CC BY
161
у Храмов В.Н., Холманов Э.И., Диасамидзе И.А., 2012
ТЕХНИЧЕСКИЕ ИННОВАЦИИ
УДК 621.373.826 ББК 32.865
НЕОДИМОВЫЙ ЛАЗЕРНЫЙ РЕГЕНЕРАТИВНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИМ ЗАТВОРОМ1
В.Н. Храмов, Э.И. Холманов, И.А. Диасамидзе
Разработана мощная лазерная установка, генерирующая ультракороткие импульсы (УКИ) и работающая в режиме регенеративного усиления (РГУ). Лазерная усилительная система состояла из задающего лазера (инжектора) и усилителя. В качестве модулятора добротности лазера-усилителя использован электромеханический затвор (ЭМЗ). Основным его достоинством является отсутствие фоторефракции, которая проявляется в аналогичных усилителях с электрооптичес-ким затвором. Приведены результаты экспериментальных исследований временных и энергетических характеристик такой лазерной усилительной системы.
Ключевые слова: ультракороткие лазерные импульсы, лазерные регенеративные усилители, модуляция добротности резонатора.
Введение
Развитие лазерной техники дало возможность получать импульсы света с длительностями от миллисекунд до десятков фемтосекунд, с энергиями от наноджоулей до нескольких килоджоулей. Благодаря такому большому диапазону параметров лазеры со времени их открытия получили широкое распространение и используются во многих отраслях науки и техники.
Одной из задач лазерной физики является разработка лазерных установок, способных генерировать лазерные импульсы нано- и пикосекундного диапазона с энергией порядка единиц джоулей [3; 4].
Разработанные к настоящему времени лазерные усилительные системы имеют сходные структуры и состоят из задающего генератора (инжектора), устройства чирпирования импульсов, усилительного каскада и компрессора усиленных импульсов [6]. Чтобы достичь наибольшего усиления необходимо использовать лазер-усилитель с большой апертурой, иначе мощный оптический импульс, сконцентрированный на небольшую площадь, может повредить или разрушить элементы системы. Так как в режимах сверхрегенеративного и регенеративного усиления, как и в режиме гигантского импульса (ГИ), в усилителе необходимо задать начальную ненулевую инверсную заселенность активной среды, то возникают характерные для лазеров с широкой апертурой трудности с методами управления излучением. Основным различием между сверхрегенеративным усилителем (СРГУ) и
регенеративным (РГУ) является то, что в сверхрегенераторе усиление активной среды включается в момент прихода инжектируемого излучения от задающего лазера, поэтому здесь и не требуется достаточно точной электронной схемы сопряжения этих лазеров. В регенеративном усилителе с резким включением добротности резонатора лазера-усилителя необходимо инжектировать излучение задающего лазера до начала нелинейного этапа формирования собственной генерации усилителя, поэтому для правильной работы этих лазеров необходима очень точная электронная схема сопряжения, регулирующая момент инжекции излучения в усилитель с точностью до нескольких десятков наносекунд. Разработке и реализации такой системы и посвящена данная работа.
Экспериментальная установка и методика исследования характеристик лазерного регенеративного усилителя с электромеханическим затвором
Усилитель построен на базе мощного технологического лазера ГОС-1001 на неодимовом стекле. В качестве задающего использован лазер, работающий в режиме кратковременной резонансной модуляции потерь (КРМП) [2]. Для режима РГУ необходимо создать инверсную населенность в лазере-усилителе, а затем с резким открытием добротности резонатора усилителя впрыснуть излучение задающего КРМП-лазера. Таким образом, при изменении начальных условий лазер станет воспроизводить и усиливать захваченное излучение.
К достоинствам РГУ с электромеханическим затвором (ЭМЗ) можно отнести полное отсутствие фоторефракции [1; 5], что в свою очередь позволяет получать энергии до нескольких джоулей.
На рисунке 1 представлена общая схема экспериментальной установки.
Для правильного понимания принципа работы установки в режиме РГУ необходимо рассмотреть временную диаграмму процессов. Для запуска промышленного лазера ГОС-1001 в режиме РГУ с ЭМЗ необходим блок управления, он должен синхронизиро-
вать момент включения добротности резонатора, момент достижения активной средой максимума инверсии и момент впрыска в усилитель сформированного КРМП-импуль-са. Диаграмма синхронизации процессов для осуществления режима РГУ представлена на рисунке 2. На диаграмме обозначены: Т1 -время между импульсом с датчика оборотов ЭМЗ и включением добротности усилителя; Т2 - регулируемая внешняя задержка; Т3 - время, необходимое для достижения максимума инверсии усилителя после сигнала на поджиг ламп накачки; Т4 - время между сигналами, идущими на поджиги ламп накачки лазеров; Т5 - время, необходимое для достижения максимума инверсии в активных элементах КРМП-лазера; Т6 - задержка между моментами включения ламп накачки усилителя и включением ВЧ-генератора КРМП-лазера; Тл - время линейного этапа задающего КРМП-лазера.
