CC BY
140
УДК 621.373.02 Ю.Д. Коломников, Б.В. Поллер ИЛФ СО РАН, Новосибирск С.И. Коняев, Б.С. Могильницкий ФГУП «СНИИМ», Новосибирск
О ЛАЗЕРНОМ ИЗЛУЧАТЕЛЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ
Для решения ряда задач современных микро- и нанотехнологий требуются лазерные устройства, обладающие специальными параметрами выходного излучения:
- Сверхмалой длительностью выходных импульсов (~10-9 - 10-12с);
- Достаточно большой мощностью в моноимпульсе (> 100КВт );
- Большой частотой следования импульсов излучения (~ 10-20 КГц).
Реализация этих требований в комплексе - достаточно сложная задача. В
работе проведены исследования по выявлению условий максимально приближенных к решению указанной задачи.
Условием существования генерации в лазере является образование стоячей волны в резонаторе, когда свет осуществляет двойной обход резонатора. Для лазеров с модулированной добротностью это условие налагает принципиальное ограничение на длительность импульса: длительность I пропорциональна величине 2L/C (L - длина резонатора, С -скорость света в среде) и обратно пропорциональна разности значений усиления и пассивных потерь в резонаторе В _ 2L
т~Cb '
Исходя из этих представлений, предполагалось получить непрерывную генерацию в лазере с коротким резонатором, а затем методом внутрирезонаторной модуляции потерь получить сверхкороткие импульсы излучения. Для обеспечения требуемой мощности в отдельном импульсе необходимо получить изначально большую мощность генерации лазера в непрерывном режиме.
Эксперименты по получению непрерывной генерации на лазерных кристаллах YAG
Средняя мощность непрерывной генерации, необходимая для получения импульсной мощности выходного излучения Ри= 100кВт с длительностью импульса 1нс и частотой следования F = 10кГц оценивалась согласно соотношения Рср= Ри* i *F мод. и составила 1Вт. Заметим, что это заниженная оценка, т.к. не учтены потери, которые внесет модулятор в резонатор лазера. Эти потери возрастут значительно, что отразится на величине средней мощности.
В эксперименте проверялись на генерацию ряд кристаллов YAG: 6,3 х 65мм; 5,0 х 55мм; 4,0 х 65мм. Резонатор лазера варьировался в пределах от 80см до минимальной длины 8см, при этом использовались различные конфигурации зеркал: от плоскопараллельного до выпукловогнутого
(телескопическая система). Структурная схема лазерного резонатора представлена на рис. 1:
□
1 2 3 4 5 6
Рис. 1
1, 3 - зеркала резонатора. Отражение зеркала 1 - 100%, отражение зеркала 3 - 84 - 97%, 2
- квантрон с лазерным кристаллом, 4 - ослабитель, 5 - фотоприемник, 6 - осциллограф либо измеритель мощности лазерного излучения
В коротком квантроне (К- 301 - А) с кристаллом 4,0 х 65мм была получена непрерывная генерация с Рмах = 2Вт при предельном токе лампы накачки (ДНП-6/60) равном 37А. Большую мощность в непрерывном режиме с кристаллами YAG получить не удалось.
Для получения импульсного режима генерации при непрерывной накачкев резонаторYAG-лазера помещался пассивный затвор LiF/F2\
Средняя выходная мощность лазера при этом снижается до десятков мВт. Для получения выходной импульсной мощности 100 кВт в режиме пассивной модуляции непрерывной мощности генерации лазера 1 - 2Вт не достаточно. Как выяснилось, кристаллы YAG, как источники непрерывной генерации, обладают двумя существенными недостатками, обусловленными физической природой кристаллов: при большом уровне накачки вредными факторами становятся паразитная генерация на внутренних модах и суперлюминесценция. Эти два явления в сильной степени ограничивают выходную мощность генерации активных кристаллов YAG.
