ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА, 2015, том 34, № 8, с. 15-20
= ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ =
УДК 621.373
ГОЛОГРАФИЧЕСКАЯ САМОМОДУЛЯЦИЯ ДОБРОТНОСТИ ИАГ:Ш3+-ЛАЗЕРОВ С ДИОДНОЙ НАКАЧКОЙ И ПАССИВНЫМ ЗАТВОРОМ НА КРИСТАЛЛЕ ИАГ:Сг4+
© 2015 г. А. П. Погода1*, С. Н. Сметанин2, М. Н. Ершков2, И. С. Хахалин1, В. Ф. Лебедев1, А. С. Борейшо1
1Балтийский государственный технический университет "ВОЕНМЕХ" им. Д.Ф. Устинова, Санкт-Петербург 2Ковровская государственная технологическая академия им. В.А. Дегтярева *Е-таП: Pogoda@lsystems.ru Поступила в редакцию 09.11.2014
Проведены исследования параметров генерации ИАГ:Мё3+-лазеров с многопетлевыми самоорганизующимися ОВФ-резонаторами при использовании пассивного лазерного затвора на кристалле ИАГ:Сг4+. Показано, что модуляция добротности ОВФ-резонатора обусловлена не только насыщением поглощения пассивного затвора, но и модуляцией дифракционной эффективности голографических решеток насыщающегося усиления активной лазерной среды на кристалле ИАГ:Мё3+.
Ключевые слова: решетка усиления, пассивный затвор, петлевой резонатор.
Б01: 10.7868/80207401X15080178
1. ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время мощные твердотельные лазеры находят все более широкие области применения благодаря их компактности, стабильности в работе, сравнительно низкой стоимости и простоте в эксплуатации. Однако среды твердотельных лазеров подвержены значительным термооптическим искажениям, что приводит к ограничению мощности и эффективности лазерной генерации, а также снижению пространственного, временного и спектрального качества лазерного излучения. Кристалл иттрий-алюминиевого граната (ИАГ) У3Л1504, зарекомендовавший себя в качестве одной из наилучших тверд отельных лазерных сред [1], имеет относительно высокую лучевую стойкость и подвержен наименьшим термооптическим искажениям по сравнению с другими твердотельными средами. Активация кристалла ИАГ ионами №3+ обеспечивает генерацию лазерного излучения на длине волны 1.064 мкм при накачке излучением с длиной волны 0.808 мкм, а легирование кристалла ИАГ ионами Сг4+ позволяет использовать эту среду (ИАГ:Сг4+) в качестве пассивного лазерного затвора для ИАГ:Мё3+-лазера, что повышает мощность и сокращает длительность выходных лазерных импульсов. Легирование разнородными ионами может быть выполнено даже на одном и том же элементе, что значительно упрощает лазерную систему, а накачка лазерными диодами обеспечивает высокий КПД генерации и компактность устройства. В связи с этим актуальной
является задача использования кристалла ИАГ:Мё3+ в качестве активного лазерного элемента (АЛЭ) и кристалла ИАГ:Сг4+ в качестве пассивного лазерного затвора (ПЛЗ) для получения излучения с высокими мощностью и качеством в различных адаптивных схемах резонаторов с обращением волнового фронта (ОВФ) на гологра-фических решетках усиления непосредственно в лазерной среде при узкополосной накачке мульти-киловаттными лазерными диодными матрицами.
Лазер на кристалле ИАГ:Мё3+ с ОВФ непосредственно в лазерной среде излучаются на протяжении последних 25 лет [2—9], но по вопросам физики пассивной модуляции добротности таких лазеров уделено недостаточно внимания. Известно [2, 5], что использование ПЛЗ в таких лазерах приводит к генерации очень мощных наносе-кундных лазерных импульсов, однако механизм модуляции добротности резонатора ОВФ-лазера до сих пор не выявлен. В настоящей работе проведены теоретическое и экспериментальное исследования, позволяющие восполнить данный пробел. Показано, что модуляция добротности ОВФ-резонатора обусловлена не только насыщением поглощения пассивного затвора на кристалле ИАГ:Сг4+ (как в обычных лазерах с пассивной модуляцией добротности), но и модуляцией дифракционной эффективности голографиче-ских решеток насыщающегося усиления активной лазерной среды на кристалле ИАГ:Мё3+.