Рассматривая эту диаграмму, мы должны иметь в виду физический смысл режима РГУ и его отличие от режима КРМП. Принципиально они почти не отличаются. Разница лишь в том, что в режиме КРМП осуществляется ВЧ-модуляция добротности резонатора во время линейного этапа развития генерации, а в режиме РГУ на этом участке подается заранее сформированный цуг УКИ. Достаточным условием для захвата является превышение энергией цуга УКИ величины, соответствующей энергии спонтанного шума на рассматриваемом участке генерации усилителя в режиме РГУ.
Данная установка способна работать и в режиме ГИ, для описания процесса образования ГИ нужно рассмотреть лишь первые шесть пунктов диаграммы.
На рисунке 3 представлен временной ход интенсивности УКИ задающего КРМП-лазе-ра, а на рисунке 4 - осциллограмма цуга усиленных импульсов, подтверждающая воспроизведение цуга УКИ при усилении.
Основные результаты
Необходимым условием для правильной работы системы является согласование меж-модовых частот резонатора задающего КРМП-лазера и резонатора регенеративного
12
Рис. 1. Общая схема экспериментальной установки:
1 - блок высокого напряжения; 2 - электрооптический затвор; 3 - глухое зеркало (Я. = 99 %); ВЧ-генератор; 5 - высоковольтный блок, формирующий прямоугольный импульс; 6, 7 - активные элементы КРМП-лазера (неодимовое стекло марки ГЛС-1); 8 - блок управления задающего КРМП-лазера;
9 - блок задержек; 10 - зеркало-клин (Я. = 55 %); 11 - блок накачки технологического лазера ГОС-1001; блок управления электромеханическим затвором (ЭМЗ); 13,17, 21, 23 - светоделительные пластинки; 14, 22 -измеритель энергии ИМО-2Н; 15 - ФЭУ; 16 - ФК-32; 18 - выходное зеркало (Я = 20 %);
19 - активный элемент лазера ГОС-1001 (неодимовое стекло марки ГЛС-1); 20 - Не-№-лазер;
24 - скоростной осциллограф С7-19; 25 - ЭМЗ
4
Рис. 2. Диаграмма временных процессов:
1 - сигнал с катушки датчика оборотов ЭМЗ; 2 - момент отключения двигателя ЭМЗ; 3 - момент включения добротности резонатора усилителя; 4 - инверсия населенности лазера-усилителя; 5 - импульс на поджиг ламп накачки усилителя; 6 - гигантский импульс на выходе лазера-усилителя при отсутствии инжекции; 7 - инверсная населенность в задающем КРМП-лазере; 8 - модуляционный сигнал на электрооптический затвор КРМП-лазера; 9 - цуг импульсов на выходе КРМП-лазера
Рис. 3. Временной ход интенсивности УКИ задающего КРМП-лазера (длительность отдельного УКИ - 1-2 нс, энергия в цуге - 110 мДж)
усилителя. На рисунке 5 представлена зависимость длительности одного импульса из цуга УКИ на выходе усилителя от плавного перемещения выходного зеркала резонатора усилителя при фиксированной оптической длине резонатора задающего лазера
Из рисунка 5 видно, что в области резонанса минимальная длительность одного УКИ составляет 2 нс.
Зависимость плотности мощности лазерной системы от перемещения выходного зеркала при диаметре апертуры излучения 25 мм и постоянной энергии излучения 4 Дж представлена на рисунке 6.
Рисунок 6 показывает, что в области резонанса плотность мощности максимальна и составляет 3,2X108 Вт/см2 при диаметре апертуры 25 мм на выходе регенеративного усилителя, а при фокусировке данного излучения собирающей линзой интенсивность возрастает примерно на пять порядков. Такой интен-
20 нс
Рис. 4. Осциллограмма цуга усиленных импульсов (длительность отдельного УКИ - 1-2 нс, энергия в цуге - 4 Дж)
сивности достаточно для получения оптического пробоя в воздухе. Фотография оптического пробоя в воздухе в режиме фокусировки представлена на рисунке 7.
