CC BY
341
МОЩНЫЙ СВЕРХКОМПАКТНЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ Ш:УЛС ЛАЗЕР С ПАССИВНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ ДОБРОТНОСТИ
В.В. Назаров, Л.В. Хлопонин, В.Ю. Храмов
Разработан мощный сверхкомпактный №:УАв лазер с энергией генерации 350 мДж на длине волны 532 нм и расходимостью не более 3 мрад. Проведена оптимизация оптической схемы резонатора и параметров выходного градиентного зеркала для достижения квазиравномерного поперечного распределения выходного излучения. Проведена оптимизация режимов накачки, позволившая достичь максимальной суммарной энергии импульсов лазерного излучения в течение одного импульса накачки.
Введение
Излучение генерации твердотельных лазеров в диапазоне ближнего ИК широко используется в ряде областей науки и техники, а также лазерной медицины [1-3]. В ряде медицинских приложений к лазерным излучателям предъявляются особые требования, касающиеся как энергетических характеристик излучения (средняя мощность, энергия), так и пространственных характеристик излучения (равномерность поперечного распределения интенсивности излучения, расходимость), а также габаритных характеристик излучателей. В данной работе приводятся результаты разработки сверхкомпактного импульсного лазерного излучателя, удовлетворяющего следующим техническим требованиям.
Характеристики лазерного излучения Длина волны излучения 1064/532 нм
Импульсная мощность излучения 20 Мвт
Энергия импульсов излучения за один импульс накачки (1064/532нм) 700/350 мДж
Расходимость излучения, не более 3 мрад
Неравномерность поперечного распределения излучения, не более 20 %
Длительность одиночного моноимпульса излучения, не более 5 нс
Источник накачки
Длительность импульса 5 мс
Средняя мощность 300 Вт
Максимальная импульсная мощность 60 кВт
Частота следования импульсов 2-5 Гц
Дополнительные требования
Модуляция добротности пассивная
Габаритные размеры лазерного излучателя 25x25x170
мм
Регулировка коэффициента преобразования во вторую гармонику 0- 50% Размер пятна излучения на расстоянии 50 мм от лазера 2-4 мм
Использование активного элемента с плоско-выпуклыми торцами
Сравнение вариантов резонатора лазера с пассивной модуляцией добротности
В ходе разработки макета лазера была проведена сравнительная оценка типов оптических схем резонаторов по следующим основным критериям: обеспечение необходимого уровня энергии, расходимости и длительности импульса генерации, минимальная база резонатора, отсутствие «горячих точек» в распределении излучения внутри резонатора.
С точки зрения наилучшего заполнения лазерным излучением активного элемента и увеличения энергии генерации наиболее перспективными вариантами являются режим многомодовой генерации в устойчивом резонаторе или использование неустой-
чивого резонатора [4]. Минимальную расходимость выходного излучения могут обеспечить как устойчивый резонатор при условии квазиодномодовой генерации, так и неустойчивый резонатор. Кроме того, в отличие от устойчивого резонатора, неустойчивый резонатор позволяет минимизировать влияние внутрирезонаторных термооптических неоднородностей на расходимость выходного излучения [5].
В устойчивом резонаторе наименьшую длительность импульса лазерного излучения проще получить в близком к одномодовому режиму генерации, поскольку при мно-гомодовом режиме генерации длительность импульса увеличивается вследствие диф-ференцации в потерях для различных мод. Из вариантов неустойчивого резонатора минимальную длительность импульса может обеспечить резонатор положительной ветви с наиболее короткой базой. Для этих двух типов резонаторов характерно отсутствие «горячих точек» в пространственном распределении излучения внутри резонатора.
Наиболее короткой базой из рассмотренных типов резонатора обладают много-модовоый вариант устойчивого резонатора, характеризующийся относительно большими числами Френеля, и неустойчивый резонатор положительной ветви [5].
Результаты проведенного сравнительного анализа представлены в таблице. По ним можно сделать вывод, что наиболее перспективным в соответствии с выбранными критериями является неустойчивый резонатор положительной ветви.
