ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 2, с. 114-121
ОБЩАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНИКА
УДК 621.375.9
ДВУХВОЛНОВЫЙ 1064/532 нм ИМПУЛЬСНО-ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ¥\С:Ш-ЛАЗЕР С ДИОДНОЙ НАКАЧКОЙ
© 2014 г. А. А. Абышев, Ю. Д. Арапов, А. В. Березин, Р. А. Бызов, А. А. Гладилин, Д. А. Горюшкин, А. Ф. Иванов, Н. В. Корепанов, А. В. Лукин, Г. В. Орехов, С. А. Поляков, М. Ю. Янусов
РФЯЦ-ВНИИ технической физики им. академика Е.И. Забабахина Россия, 456770, Снежинск Челябинской обл., ул. Васильева, 13 E-mail: Brom.snz@rambler.ru Поступила в редакцию 17.04.2013 г. После доработки 18.07.2013 г.
Описан компактный импульсно-периодический YAG^d-лазер с диодной накачкой с параметрами излучения: длина волны 1064 нм, энергия в импульсе 1.2 Дж, длительность импульса 5 нс, частота следования импульсов 100 Гц, расходимость <1.6 мрад. Световой к.п.д. лазера составляет 12%, полный к.п.д. лазерной системы — 4%. В лазере реализованы два режима генерации излучения: на основной частоте и с преобразованием во вторую гармонику с длиной волны 532 нм и энергией в импульсе 0.3 Дж.
DOI: 10.7868/S0032816214020013
1. ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время для целей дальнометрии, локации и лидарных измерений, накачки параметрических генераторов света и титан-сапфировых лазеров востребованы импульсно-периодиче-ские мультиволновые УАО^ё-лазеры с высокой средней мощностью излучения. Такие лазерные системы в основном создаются с ламповой накачкой и представлены рядом разработчиков, например [1—5].
В последние годы при создании твердотельных лазеров, предназначенных для решения широкого класса прикладных задач в науке, промышленности и медицине, наиболее часто используется оптическая накачка лазерными диодами. Для создания мощных твердотельных лазеров с диодной накачкой (т.т.л.д.н.) используются сборки полупроводниковых источников с многоэлементной матричной структурой, обеспечивающих высокие удельные энергетические параметры. Типичные схемные решения существующих и разрабатываемых т.т.л.д.н. приведены в работах [6, 7].
Целью настоящей работы является разработка и экспериментальное исследование мощного компактного импульсно-периодического т.т.л.д.н., созданного на отечественной элементной базе.
Лазерный задающий генератор состоит из кван-трона с активным элементом (а.э.) из кристалла УАО^ё 04 мм и резонатора, образованного двумя плоскими зеркалами 1 и 5 с коэффициентами отражения 99% и 30% соответственно на длину волны излучения 1064 нм, расположенными друг от друга на расстоянии 235 мм. Модуляция добротности резонатора осуществляется электрооптическим затвором 2, состоящим из ячейки Пок-кельса с кристаллом DKDP, тонкопленочного поляризатора, высоковольтного драйвера и блока термостабилизации.
1 2 YAG:Nd 04 мм34 5
ЕЕИ
нМи И^В
7
I
е 1
YAG:Nd 06.3 мм 4 1=18
<f
I
4 YAG:Nd 010 мм 9
Я I 1
12
I
7
R
А 7 7 = 1064 нм 4 7 11
LBO
11
= 532 нм
2. ОПТИЧЕСКАЯ СХЕМА ЛАЗЕРА
Оптическая схема лазера выполнена по принципу "задающий генератор — однопроходные усилители" (рис. 1).
Рис. 1. Оптическая схема лазера. 1, 5 — плоские зеркала резонатора; 2 — электрооптический затвор; 3 — диафрагма; 4 — отрицательная линза; 6 — изолятор Фарадея; 7 — глухое зеркало; 8 — телескоп Галилея; 9 — подвижное глухое зеркало; 10 — спектральное зеркало; 11 — выходное окно; 12 — ловушка излучения.