ПЛЗ
а
АЛЭ
МВт/см2 150
100
50
П15, %
1
■ 0.15 1 "
К
■ °.1° 2 / V
! V
-----------у- . 1 V -
. * ч 4
= 0.05-. ^ ■ - - - ^ ; ■ ...
0
357.0
Т, % 1.0
0.5
357.2 357.4
t, мкс
ЛоЩ;, МВт/см2 П15, % "
150- 0.15
100- 0.10
50- 0.05 2 | ^
100 200 300 400 500 t, мкс
ПЛЗ
б
АЛЭ
МВт/см2 150
100
50
Л19, 10-2 % 0.15 0.10 0.05
0
351.0
Т, % 1.0
0.5
351.2 351.4
t, мкс
Т, % ЛоЩ;, МВт/см2 2 % Т, %
1.0 150100- 0.15 0.10 1.0
0.5 0 50- 0.05 4 2 3 / у' 0.5 0
100 200 300 400 500 t, мкс
Рис. 1. Оптические схемы исследуемых лазеров и соответствующие результаты моделирования кинетики их генерации: а — схема с взаимодействием шести пучков (лазер 1); б — схема с взаимодействием десяти пучков (лазер 2); в и г — результаты расчета кинетики генерации для лазеров 1 и 2 соответственно: 1 — интенсивность лазерного излучения (сплошная линия), 2 — дифракционная эффективность доминирующей решетки усиления (штриховая линия), 3 — пропускание пассивного лазерного затвора (штрих-пунктирная линия).
2
0
0
0
0
2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ
На рис. 1а и б представлены оптические схемы исследуемых ИАГ:Мё3+/ИАГ:Сг4+-лазеров с многопетлевыми самоорганизующимися ОВФ-резона-торами. На рис. 1а показана схема, реализующая попарное взаимодействие шести пучков непосредственно в лазерной среде (лазер 1), а на рис. 1б — схема с взаимодействием десяти пучков (лазер 2). Генерация данных лазеров без ПЛЗ исследована нами в работе [9]. Было показано, что генерация обусловлена самоорганизацией множества динамических голографических решеток усиления в лазерной среде, записываемых каждой парой взаимодействующих волн и дающих обратную связь для формирования ОВФ-резонатора. Увеличение числа решеток при добавлении петель обратной связи резонатора приводило к снижению порога генерации и повышению эффективности последней.
Количество решеток усиления находится как число сочетаний пар волн, вступающих в многоволновое взаимодействие в лазерной среде, т.е. (Ы — Ы)/2, где N — число взаимодействующих волн. Так, для лазера 1 (с взаимодействием шести пучков) имеем 15 решеток, а для лазера 2 (с взаимодействием десяти пучков) число решеток увеличивается до 45. В работе [10] мы проанализировали дифракционную эффективность множества решеток усиления в многопетлевой схеме ОВФ-лазера. Было показано, что наиболее эффективными являются решетки усиления, в записи которых обязательно участвует наиболее интенсивная волна, идущая на выход лазера, так как она обеспечивает наибольшее насыщение усиления. За исключением решетки, записываемой встречными волнами, не дающей обратной связи для генерации, число таких наиболее эффективных решеток равно N — 2, т.е. четыре решетки для схемы рис. 1а и восемь решеток для схемы рис. 1б. В на-
ТОПОГРАФИЧЕСКАЯ САМОМОДУЛЯЦИЯ ДОБРОТНОСТИ ИАГ:Ш3+-ЛАЗЕРОВ 17
стоящем исследовании выявлено, что доминирующее влияние на генерацию оказывает решетка, записанная наиболее интенсивной и наименее интенсивной волнами, благодаря тому, что дифрагирующее на ней лазерное излучение испытывает наибольшее число проходов усиливающей лазерной среды за обход резонатора.
