CC BY
42Высокоэффективный неохлаждаемый импульсно-периодический лазер на активном элементе
3+
из кристалла КСй^04)2: Мй с повышенной частотой следования импульсов излучения.
Сторощук О.Б. ( oststor@vologda.ru )
Открытое акционерное общество «Вологодский оптико-механический завод»
В работе описана конструкция и представлены результаты исследований генерационных характеристик малогабаритного частотного лазера на активном элементе из кристалла КГВ с симметричным кондуктивным теплоотводом и неразьюстируемым в широком диапазоне климатических и механических воздействий плоскопараллельным призменным резонатором с изломом оси. Показано, что стабильные выходные параметры излучения при работе лазера с повышенными мощностями накачки обеспечиваются при оптимальной концентрации ионов неодима 2,5% и ориентации оси оптической индикатрисы Ыш параллельно плоскости, содержащей лампу накачки и активный элемент. (16 стр. 9 илл., библиогр. 11 наимен.)
Для решения большинства практических задач (дальнометрия, лазерное зондирование атмосферы и т.д.) с использованием импульсно-периодических лазеров циклического действия с неселективной оптической накачкой актуальной проблемой является получение стабильных энергетических и пространственных параметров излучения при минимальных весо-габаритных характеристиках. В наиболее полной мере требованиям компактности соответствуют лазеры с естественным охлаждением лампы накачки и активного элемента
При разработке указанного выше типа лазеров без принудительного охлаждения основной задачей является обеспечение теплоотвода от лампы накачки и активного элемента, уменьшение и (или) компенсация термооптических искажений активной среды, имеющих характер клиновой деформации и возникающих в результате преобладания притока тепла от разогретого до несколько сот градусов баллона лампы на ближнюю к ней часть активного элемента [1].
Предложенные для этой цели способы симметризации теплоотвода от активного элемента (АЭ) путем его установки в прозрачный для излучения накачки трубчатый держатель из материала с высокой теплопроводностью
( например, в сапфировую трубку [2]) или моноблок [3]) позволяют частично или полностью компенсировать клиновую деформацию в АЭ, особенно, если активная среда обладает хорошими теплофизическими характеристиками.
Однако известные методы компенсации термооптических деформаций совместно со схемными методами (например, петлеобразные резонаторы на базе интерферометра Саньяка [4]) не позволяют в достаточной мере компенсировать клиновые деформации в активных элементах с заметно худшими, чем для кристалла иттрий-алюминиевого граната (ИАГ:Nd3+), термофизическими параметрами (теплопроводность, механическая прочность и т.д.). К их числу принадлежит анизотропный кристалл калий -гадолиниевого вольфрамата, активированный ионами неодима К0й^04)2: Мй 3+ (в дальнейшем по тексту - КГВ).
Эффективность лазера на активном элементе из кристалла КГВ в 3-5 раз выше, чем у лазера на иттрий-алюминиевом гранате. В диапазоне энергий накачек 3-5 Дж он не уступает
по эффективности лазеру на галлий-скандий-гадолиниевом гранате, сенсибилизированым ионами хрома (ГСГГ :Nd3+:Cr3+)[5].
Несмотря на низкие по сравнению с ИАГ теплофизические параметры, он находит применение и в лазерах с повышенной частотой повторения импульсов излучения [6].
В настоящей работе рассмотрены особенности системы термостабилизации активного элемента из кристалла КГВ, что позволило получить совместно с предложенной схемой резонатора стабильные характеристики излучения при повышенных мощностях накачки в отсутствии жидкостного охлаждения; представлены результаты исследований выходных параметров лазера с учетом анизотропии теплофизических свойств активной среды и оптимальной концентрации активатора.
На Рис.1 представлена конструкция квантрона, обеспечивающая симметричный отвод тепла от активного элемента из кристалла КГВ.
Рис.1 Схема квантрона импульсно-периодического лазера.
Особенностью рассматриваемой конструкции квантрона является обеспечение симметричного теплоотвода от ближней к лампе накачки, соответственно, и более нагретой части активного элемента за счет ее контакта с прозрачной для излучения накачки сапфировой трубкой, замыкающей тепловой поток вокруг АЭ.
Конструктивно квантрон выполнен из алюминиевого корпуса 1 размерами 40х35х80мм, овальная полость которого покрыта диффузно-отражающим покрытием из двуокиси цинка. В полости осветителя расположена лампа накачки 2, контактирующая на 1/3 боковой поверхности через диффузно-отражающее покрытие с металлическим корпусом квантрона.
Активный элемент (АЭ) 3 по всей длине прижимался к сапфировой трубке 4 с помощью пластины 5. Для исключения прогиба активного элемента и обеспечения теплового контакта его прижим к сапфировому теплоотводу осуществлялся с помощью пружинного устройства 6. Усилие прижима выбиралось с таким расчетом, чтобы обеспечивать контакт АЭ с сапфировой трубкой и не вызывать в нем механических деформаций.
