Диапазон управления пиковой мощностью излучения лазера с многопетлевым резонатором путем реализации режима пассивной модуляции добротности

Погода Анастасия Павловна; Бурковский Георгий Витальевич; Макарчук Павел Сергеевич; Хахалин Иван Сергеевич; Борейшо Анатолий Сергеевич

УДК 621.373.826

ДИАПАЗОН УПРАВЛЕНИЯ ПИКОВОЙ МОЩНОСТЬЮ ИЗЛУЧЕНИЯ ЛАЗЕРА С МНОГОПЕТЛЕВЫМ РЕЗОНАТОРОМ ПУТЕМ РЕАЛИЗАЦИИ РЕЖИМА ПАССИВНОЙ МОДУЛЯЦИИ ДОБРОТНОСТИ

Анастасия Павловна Погода

ООО «НПП Лазерные системы», БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова, 190005, Россия, г. Санкт-Петербург, 1-я Красноармейская, 1, научный сотрудник, тел. (921)745-05-46, e-mail: [email protected]

Георгий Витальевич Бурковский

ООО «НПП Лазерные системы», БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова, 190005, Россия,

г. Санкт-Петербург, 1-я Красноармейская, 1, инженер, тел. (953)354-04-77, e-mail: [email protected]

Павел Сергеевич Макарчук

ООО «НПП Лазерные системы», БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова, 190005, Россия, г. Санкт-Петербург, 1-я Красноармейская, 1, инженер, тел. (931)305-40-97, e-mail: [email protected]

Иван Сергеевич Хахалин

БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова, 190005, Россия, г. Санкт-Петербург, 1-я Красноармейская, 1, студент, тел. (904)615-88-66, e-mail: [email protected]

Анатолий Сергеевич Борейшо

ООО «НПП Лазерные системы», БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова, 190005, Россия, г. Санкт-Петербург, 1-я Красноармейская, 1, e-mail: [email protected]

Исследован режим пассивной модуляции добротности насыщающимися поглотителями YAG:Cr4+ и GSGG:Cr4+ импульсного твердотельного Nd-YAG лазера с многопетлевым резонатором лазера. Продемонстрирована возможность управления пиковой мощностью в диапазоне от 130 кВт до 19 МВт при изменении энергии в цуге генерации в пределах 20%, что позволяет обеспечить одинаковый тепловой режим работы лазера. При этом параметр качества излучения составил M = 1.15 - 1.4. Достигнута пиковая мощность в импульсе 28 МВт.

Ключевые слова: твердотельный лазер, диодная накачка, пиковая мощность излучения, пассивная модуляция добротности.

PEAK POWER VARIATION RANGE OF PASSIVELY-Q-SWITCHED LASER WITH MULTILOOP CAVITY RADIATION

Anastasiya P. Pogoda

Laser systems LTD, BSTU «VOENMEH», 190005, Russia, Saint-Petersburg, 1st Krasnoarmeyskaya, 1, researcher, tel. (921)745-05-46, e-mail: [email protected]

George V. Burkovsky

Laser systems LTD, BSTU «VOENMEH», 190005, Russia, Saint-Petersburg, 1st Krasnoarmeyskaya, 1, engineer, tel. (953)354-04-77, e-mail: [email protected]

Pavel S. Makarchuk

Laser systems LTD, BSTU «VOENMEH», 190005, Russia, Saint-Petersburg, 1st Krasnoarmeyskaya, 1, engineer, tel. (931)305-40-97, e-mail: [email protected]

Ivan S. Khakhalin

BSTU «VOENMEH», 190005, Russia, Saint-Petersburg, 1st Krasnoarmeyskaya, 1, student, tel. (904)615-88-66, e-mail: [email protected]

Anatoly S. Boreysho

Laser systems LTD, BSTU «VOENMEH», 190005, Russia, Saint-Petersburg, 1st Krasnoarmeyskaya, 1, Ph. D. Professor, e-mail: [email protected]

3+

Solid-state Nd :YAG diode-pumped laser with multi-loop cavity passively-Q-switched by YAG:Cr4+ and GSGG:Cr4+ saturable absorbers is investigated. Peak power variation range from 130 kW to 19 MW has demonstrated with only 20% variation of the train energy. Beam quality parameter M = 1.15 - 1.4. The extremely high peak power 28MW is reached.