Тип Устойчивый резонатор Неустойчивый резонатор
резонатора одномодовый многомодовый Положительная Отрицательная
режим режим ветвь ^>1) ветвь ^<-1)
Максимальная + + +
энергия импульса
Минимальная база + +
резонатора
Минимальная + + +
расходимость из-
лучения генера-
ции
Отсутствие "горя- + +
чих точек" в рас-
пределении излу-
чения внутри ре-
зонатора
Минимальная + +
длительность им-
пульса излучения
генерации
Таблица. Сравнение вариантов резонатора лазера с пассивной модуляцией добротности
Оптическая схема моноимпульсного лазера с неустойчивым резонатором
В ходе разработки моноимпульсного твердотельного лазерного излучателя была реализована схема неустойчивого резонатора (рис. 1), включающего «глухое» и выходное зеркала, активный элемент, пассивный затвор, клин-поляризатор для получения линейно поляризованного лазерного излучения. На выходе резонатора размещены фазовая пластинка ^/2 и нелинейный кристалл КТР, предназначенный для получения излучения второй гармоники. При помощи поворота фазовой пластинки изменяется соот-
ношение долей основного излучения (1064 нм) и второй гармоники (532 нм) С целью минимизации базы резонатора «глухое» зеркало нанесено на сферический торец активного элемента. Выходной торец АЭ имеет скос под углом 2о к оси элемента для предотвращения обратных бликов, приводящих к оптическому пробою внутрирезонаторных элементов.
В процессе компьютерного моделирования с использованием аппарата лучевых матриц, учитывающего тепловую линзу в активном элементе, были определены радиусы кривизны зеркал резонатора, а также оптимальный коэффициент увеличения неустойчивого резонатора. С целью уменьшения потерь резонатор имел небольшой коэффициент увеличения, который изменялся диапазоне М=1.1-1.3 при изменении величины тепловой линзы. При величине порядка 4 дптр радиусы кривизны «глухого» и выходного зеркал резонатора составляли 0.5 м и 0.66 м соответственно.
ИЯ ЛЯ УЯМ X / 2 КТР
Рис. 1 Оптическая схема моноимпульсного Nd:YAG лазера с неустойчивым резонатором: 1. Активный элемент Nd:YAG 6x103 mm2. Пассивный лазерный затвор YAG:Cr, YSGG:Cr3. Клин - поляризатор 4. Выходное зеркало с переменным коэффициентом отражения 5. Фазовая пластинка Л/26. Генератор второй гармоники KTP 10x10x5 мм
Для предотвращения появления дифракционных колец в поперечном распределении интенсивности выходного излучения, а также для улучшения селекции поперечных мод в качестве выходного отражателя было использовано градиентное зеркало с переменным коэффициентом отражения. На рис. 2 приведены теоретическая зависимость коэффициента отражения от поперечной координаты, а также экспериментальные данные. Теоретическая зависимость коэффициента отражения от поперечной координаты определялась выражением:
Я(х)=Яоехр(-(х^а)п),
где ^0=0.25 - максимальное значение коэффициент отражения выходного зеркала, ^а=2.5 мм - поперечный размер отражающего покрытия, п=3 - показатель степени супергауссова профиля коэффициента отражения. Параметры профиля коэффициента отражения градиентного зеркала были оптимизированы при помощи методик [6, 7] с целью обеспечения равномерного поперечного распределения выходного излучения в ближней зоне. С целью достижения максимальных значений выходной энергии генерации максимальное значение коэффициента отражения было оптимизировано при номинальной мощности накачки с учетом величин начальных и остаточных потерь, вносимых пассивным затвором.
В качестве пассивных затворов использовались оптические элементы, изготовленные из УЛО:Сг (начальный коэффициент пропускания 10-12%, контраст ~8) и УБОО:Сг (начальный коэффициент пропускания 13-16%, контраст ~6).
X
<D *
ГО Œ
X
<u
о о
20 00 ■ ♦ 1 2
15 00 .
10 00 ■
5 00 > \
►
-3,0 -2,5 -2,0 -1,5 -1,0 -0,5
0,0 х, мм
0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0
Рис. 2. Поперечное распределение коэффициента отражения выходного зеркала резонатора: 1 - экспериментальные данные, 2 - теоретическая кривая
Полученные результаты
В ходе создания макета моноимпульсного лазерного излучателя проводился контроль пространственных характеристик лазерного излучения в ближней и дальней зонах, регистрировались временные диаграммы импульсов накачки и лазерной генерации, проводились измерения энергии импульсов лазерного излучения.