Первый фактор - внутренние моды распространяются в лазерном кристалле под углом к боковой поверхности и не излучаются из резонатора, а циркулируют внутри образца в некоторой области углов, отражаясь от торцов кристалла. Поэтому энергия, затрачиваемая на их возбуждение, не увеличивает осевой лазерной мощности, а расходуется на спонтанное излучение и нагрев кристалла. Это приводит к росту потерь в резонаторе.
Второй фактор - суперлюминесценция. Лазерный переход YAG имеет большое сечение усиления а32 (четырехуровневая схема возбуждения), и как следствие, большое усиление всего кристалла. При этом в кристалле существует большое предпороговое усиление. В результате вдоль оси кристалла возникает и распространяется интенсивное и высоконаправленное излучение. Состояния инверсной населенности возникают хаотически. Причем процесс происходит в отсутствии оптического резонатора, т.е. без участия обратной связи. Этот процесс дополнительно ограничивает выходную мощность генерации в YAG.
Получение непрерывной генерации на ортоалюминате иттрия YAL (YAlO3/Nd3+)
В лазерных кристаллах ортоалюмината иттрия сечение усиления рабочего перехода значительно меньше сечения усиления кристаллов YAG. Как следствие этого, две рассмотренные причины уменьшения выходной мощности лазера для кристаллов YAL отсутствуют или значительно ослаблены, что делает эти кристаллы более предпочтительными для получения непрерывной генерации.
Эксперименты по получению непрерывной генерации были проведены с кристаллом YAL размерами 4 х 65мм. Резонатор представлял собой плоскопараллельную систему ( зеркало глухое , выходное зеркало плоское с пропусканием 16% , квантрон К301-А), длина резонатора 30см. При указанных параметрах лазера была получена выходная мощность в непрерывном режиме Рср>30Вт. В укороченном резонаторе длинной 8см и пропускании выходного зеркала 3% была получена непрерывная генерация 15 Вт при максимальном токе накачки лампы ДНП-6/60 равным 37А.
Эксперименты модуляции излучения пассивными затворами
Исследовались режим гигантского импульса в YAG-лазере при импульсной накачке и модуляция непрерывного излучения YAL-лазера пассивными затворами. Структурная схема для этих исследований представлена на рис. 2.
1 2 3 4 5 6 7
Рис. 2
Длина резонатора 8см, кристалл YAG/Nd 5 х 50мм, где 1 - глухое зеркало, 2 - квантрон, 3
- пассивный затвор толщиной 20мм с начальным пропусканием 30%, 4 - выходное зеркало с пропусканием 60%, 5 - нейтральный фильтр НС - 19, 6 - ФЭК - 26, 7 -
осциллограф С1-97
При работе лазера в режиме импульсной накачки получены гигантские импульсы длительностью 1,5 - 2 нс при минимальных уровнях накачки в 30 Дж, энергия импульса была 12мДж, что соответствует импульсной мощности~6МВт. Согласно выражению для длительности импульса, с увеличением уровня накачки активного кристалла длительность импульса должна уменьшаться. Это и продемонстрировал эксперимент. При длине резонатора около 10см и минимальном уровне импульсной накачки возможно получить моноимпульс длительностью 1нс, а повышая уровень импульсной накачки при той же длине резонатора, можно перейти в пикосекундный диапазон длительностей выходного импульсного излучения.
Здесь отметим, что в непрерывном режиме накачки не реализуются условия уменьшения длительности импульса за счет разности «усиление-потери» в силу невозможности их технической реализации в наших условиях. Использование большой световой мощности в ограниченном обьеме квантрона требует эффективного охлаждения, что проблематично в имеющихся устройствах. Из-за ограничения мощности накачки возможность уменьшения длительности импульса из-за разности «усиление-потери» в режиме непрерывной накачки не используется в полной мере в устройствах с ламповой накачкой, и совсем не используется в устройствах с диодной накачкой. Те же проблемы возникают при получении наносекундных длительностей лазерного излучения в режиме диодной накачки, где укорочение активного элемента отражается на мощностных параметрах выходных импульсов. Для получения требуемой мощности лазерного излучения необходимы каскады усиления и т.д. С этой точки зрения импульсный режим накачки для формирования 100КВт-ных наносекундных импульсов с максимальной частотой следования 100-1000Гц, на наш взгляд, является наиболее оптимальным.