Этот результат позволяет использовать данную установку для лазерно-плазменных исследований. Экспериментально определен коэффициент усиления регенеративной системы с ЭМЗ. Излучение задающего КРМП-ла-зера максимально ослаблялось до порогового значения (10 нДж), ниже которого усилитель генерирует гигантский импульс (см. рис. 8), так как уровень спонтанного шума лазера-усилителя становится больше энергии впрыскиваемого УКИ, а типичная осциллограмма генерации системы в режиме РГУ при впрыске УКИ с энергией от 10 нДж до 10 мДж при постоянной энергии 4 Дж на выходе РГУ представлена на рисунке 4. В области резонанса коэффициент усиления по энергии составляет 4Х108.
Рис. 5. График зависимости длительности одного импульса из цуга УКИ Ї (нс) от перемещения выходного зеркала резонатора и L (мм) в режиме регенеративного усиления
0 С<
1 I 3
О м
з Д ? Ї Ь
X и
-4.5 -3 -1.5 0 1.5 3 4.5
Перемещение ^жала, Ь (мм)
Рис. 6. Зависимость плотности мощности лазерной системы в РГУ от перемещения выходного зеркала резонатора Д (мм)
Рис. 7. Фотография лазерной плазмы в воздухе в режиме РГУ
Рис. 8. Осциллограмма гигантского импульса лазера ГОС-1001 с электромеханическим затвором
Выводы
Таким образом, в ходе работы была разработана лазерная усилительная система, работающая в режиме регенеративного усиления, предназначенная для лазерно-плазменных исследований. Продемонстрирована высокая плотность мощности данной системы, которая составляет 3,2Х108 Вт/см2 без фокусировки. Эк-
спериментально определен коэффициент усиления регенеративного усилителя с электромеханическим затвором, равный 4Х108.
ПРИМЕЧАНИЯ
1 Работа выполнена в рамках гранта 5-2011-МУ/ВолГУ Волгоградского государственного университета.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Аникеев, Б. В. О естественном ограничении энергии генерации в ООС-лазере за счет паразитного фоторефрактивного эффекта / Б. В. Аникеев, Н. В. Ма-русин, В. Н. Храмов // Лазеры. Измерения. Информация : тез. докл. конф., г. Санкт-Петербург, 23-24 июня 2004 г / под ред. В. Е. Привалова. - СПб. : Балг. гос. техн. ун-т, 2004. - С. 33-34.
2. Аникеев, Б. В. Неодимовые лазеры с кратковременной периодической модуляцией потерь / Б. В. Аникеев, В. Н. Храмов, К. А. Левин // Квантовая электроника. - 1996. - Т. 23, № 1. - С. 59-61.
3. Высокоэффективные предусилители пикосекундных импульсов на неодимовом стекле и иттрий-
алюминиевом гранате / Р. Л. Ганеев [и др.] // Квантовая электроника. - 1996. - Т. 12. - С. 1065-1068.
4. Мак, А. Л. Оптика мощных твердотельных лазеров: проблемы реализации предельных возможностей / А. Л. Мак, В. Е. Яшин // Оптический журнал. - 1998.- Т. 65, № 12. - С. 39-50.
5. Марусин, Н. В. Исследование физических характеристик лазерной системы с электрооптичес-кой обратной связью : дис. ... канд. физ.-мат. наук / Николай Владимирович Марусин. - Волгоград : ВолГУ, 2005. - 113 с.
6. Тераватный фемтосекундный титан-сапфи-ровый лазерный комплекс / А. А. Бабин [и др.] // Квантовая электроника. - 2001. - Т. 31, № 7. -С. 623-626.
THE NEODYMIUM REGENERATIVE LASER AMPLIFIER WITH THE ELECTROMECHANICAL SHUTTER
V.N. Khramov, E.I. Kholmanov, I.A. Diasamidze
The high-power laser setup generating ultrashort pulses (USP) and working in a mode of regenerative amplification (RGA) has been designed. The laser amplifying system has been composed of the master laser (injector) and the amplifier. As the Q-switch of the laser amplifier the electromechanical shutter (EMS) has been used. Its basic virtue is absence of a photorefraction which is exhibited in similar amplifiers with an electrooptical shutter. Results of experimental researches of time and energy performances of such laser amplifying system are given.
Key words: ultrashort laser pulses, laser regenerative amplifiers, a Q-switching of the cavity.