На рис. З приведены поперечные распределения интенсивности излучения на выходе лазера, а также распределения интенсивности в дальней зоне, полученные при помощи ПЗС-камеры BeamStar-FX-5G. Поперечное распределение интенсивности в ближней зоне (рис. За) достаточно равномерно при отсутствии крупномасштабных неодно-родностей, что, несомненно, является следствием применения в качестве выходного отражателя резонатора градиентного зеркала. Характер поперечного распределения интенсивности в дальней зоне (рис. Зб) свидетельствует о том, что угловой спектр выходного излучения в вертикальной плоскости примерно в 2 раза шире, чем в горизонтальной. Тем не менее, измерения показали, что расходимость выходного излучения не превышает 1 мрад.
В результате исследования временных и энергетических характеристик лазерного излучения были оптимизированы режимы накачки, позволяющие достичь максимальной суммарной энергии импульсов лазерного излучения в течении одного импульса накачки.
На рис. 4 приведены временные диаграммы импульса накачки совместно с импульсами лазерного излучения, полученные при помощи осциллографа Tektronix 2G22. Суммарная энергия четырех моноимпульсов лазерного излучения, приходящихся на один импульс накачки длительностью 25G мкс, достигала 8GG мДж при средней мощности накачки 300 Вт и частоте следования импульсов накачки 5 Гц. Длительность одного моноимпульса не превышала б нс. Энергия излучения на частоте второй гармоники достигала при этом 350 мДж.
Line Profile
О 2
Position (mm)
УХ Line Profile
< -
О I Э
jH = 1
Q3i
I2I £1|
■4
I 1 I 1 I
202
Position [mm)
б)
Рис. 3. Поперечные профили распределения интенсивности лазерного излучения в ближней зоне (а), и в дальней зоне (б). 1 - вертикальная плоскость, 2 - горизонтальная плоскость
Рис. 4. Временные диаграммы импульса накачки (1) и импульсов лазерной генерации
(2)
В результате проведенной работы был создан макет твердотельного лазерного излучателя со следующими параметрами.
Суммарная энергия импульсов лазера
за один импульс накачки 700 мДж
Количество импульсов лазерной генерации
за один импульс накачки 4
Энергия одиночного импульса излучения 1064/532 нм 190 /100 мДж
Длительность одиночного моноимпульса 6 нс
Расходимость излучения 1 мрад
Частота следования импульсов накачки 2-5 Гц
Энергия накачки 62 Дж
По результатам проведенных исследований можно сделать вывод, что применение неустойчивых резонаторов с градиентными зеркалами, а также малогабаритных пассивных затворов позволяет создавать высокоэффективные сверхкомпактные лазерные излучатели с высокими пространственно-энергетическими характеристиками, что, несомненно, представляет интерес для многих приложений.
Литература
1. Altshuler G.B., Belashenkov N.R., Karasev V.B., Skripnik A.V., Solounin A.A. Application of ultrashort laser pulses in dentistry // Proc. of SPIE. Dental Application of Lasers. 1993. V.2080. Р. 77-81.
2. Беликов А.В., Сандуленко А.В., Скрипник А.В., Ткачук А.М. Исследование абляции твердых тканей зуба человека излучением YAG:Cr,Tm,Er лазера // Письма в ЖТФ. 1995. Т.21. В.2. С.11-16
3. Беликов А.В., Приходько К.В., Судьенков Ю.В., Чернавин И.И. Лазер-абразивный метод обработки твердых биотканей. Исследование эффективности разрушения эмали зуба // Оптические и лазерные технологии. - СПб: СПб ГИТМО (ТУ), 2001. С.141-148.
4. Koechner W. Solid-state laser engineering. Second completely revised and updated edition. - Springer, 1988. - 604 p.
5. Ананьев Ю.А. Оптические резонаторы и проблема расходимости лазерного излучения. - М.: Наука, 1979. - 328 с.
6. Silvestri S.D., Laporta P., Magni V., Svelto O. Solid-state laser resonator with tapered reflectivity mirrors: The super-Gaussian approach // IEEE J. Quantum Electron. 1988. V. 24. № 6. P. 1172-1177
7. S.D.Silvestri, P.Laporta, V.Magni, G.Valentini, G.Cerullo Compatible analysis of Nd:YAG unstable resonators with super-gaussian variable reflectance mirrors // Opt.Comm. 1990. V.77. № 2. Р.179-184.