Были проведены эксперименты с пассивными затворами для режимов непрерывной генерации лазеров с кристаллами YAL. Для модуляции излучения использовались пассивные затворы LiF и «черный YAG». При непрерывной генерации мощностью 20Вт наблюдалась модуляция излучения с частотой 1,4кГц при средней мощности излучения порядка 150мВт. Использовались также пассивные затворы для обострения импульсов модуляции при формировании импульсов активным затвором. При проведении экспериментов с акустооптическим модулятором совместно с пассивным затвором LiF выяснилось, что частота модуляции генерации значительно снижается (примерно на порядок) по сравнению с частотой генерации в случае только активного модулятора. Это объясняется недостаточностью энергии накачки активного кристалла для обеспечения просветления пассивного затвора за период активной модуляции.
Эксперименты модуляции лазерного излучения активным затвором Ка TiO PO4 (КТР)
Для модуляции непрерывного излучения и получения коротких импульсов был изготовлен модулятор из материала КТР размерами 0.2 х 0.2 х 1.8см. Кристалл располагался на специальной платформе и кабелем соединялся с источником питания и термостабилизации. Для управления кристаллом используется поперечный эффект Поккельса с квадратичной зависимостью разности хода двух ортогональных поляризаций от управляющего напряжения, приложенного к кристаллу. Кристалл размещен на элементе Пельтье для создания оптимальной температуры работы кристалла. При этом обеспечивается получение полуволнового напряжения на кристалле. Блок управления обеспечивает частоту модуляции от 0 до 10кГц. Модулятор помещался в резонатор лазера. Кроме того, в резонаторе лазера располагались два кварцевых окна под углом Брюстера, что обеспечивало получение линейно поляризованного излучения, необходимого
для работы модулятора. Длина резонатора в эксперименте была 20см. Схема экспериментальной установки показана на рис. 3.
2
4
5 6 7
8
9
Т
Рис. 3
1-зеркало плотное, 2-квантрон с кристаллом YAL 4x65мм, 3-кювета с брюстеровскими окнами, 4-модулятор КТР, 5-диафрагма диаметром 2мм, 6-выходное зеркало с R=10%, 7-ослабитель излучения, 8-приемник излучения ФД-2, 9-осцилограф
Средняя мощность излучения лазера была порядка 250мВт. Оценка импульсной мощности - 2кВт .
При работе активного модулятора на экране осциллографа наблюдались импульсы модуляции шириной порядка 50нс. Оценка ширины импульса модуляции производилась также расчетным путем по известной формуле в предположении амплитудно-модулированного сигнала.
1
3
д/1п2 •т32 ГО!
здесь F - частота модуляции, т32 - время релаксации лазерного перехода,
О - усиление лазерного перехода, 1 - длина лазерного кристалла, 5 - глубина
12
модуляции. Расчетные параметры следующие: F = 10кГц, Т32 = 1.4 10-12с, G = 0,05см-1, 1 = 5см, 5 = 0,8. В результате расчет дает значение длительности импульса ~15нс.
Заключение
Проведенные экспериментальные исследования показали, что получить в комплексе параметры лазерного излучения, указанные в начале статьи, представляется проблематичным. Решение этой задачи возможно только в режиме импульсной накачки активных элементов лазеров современными полупроводниковыми диодами, обладающими достаточной мощностью и необходимыми частотными параметрами. Для режима непрерывной накачки эта задача, на наш взгляд, требует значительных дополнительных исследований.
©С.И.Коняев, Б.С.Могильницкий, Ю.Д. Коломников, Б.В.Поллер, 2005