Рис. 2. Квантроны ИГЛА-6.3 (справа) и ИГЛА-10 (слева).
Диаметр выходного пучка излучения задающего генератора формируется установленной в объем резонатора диафрагмой 3. Параметры задающего генератора: световой к.п.д. в режиме свободной генерации — 25%, частота следования импульсов — 100 Гц, диаметр пучка (по уровню 1/е2) — 3.7 мм, поляризация — линейная (горизонтальная), степень поляризации — 97%, энергия в импульсе — 125 мДж, длительность импульса (по уровню 1/2) — 5 нс, расходимость (по уровню 1/е2) — 2.5 мрад.
Излучение задающего генератора после прохождения через изолятор Фарадея 6 и отражения от зеркал 7 (коэффициент отражения 98% для длины волны 1064 нм и угла падения 45°) направляется в усилители с а.э. из УАО^ё 06.3 и 10 мм. Для компенсации сферической составляющей наведенных в а.э. усилителей положительных тепловых линз используются отрицательные линзы 4 с оптическими силами —0.72 м-1 для квантрона задающего генератора и -0.53, -0.45 м-1 для усилителей с а.э. 06.3 мм и 010 мм соответственно, а также телескоп Галилея 8 с кратностью х1.5.
Лазерный импульс после выходного усилителя с а.э. 010 мм поступает в узел преобразования основного излучения во вторую гармонику. Для удвоения частоты излучения используется кристалл трибората лития ЬВО размером 12 х 12 х 30 мм с ориентацией 9 = 90°, ф = 11.4° (тип синхронизма 881) и рабочей температурой 25°С. Рабочие торцы кристалла ЬВО просветлены на длины волн излу-
чения 1064 и 532 нм с коэффициентом отражения <0.5%.
Излучение второй гармоники выделяется зеркалом 10 (коэффициенты отражения 98% и 5% на длины волн излучения 1064 и 532 нм соответственно) и выводится из лазера через выходное окно 11. Излучение с длиной волны 1064 нм, оставшееся после прохождения кристалла ЬВО, через отрицательную линзу 4 с оптической силой 1 м-1 направляется зеркалами 10 и 7 в ловушку 12
Оптическая сила, 1/м 0.6
0 100 200 300 400 500 600 Мощность накачки, Вт
Рис. 3. Экспериментальные зависимости оптической силы тепловых линз, наведенных в а.э. 06.3 мм (1) и 010 мм (2) квантронов, от мощности накачки.
Рис. 4. Блок-схема источника питания лазера.
с жидкостным охлаждением. Модуль подвижного зеркала 9, управляемый дистанционно, обеспечивает переключение между режимами работы лазера на основной или удвоенной частоте излучения, направляя его на зеркало 7 или в кристалл ЬВО. Угловой диапазон хода зеркала 9 составляет 90° с точностью позиционирования от положения к положению 10'' и временем переключения режимов ~1 с.
3. КОНСТРУКЦИЯ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛАЗЕРА
Конструктивно лазер состоит из следующих основных узлов: лазерного излучателя с системой охлаждения, систем питания и управления.
3.1. Лазерный излучатель
Размеры лазерного излучателя 750 х 270 х 270 мм, масса 45 кг. В лазерном излучателе в качестве усилителей используются квантроны с диодной накачкой ИГЛА-6.3 и ИГЛА-10 разработки ФГУП "РФЯЦ-ВНИИТФ" (рис. 2). Размеры квантро-нов ИГЛА-6.3 и ИГЛА-10 составляют 50 х 85 и 60 х 130 мм, масса квантронов — 0.45 и 0.85 кг соответственно.
В квантронах лазерного излучателя в качестве а.э. используются цилиндрические кристаллы из УАО:Ш3+ производства ООО НПФ ЭКСИТОН (г. Ставрополь) размерами 06.3 х 80 и 010 х х 100 мм с атомной концентрацией активатора 1.1% и 0.5% и длиной накачиваемой области 30 и 60 мм соответственно. Кристаллографические оси а.э. имеют ориентацию "111". Торцы а.э. просвет-
лены на рабочую длину волны излучения 1064 нм с коэффициентом отражения <0.5%.
