование схемы МУПМ. Получены более высокие параметры излучения.

Рис. 1. Схема эксперимента: 1 — задающий генератор; 2 — коллиматор; 3 — поляризационный разветвитель; 4 —усилиОписание эксперимента тельный каскад; 5 — блок возврата луча; 6 — фазовращающая пластинка; 7 — плоское зеркало; 8, 9 — зеркала; 10 — В экспериментах использовалась простейшая схема диафрагма коллиматора; 11 — поляризатор ЗГ; 12, 13 — двухпроходного усилителя на парах меди со встречным зеркала резонатора ЗГ; 14, 15 — окна усилительного каскада.

70 В.Т. Карпухин, М.М. Маликов кад Win составили 0.3 W, а длительность 0s 12-13 ns Результаты экспериментов по основанию. Дополнительно в ряде экспериментов в и обсуждение качестве ЗГ использовалась более мощная серийная лазерная трубка LT-3 Cu [4], позволившая довести уровень Осциллограммы импульсов Uin(t) от ЗГ на базе трубок мощности Win до 0.7–0.9 W при M = 230. Длительность LT-1 Cu и LT-3 Cu и соответствующие им импульсы на 0s в этом случае имела величину 17 ns, а величина in выходе двухпроходного усилителя Uout(t) представлены равнялась трем дифракционным расходимостям. на рис. 2, a, b и рис. 3, a, b. Для обоих вариантов подбиралась своя оптимальная величина Ldel (соответственно Отметим, что в отличие от [3] применение в данной del). Как видно из рис. 3, a, форма импульса задающего работе неустойчивого резонатора ЗГ, зеркального коллигенератора LT-3 Cu на входе в усилитель не была гладматора с пространственной фильтрацией, качественных кой, а состояла из трех „горбов“, величина 0s составила оптических окон, зеркал и модернизация источника 17 ns. Длительность импульсов на выходе двухпроходнакачки ЗГ позволили получить на входе в усилительный ного усилителя немного выросла, примерно на 2–3ns в каскад луч со значительно меньшей расходимостью и обоих вариантах. Наибольшее увеличение пиковой мощбольшей мощностью. Кроме того, существенно уменьности получено с более коротким и гладким импульсом шились хроматические аберрации и астигматизм луча 0s 12.5 ns. Как видно из осциллограмм (рис. 2, b), на входе в усилительный каскад и выходе из него.

пиковая мощность 1 на выходе усилителя, суммарная по Усилительный каскад 4 выполнен на базе трубки ГЛ-201 с длиной рабочей камеры Lamp = 80 cm, диаметром 20 mm. Величина inv составляла 35 ns (по основанию) при типовой средней мощности накачки в 3.0–3.2 kW, на частоте следования импульсов 10 kHz.

Луч J+ с горизонтальной поляризацией входил в активную среду усилителного каскада 4 через сечение A и поступал в блок возврата 5. Луч J-, идущий в обратном направлении, приобретал ортогональную поляризацию вектора E, поэтому он не интерферировал с лучом J+ и выводился из системы поляризационным разветвителем 3 в сторону.

Величина del и соответственно ей расстояние Ldel от сечения B разрядной камеры с активной средой усилительного каскада до зеркала 7 выбирались такими, чтобы удовлетворить приведенным в [3] соотношениям для двухпроходной схемы при заданной величине 0s.

Отношение inv/0s менялось в экспериментах от двух до трех.

Средняя по частоте следования мощность Win излучения перед входом в усилительный каскад 4 и средняя мощность усилительного излучения Wout измерялись калориметрическим прибором ИМО-4С. Соответствующие им формы импульсов излучения Uin(t), Uout(t) регистрировались с помощью фотоэлементов ФЭК-22спу и стробоскопического осциллографа (с полосой 3.7 GHz).

Осциллограммы импульсов излучения привязывались к оси времени с учетом задержек в оптических измерительных трактах и для двухпроходного варианта соответствуют положению импульсов Uin(t), Uout(t) в сечении A.