Key words: solid state laser, diode-pumped, peak power, passive-Q-switch.

Ранее в [1] продемонстрирована схема компактного (36х10х10 см) импульсного Nd-YAG лазера с энергией в импульсе свободной генерации до 1.25 Дж и расходимостью близкой к дифракционному пределу (M2 = 1.3) при накачке шестью диодными матрицами с суммарной пиковой мощностью 13.9 кВт. Данные параметры качества достигаются благодаря обращению волнового фронта путем четырехволнового смешения в многопетлевом резонаторе.

В данный момент является актуальным исследование режима пассивной модуляции добротности в таких лазерах. Использование пассивного насыщающегося поглотителя в лазерах с петлевой схемой резонатора позволяет получать цуги гигантских импульсов при сохранении качества излучения. В [2] в лазере с обращением волнового фронта и ламповой накачкой получены значения пиковой мощности излучения до 7 МВт. В [3] показана возможность получения цуга из 4 гигантских импульсов с энергией 120 мДж с пиковой мощностью 1 МВт. В данной работе мы демонстрируем результаты исследования режима пассивной модуляции добротности насыщающимися поглотителями

YAG:Cr4+ и

GSGG:Cr4+ с различными коэффициентами пропускания (5 - 90 %) в лазерах с диодной накачкой и многопетлевым резонатором. Показана возможность изменения пиковой мощности излучения до трех порядков при изменении энергии в цуге гигантских импульсов генерации на 20%, что позволяет сохранять неизменный тепловой режим.

Сравнение эффективности пассивной модуляции добротности в зависимости от положения затвора в схеме показало, что оптимальное положение пассивного лазерного затвора (ПЛЗ) - это область наибольшего пересечения внут-рирезонаторных пучков (рис. 1). Режим пассивной модуляции добротности лазера с многопетлевым резонатором реализуется не только с помощью насыщающегося поглотителя, но и за счет самомодуляции наведенными решетками коэффициента усиления. При этом наличие пассивного лазерного затвора влияет на эффективность работы решеток.

Рис. 1. Схема лазера с многопетлевым резонатором, дополненная ПЛЗ, реализующим режим пассивной модуляции добротности:

- пассивным лазерный затвор, 2 - активный элемент, 3 - зеркала резонатора

Вариация длительности импульса накачки, а также энергии накачки дает возможность управлять количеством гигантских импульсов в цуге, в том числе получать режимы генерации одиночных гигантских импульсов. Энергия одиночного гигантского импульса и пиковая мощность генерации определяется исключительно коэффициентом начального пропускания ПЛЗ и не зависит от интенсивности энергии накачки. Однако из-за потерь энергия накачки, необходимая для развития гигантского импульса в цуге, тем выше, чем меньше интенсивность накачки.

В табл. приведены значения энергии одиночного гигантского импульса при энергии накачки 5.8 Дж, а также количество импульсов при длительности импульса накачки 475 мкс для различных материалов и значений начального пропускания ПЛЗ.

Таблица

Материал ПЛЗ Начальное пропускание, % Энергия в пике, мДж Пиковая мощность, МВт

YAG:Cr4+ 5 174 28

10 132 19

14 110 15

36 30 0.25

90 3.5 0.015

GSGG:Cr4+ 17 66 10

29 55 5.5

54 8 0.13

Максимальная пиковая мощность получена в условиях пассивной модуляции добротности затвором YAG:Cr4+ с начальным пропусканием 5% и составляет 28 МВт. В этом случае энергия в одном гигантском импульсе генерации составляла 174 мДж при длительности импульса 6-7 нс.