Дифракционная эффективность решетки усиления, записываемой 1-й и]-й волнами, находится как [7]
О[(а-а;>-) Ь/ 4]2,
(1)
где Ь — длина АЛЭ; а — коэффициент усиления, усредненный по пространству АЛЭ; а^ — коэффициент усиления в максимуме интерференции 1-й и]-й волн, пересекающихся в АЛЭ; О — усиление за проход АЛЭ, которое определяется как
О = ехр[(а- ж)Ь], (2)
где ж — коэффициент вредных потерь АЛЭ.
В работе [7] разработана точечная модель активной лазерной среды для моделирования кинетики генерации ОВФ-лазеров с многопетлевыми резонаторами, где параметры (1) и (2) являются точечными параметрами активной лазерной среды. В работе [8] данная модель была дополнена для описания пассивной модуляции добротности резонатора с помощью насыщающегося поглотителя, точечным параметром которого является его пропускание
Т = ехр[-(|а + х)Ье],
(3)
где Ьд — длина ПЛЗ, ц — коэффициент насыщающегося поглощения ПЛЗ (ц = ц 0 в начальном состоянии, ц = 0 в просветленном состоянии), х — коэффициент вредных потерь ПЛЗ (обуславливает остаточные потери в просветленном состоянии). В настоящей работе мы используем данную модель для моделирования кинетики генерации в ИАГ:Мё3+/ИАГ:Сг4+-лазерах, построенных по схемам рис. 1а (лазер 1) и б (лазер 2).
Входными параметрами расчета являются интенсивность 1р излучения лазерных диодов накачки и начальное пропускание ПЛЗ Т0. Интенсивность накачки 1р определяет значение предельного коэффициента усиления АЛЭ в отсутствие лазерного
излучения: а0 = , где <5ет — эффек-
тивное сечение вынужденного излучения, —
концентрация активных ионов, 1ра' — интенсивность насыщения поглощения на длине волны накачки [11]. Параметр а0 подставляется в скоростные уравнения для изменения коэффициентов усиления лазерной среды, а и а^, в процессе развития генерации [7].
Предельное значение усиления за проход лазерной среды, О0 = ехр[(а0 — ж)Ь], зависит не только от параметра а0 (и соответственно от 1р), но и от длины среды Ь. Поэтому малую интенсивность накачки можно компенсировать увеличением длины среды. Длина АЛЭ принималась равной Ь = 11 см, что соответствует нашему эксперименту. Параметр Т0 определяет начальное значение ц0 коэффициента поглощения ПЛЗ (по формуле (3) при ц = ц0 и Т = Т0), которое подставляется в скоростное уравнение для изменения коэффициента поглощения ПЛЗ ц в процессе развития генерации [8].
Моделирование показало, что лазеры 1 и 2 обладают порогом генерации, слабо зависящим от начального пропускания ПЛЗ. В схеме лазера 1 (рис. 1а) пороговая интенсивность накачки оказалась высока — 0.19 кВт/см2. В схеме лазера 2 (рис. 1б) этот параметр снижался до 0.13 кВт/см2. Из-за того, что при низких интенсивностях накачки (менее 0.3 кВт/см2) лазер 1 находится в припороговом режиме, характеристики его генерации при Т0 < 30% оказались ниже, чем у лазера 2, но увеличение интенсивности накачки выше характеристического значения, составляющего 0.3 кВт/см2, приводило к тому, что лазер 1 выдавал лучшие выходные характеристики, т.е. при высокоинтенсивной накачке можно отказаться от дополнительных петель обратной связи резонатора.
Рисунки
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.