Для сравнения использовались результаты экспериментов с однопроходным усилителем, полученные в [3,5] на этом же усилительном каскаде при тех же мощностях накачки. При этом использовался ЗГ, излучающий импульсы с длительностью, равной длительности инРис. 2. a — импульсы ЗГ-LT-1 Cu на входе в усилитель.

версной заселенности в усилительном каскаде 35 ns.

Win = 0.3W. b — импульсы излучения на выходе усилителя.

Максимальные величины для однопроходного усилителя 1 — суммарный по длинам волн, 2 — = 0.51, 3 —0.578 µm.

составляли Wout = 23 W и Uout = 136 kW соответственно.

ЗГ-LT-1 Cu.

Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. Двухпроходный лазерный усилитель на парах меди с высокой пиковой мощностью Из приведенных выше результатов следует, что при переходе от однопроходного усиления к двухпроходному усилению энергосъем существенно не изменился. Длительность импульса на входе двухпроходного усилителя осталась приблизительно равной длительности входного импульса и вдвое короче импульса суперлюминисценции.

На рис. 4 представлены результаты оптимизации двухпроходного усилителя по пиковой мощности от величин задержки del и длительности импульса 0s при неизменном режиме возбуждения усилительного каскада (inv = 35-40 ns). Использовались и результаты [3]. Как видно из рисунка, для каждого 0s имеется оптимальное значение del. Сравнивая кривые 1 и 2, полученные с использованием импульсов ЗГ разной длительности 12.и 17 ns (но оба гладкой формы), можно сделать вывод, что такая зависимость соответствует смыслу оптимизационных соотношений [3], которые для двухпроходного усилителя можно записать как:

2 · Lamp 0s inv - - del, (1) c 2 · Lamp 0s + del. (2) c Выражение (1) получено из требования полного перекрытия одним импульсом ЗГ за два прохода временного интервала, в течение которого существует инверсная заселенность в усилительном каскаде. Выражение (2) отражает требование полного заполнения импульсом ЗГ объема с инверсной средой усилительного каскада в течение всего времени существования инверсии. Для заданного 0s при del, существенно меньших, чем те Рис. 3. a — импульсы ЗГ-LT-3 Cu на входе в усилитель.

которые удовлетворяют указанным формулам, импульс Wm = 0.7W. b — импульсы излучения на выходе усилителя.

1 — суммарный по длинам волн, 2 — = 0.51, 3 —0.578 µm.

ЗГ-LT-3 Cu.

длинам волн, достигла 305 kW при средней мощности 25 W (2 относится к зеленой, 3 — к желтой линии генерации). При использовании задающего импульса от LT-3 Cu максимальная пиковая мощность (рис. 3, b) на выходе двухпроходного усилителя составила 210 kW, что ниже результата, полученного в [3] — 240 kW при такой же длительности (17 ns) входного импульса, но гладкой формы. Это свидетельствует о заметном влиянии формы и крутизны фронтов импульса задающего генератора на повышение пиковой мощности.

Отметим, что во всех случаях пиковая мощность двухпроходного усилителя, выполненного по схеме [2], превышала в 1.5–2.2 раза пиковую мощность (136 kW) Рис. 4. Зависимость пиковой мощности импульсов излуусилителя в обычном однопроходном режиме работы чения усилителя от задержки del при: 1 — 0s 12.5ns при одинаковых средних мощностях излучения, накачки и U0s = 5.7kW; 2 — 0s 17.5ns, U0s = 6-9kW; 3 — и объеме рабочей среды. 0s 17 ns, U0s = 3kW [3].

Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. 72 В.Т. Карпухин, М.М. Маликов задающего генератора не будет полностью перекры- ложенный в [1] способ увеличения амплитуды импульвать временной интервал существования инверсной за- са излучения без существенного изменения удельной селенности и пространство рабочего объема усилите- средней мощности. Следует отметить, что в однопроходля, в результате чего часть энергии возбуждения не ных усилителях при использовании импульсов ЗГ блее используется. При del, много больших оптимального коротких, чем длительность инверсии в усилительном значения, задний фронт импульса не успеет выйти из каскаде, также достигается высокая мощность, однако канала до окончания инверсии и часть энергии импульса существенно снижается средняя мощность из-за неполного использования всей энергии инверсии. Так, в [6] будет поглощена. В обоих случаях происходит снижение с использованием трубок в 2–4 раза большего объема амплитуды импульса мощности излучения на выходе получены пиковые мощности в 600 kW при удельных двухпроходного усилителя. Максимум на кривых (рис. 4) средних мощностях, в 7–8 раза меньших, чем в нашей соответствует оптимальным значениям del. С другой стороны, при использовании ЗГ с более коротким им- работе.