Повышение длительности импульса или интенсивности накачки приводит к увеличению количества импульсов в цуге. На рис. 2 представлены осциллограммы, полученные для ПЛЗ GSGG:Cr4+ с различным начальным коэффициентом пропускания.

а)

ПООцэ

Рис. 2. Осциллограммы импульса генерации в режиме пассивно модуляции добротности ПЛЗ GSGG:Cr4+ с начальным пропусканием:

а) 57%; б) 30%; в) 17%

Время развития второго и последующих гигантских импульсов по сравнению с временем развития первого импульса в цуге характеризует эффективность снятия инверсии. Это время не зависит от длительности импульса накачки и номера гигантского импульса, а зависит только от интенсивности накачки. Значит, различия в энергии и длительности каждого импульса носят случайный характер. Это подтверждается высокой энергетической стабильностью пиков в режимах с большой энергией в гигантском импульсе. Энергия в цуге импульсов линейно зависит от количества гигантских импульсов в условиях различной энергии накачки, что видно из графика, изображенного на рис. 3.

Рис. 3. Зависимость энергии в цуге гигантских импульсов от количества импульсов при различных значениях энергии накачки

Варьируя начальное пропускание ПЛЗ возможно осуществлять управление пиковой мощностью в широких пределах при незначительном изменении общей энергии в цуге гигантских импульсов. На рис. 4, а представлена зависимость энергии в цуге, а на рис. 4, б - пиковой мощности от начального пропускания ПЛЗ GSGG:Cr4+ (треугольники) и YAG:Cr4+ (квадраты). Видно, что изменение энергии в цуге в диапазоне от 500 до 700 мДж (всего на 20%), позволяет варьировать пиковую мощность в значительных пределах от 130 кВт до 19МВт. При этом параметр качества излучения М не превосходит 1.4, причем с ростом энергии в гигантском импульсе параметр качества уменьшается до значения М2 = 1.15.

a)

б)

Рис. 4. Зависимости:

а) энергии в цуге; б) пиковой мощности генерации от коэффициента начального пропускания ПЛЗ (YAG:Cr4+ - квадраты, GSGG:Cr4+ - треугольники)

Таким образом, в результате проведенных исследований режима пассивной модуляции добротности насыщающимися поглотителями YAG:Cr4+ и GSGG:Cr4+ импульсного твердотельного Nd:YAG лазера с диодной мультики-ловаттной накачкой и многопетлевым резонатором получена пиковая мощность генерации до 28 МВт. Также продемонстрирована возможность управления пиковой мощностью в диапазоне от 130 кВт до 19 МВт при изменении энергии в цуге генерации в пределах 20%, что позволяет обеспечить одинаковый тепловой режим работы лазера.

Работа выполнена при финансовой поддержке ПЧ ГЗ № 9.1354.2014/К Минобрнауки России.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. V. F. Lebedev; A. P. Pogoda; A. S. Boreysho; S. N. Smetanin and A. V. Fedin. Passively Q-switched high-energy all-solid-state holographic Nd:YAG laser with a multiloop cavity //

Proc. SPIE 9255, XX International Symposium on High-Power Laser Systems and Applications 2014, 925509 (February 3, 2015).

2. Fedin A.V., Gavrilov A.V., Basiev Т.Т., Antipov O.L., Kuzhelev A.S., Smetanin S.N. Passive Q-Switching of Self-Pumped Phase-conjugate Nd:YAG Loop Resonator // Laser Physics.-1999.-Vol. 9, №2,- pp. 433436.

3. M Kaskow, W Zendzian, J.K. Jabczynski, L Gorajek, J Kwiatkowski. Passively Q-switched Nd:YAG laser with diffractive output resonator // Laser Phys. Lett. - 2014. -Vol. 11, №116, - pp. 115813.