Оптическое качество а.э. квантронов определялось по числу Штреля [8]. Фазовые искажения в а.э. измерялись в серии экспериментов с использованием интерферометра Маха—Цендера [9], настроенного на полосы бесконечного размера, и интерферометра Физо 1П:е11шт Z100 с фазовым сдвигом по схеме контроля с плоским опорным волновым фронтом, а также датчика волнового фронта Ша-ка—Гартмана ShaH2030. В качестве зондирующего источника излучения использовался одномодовый одночастотный гелий-неоновый лазер с дифракционной расходимостью. В таблице приведены обобщенные результаты измерений пиковых и среднеквадратичных отклонений волнового фронта зондирующего излучения, а также число Штреля для исследованных а.э. при различных значениях средней мощности излучения накачки.
Мощность накачки, Вт Пиковое отклонение, мкм Среднеквадратичное отклонение, мкм Число Штреля, отн. ед.
А.э. 06.3 х 80 мм
0 0.24 0.045 0.93
100 2.5 0.6 <0.1
200 3.3 0.8 <0.1
А.э. 010 х 100 мм
0 0.32 0.06 0.85
200 5.2 1.3 <0.1
400 17.7 4.2 <0.1
Светодиодные индикаторы
и выс Т стаб Синхро
Жидкокристаллический экран
1064 нм > _П_П_8 083 240 SYNHRO
Кнопочные органы управления
Вн. Одиноч. Режим Синхро Пуск
Синхр.
Кварцевый резонатор
Индикация работы
электрооптического
затвора
Индикация режима работы лазера
< Внешний синхросигнал
V V
-220 В
Синхросигнал
на блоки питания
Синхросигнал на драйвер
электрооптического
затвора
Управление
подвижным зеркалом
Питание драйвера электрооптического затвора, подвижного зеркала и панели индикации
Рис. 5. Блок-схема пульта управления лазера.
Влияние аберраций различных типов в а.э. в "горячем" состоянии (при накачке а.э.) определялось с помощью анализа аберрационных компонентов с применением полиномов Цернике. В результате были определены среднеквадратичные деформации волнового фронта излучения при воздействии наиболее сильных аберраций: дефокусировки, клина, комы, астигматизма и сферической аберрации. Установлено, что из всех аберрационных компонентов в а.э., находящихся в "горячем" состоянии, наибольший вклад в искажение волнового фронта лазерного излучения вносят дефокусировка для а.э. 06.3 мм, оптический клин и дефокусировка для а.э. 010 мм (рис. 3). Следует отметить, что указанные аберрации могут быть скомпенсированы использованием элементов классической оптики.
В каждом из усилителей для накачки а.э. использовалось по 6 модулей. Модуль диодной накачки представляет собой одну (для квантрона ИГЛА-6.3) или две (для квантрона ИГЛА-10) матрицы лазерных диодов (м.л.д.) СЛМ-382.5 производства ОАО "НПП Инжект" (г. Саратов), напаянные на водоохлаждаемый теплоотвод. Импульсная мощность одной м.л.д. составляет до 2 кВт, ширина линии излучения накачки — 2.5 нм (по уровню 0.5) с максимумом на длине волны 807 ± 1 нм при температуре на поверхности тепло-отвода матрицы +20°С и частоте следования импульсов накачки 100 Гц, температурный сдвиг спектра м.л.д. 0.25 нм/°С. Размеры поверхности
свечения м.л.д. составляют 25 х 5 мм. Коэффициент полезного действия используемых м.л.д. равен в среднем 51%.
В усилителях ИГЛА-6.3 и ИГЛА-10 используется поперечная накачка а.э. соответственно шестью и двенадцатью м.л.д. с энергией излучения в импульсе до 3 и 6 Дж. В задающем генераторе лазерно
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.