пульсом, согласно (2), необходимо уменьшить оптималь- Для уточнения перспективы обсуждаемого способа необходимо дальнейшее проведение как расчетных раную величину del, что и наблюдается в эксперименте, — бот, так и экспериментальных, в частности, с увеличенсдвиг максимумов кривых на рис. 4 влево.

ным числом проходов в усилительном каскаде. Создание Следует отметить, что в (1) имеется значительная таких усилителей позволит эффективно использовать неопределенность в выборе величины inv, поскольку небольшие и поэтому более дешевые лазерные активона зависит от динамики усиления и плотности энерные элементы [4] со средней мощностью излучения на гии лазерного излучения в активной среде лазеров на уровне 10–20 W вместо более дорогих с мощностью в самоограниченных переходах. Кроме того, в (1) и (2) десятки–сотни ватт в технологических системах, где трене учитывается некоторое увеличение длительности имбуется высокая пиковая мощность импульсов излучения.

пульса на выходе усилителя. По всей вероятности, за максимальное значение inv можно принять длительность В заключение авторы выражают благодарность суперлюминесценции (в нашем случае 35–40 ns). Для Н.А. Лябину, А.Д. Чурсину и С.А. Угольникову за теххорошо развитого индуцированного излучения с плотноническое содействие при создании экспериментального стью энергии, на порядок и более высокой, нужно скорее лазерного усилителя на парах меди.

ориентироваться на величину длительности импульса излучения лазера с плоским резонатором (для наших Список литературы условий 25-30 ns). Это подтверждается и данными на рис. 4. Так, если взять из рисунка для кривой [1] Карпухин В.Т., Маликов М.М. А. С. № 2197042. 20.02.2001.

величину оптимальной задержки del 8 ns, а для криБИ. 2003. № 2.

вой 3 — del 14 ns, то, подставив в (1), получим [2] Карпухин В.Т., Маликов М.М. А. С. № 19612. 24.04.2001.

величины inv 26 и 36 ns соответственно. Оценка БИ. 2001. № 25.

плотности энергии электромагнитного поля усреднен[3] Карпухин В.Т., Маликов М.М. // Квантовая электрон. 2003.

ной по длительности лазерного импульса дает 5 и Т. 33. № 5. C. 411.

3.4 µJ/cm3, т. е. более высокой пиковой мощности уси- [4] Лябин Н.А., Чурсин А.Д., Угольников С.А., Королева М.Е., Казарян М.А. // Квантовая электрон. 2001. T. 31. № 3.

лителя соответствует меньшая длительность инверсии.

C. 191–202.

Для более точного описания работы рассматриваемого [5] Карпухин В.Т., Конев Ю.Б., Маликов М.М. // Изв. АН. Сер.

многопроходного усилителя необходимо самогласованфиз. 2002. Т. 66. № 7. C. 934–938.

ное решение кинетических уравнений для заселенности [6] Евтушенко Г.С., Кириллов А.Е., Кругляков В.Л., Полууровней, баланса энергии в плазме и уравнений перенонин Ю.П., Солдатов А.Н., Филонова Н.А. // ЖПС. 1988.

са усиливаемого излучения.

T. 49. № 5. C. 745.

Выводы В данной работе за счет технического совершенствования схемы двухпроходного усилителя на парах меди и использования более короткого импульса задающего генератора по сравнению с предыдущей работой [3] достигнута пиковая мощность (305 kW) импульса выходного излучения. Это в 2.2 раза превосходит пиковую мощность однопроходного усилителя при одинаковых средней выходной мощности 23-25 W, мощности накачки и одинаковом объеме активной среды усилителей.

Pages:     || 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.