CC BY
71
УДК 621.373
Б.С. Могильницкий
ФГУП СНИИМ, Новосибирск
НАНОСЕКУНДНЫЙ ЛАЗЕР ДЛЯ СОВРЕМЕННЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
Целый ряд современных измерительных технологий используют импульсное излучение нано- и пикосекундной длительности. Кроме этого, когерентное интенсивное импульсное излучение необходимо для задач изучения и изменения свойств веществ и создания новых материалов. Особый интерес представляет такое излучение для задач метрологии, в частности, в области определения ПВЗ методом лазерной дальнометрии. Источниками излучения с указанными параметрами являются в основном твердотельные лазеры, генерирующие мощные когерентные световые импульсы света. Необходимая длительность импульса излучения зависит от выбора механизма модуляции и возможности его реализации для данного типа излучателя.
Импульсный излучатель на основе YAG:Nd-лазера создан по классической схеме:задающий генератор, формирующий «затравочный» импульс заданной длительности и формы, и один или два каскада усиления. Работа генератора в режиме гигантского импульса обеспечивается пассивным затвором на основе Li:F"2, размещенного совместно с кристаллом граната в коротком неустойчивом резонаторе, что гарантирует воспроизводимость выходных параметров. Простота конструкции обеспечивает надежность работы лазера. Использование пассивного затвора резко упрощает механизм получения режима гигантского импульса, избавляя от проблем получения высоковольтного (5-и киловольтного) напряжения модуляции активного модулятора на основе КДР-кристалла. Оптимальное временное согласование каскадов усиления с задающим генератором позволяет максимальным образом мгновенно извлекать запасенную в усилительных кристаллах достаточно большую световую энергию. Схема лазера представлена на рис. 1.
1 3 4 5 2 6 7 8 9
І 3Г
¡ЕР:
Рис. 1. ЗГ - задающий генератор с неустойчивым резонатором: 1 - глухое зеркало, R = 1.5м; 2 - выходное зеркало, R = - 1м, Т = 60%; 3 - кристалл
л
YAG:Nd: 5x 50mm, 4 - затвор пассивный LiF:F- ; 6,7 - каскады усиления; 8 -генератор второй гармоники МЧ-105 (СДА); 9 - УВВ: устройсво вывода
излучения
Основными параметрами выходного излучения лазера являются форма импульса, его длительность и выходная энергия моноимпульса. Метрологические требования к форме зондирующего импульса общеизвестны - форма зондирующего импульса должна иметь гауссово распределение интенсивности излучения. Такую форму импульса в твердотельных лазерах можно получить только в условиях «мягкого» режима генерации - когда выход когерентного излучения относительно невелик по сравнению с предельно возможным. В таком режиме возможна воспроизводимость параметров излучения
Длительность импульса генерации определяется выражением
т = пЬ/еБ,
где п - показатель преломления среды резонатора, Ь - оптическая длина резонатора, В=(а-Р) - превышение усиления а над потерями р.
Уменьшение длительности импульса возможно двумя путями: уменьшением размера резонатора или увеличением параметра В. Эти величины взаимнопротивоположного действия: уменьшение длины
кристалла генерации неизбежно приводит к уменьшению параметра В, что нивелирует процесс сужения длительности импульса. На рис. 2 представлена экспериментальная зависимость длительности импульса генерации от длины резонатора.
При постоянном уровне ламповой накачки (28Дж) и низменном размере кристалла длина резонатора изменялась до минимально возможного значения.
Зависимость линейна, и как видно из апроксимации т~1нс может быть достигнута при Ь=5см, что технически трудно реализуемо и требует другой техно-логии. Варьируя рассмотренными двумя параметрами можно получить оптимальную длину резонатора для минимально возможной длительности импульса в данной кострукции. Отметим, что для получения воспроизводимой гауссовской формы «затравочного» импульса необходимо работать при небольших превышениях усиления над порогом генерации. Энергия моноимпульса при этом составляет величину 30-50 мДж. Первый каскад усиления поднимает уровень энергии до 0.3-0.5Дж, а второй усиливает в 1.5-2 раза и выходная энергия моноимпульса достигает уровня в 1Дж при длительности 2.5-3.5нс.
15
10
5
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55
L, ст
Рис. 2
Отметим характерные особенности работы лазера с неустойчивым резонатором:
- Значительно (в 2 раза) уменьшилась расходимость лазерного пучка до 2-х мрад по сравнению с плоским резонатором;
- Наблюдалось однородное пространственное распределение интенсивности по сечению пучка. Это характерно при работе ОКГ на основной поперечной моде и подтверждает высокую селективность такого резонатора по поперечным модам;
- Происходит более эффективное заполнение основной модой объема активного элемента, что подтверждается хорошими энергетическими параметрами ЗГ.
Основные преимущества
- Малая длительность зондирующего импульса лазерной генерации;
- Относительно большая энергия моноимпульса как на основной, так и на второй гармонике;
- Возможность использования метода двухволнового зондирования для повышения точности определения больших и сверхбольших расстояний путем компенсации погрешности из-за интегральной остаточной рефракции атмосферы.
Технические характеристики
Длина воны излучения, мкм 1.064 0.532
Энергия моноимпульса, мДж 1000 80-100
Длительномть импульса, нс —5
Чатота повторения, Г ц 1—10
Режим работы одномодовый, одночастотный
Диаметр пучка, мм Расходимость, мрад Потребляемая мощность, КВт
5—8
2—4
5
Области применения
- Дальнометрия ИСЗ. Погрешность определения сверхбольших расстояний 1—10см;
- Навигация в космосе. Привязка данных спутниковых измерений для определения местонахождений природных аварий;
- Свехдальняя наземная и космическая связь;
- Экологический контроль атмосферы;
- Лазерная импульсная спектроскопия;
- Лазерная селективная фотофизика и фотохимия;
- Лазерная технология и анализ материалов.
Вывод: для получения достоверных и воспризводимых данных локации высокоорбитальных ИСЗ необходимы только качественные зондирующие импульсы, которые формируютя в расмотренном излучателе.
© Б.С. Могильницкий, 2006