Толщина сапфировой трубки выбиралась в пределах 2мм, зазор между нижней частью АЭ и стенкой трубки не превышал 0,3^0,5 мм.
Прижим более нагретой части АЭ к сапфировому теплоотводу приводит к существенному снижению его температуры.
На рис.2 показана зависимость среднеобъемной температуры цилиндрического активного элемента из кристалла КГВ размерами 4х50 мм от времени работы при средней мощности накачки 90 Вт.
6
1
2
Температура АЭ, установленного в квантроне, конструкция которого представлена на Рис.1, снижается примерно на 25-30 % по сравнению с АЭ, установленным соосно в сапфировой трубке (кривая 2)
Рис.2. Зависимость температуры АЭ от времени работы: кривая 1- для АЭ, прижатого к сапфировой трубке, кривая 2- для АЭ, установленного соосно по центру сапфировой трубки.
Т-То, С
140 120 100 80 60 40 20 0
10
20 1, С
30
40
Снижение общего нагрева АЭ приводит к увеличению средней мощности излучения в циклическом режиме работы импульсно-периодического лазера. При этом уменьшается время паузы между циклами, необходимое для сброса тепла АЭ до уровня, обеспечивающего минимальное отклонение энергии генерации в начале каждого цикла излучения от начальной величины.
На рис. 3 представлены результаты относительного изменения энергии генерации импульсно-периодического лазера с активным элементом из кристалла КГВ размерами 04х50 мм, концентрацией неодима 3% в рассматриваемой схеме квантрона (кривая 1) в плоскосферическом резонаторе с параметром конфокальности g1g2=0,6 (с радиусом кривизны глухого зеркала г« 1200мм), коэффициентом отражения выходного зеркала 30 %, длиной резонатора 25 см при энергии накачки 4,5 Дж и частоте повторения импульсов излучения 20 Гц. Для сравнения представлены результаты измерения для АЭ из КГВ, установленного соосно в сапфировой трубке - кривая 2.
Е,отн.ед.
0,2
0 ----
0 10 20 30 40 ^ с
Рис.3. Динамика изменения энергии генерации: кривая 1- для АЭ в рассматриваемой конструкции, кривая 2- для АЭ, соосно установленного в сапфировой трубке.
Как следует из графика, спад энергии излучения при обеспечении симметричного теплоотвода от ближней к лампе накачки части поверхности АЭ на сапфировую трубке уменьшается примерно в 1,4 раза по сравнению с соосно установленным в сапфировой трубке АЭ.
В процессе исследований энергетических и пространственных параметров излучения нами было выявлено значительное различие в динамике указанных параметров при работе лазера в частотном режиме в зависимости от концентрации ионов неодима и ориентации плоскости поляризации излучения (совпадает с осью оптической индикатрисы Ыш) относительно направления максимальной тепловой нагрузки на АЭ - в плоскости, проходящей через оси лампы накачки и АЭ.
Зависимость генерационных характеристик лазера на основе кристалла КГВ от концентрации ионов неодима исследовалась только в режиме однократных импульсов [7,8]. В практически используемых лазерах применяются активные элементы КГВ с атомной концентрацией ~3%, что, по-видимому, сложилось исторически. В кристаллы КГВ, в отличие от кристалла ИАГ, можно вводить ионы Ы<+ до атомных концентраций ~10% без существенного уменьшения времени жизни лазерного перехода и ухудшения оптического качества кристалла [9].
Исследования влияния концентрации ионов неодима активного элемента из КГВ на стабильность энергии генерации при работе неохлаждаемого импульсно-периодического с повышенной мощностью накачки проводились на серийных активных элементах размерами 04х50мм с концентрацией ионов неодима Сш=2,5%, Сш=3,5% и Сш=6,5%.
Активные элементы устанавливались в рассмотренный выше (Рис.1) квантрон и ориентировались относительно лампы накачки типа ИНП2-3/35А (с легированным ионами церия кварцевым баллоном) таким образом, чтобы плоскость поляризации излучения совпадала с направлением максимальной тепловой нагрузки (параллельно плоскости, проходящей через оси лампы накачки и АЭ).
Расстояние между баллоном лампы накачки и поверхностью сапфировой трубки 2,5мм. Длина плоскопараллельного резонатора 30см, коэффициент отражения выходного зеркала Я=30%. Длительность импульса накачки составляла 60 мкс по уровню 0,5.
Контроль изменения энергии при средней мощности накачки Рн=100Вт в серии импульсов излучения проводился с помощью фотоприемника ФД-24К, установленного за фокальной плоскостью длиннофокусного объектива. В фокальной плоскости объектива соосно излучению устанавливалась диафрагма с угловым размером 9' для оценки влияния наведенной тепловой линзы на пространственные параметры излучения.
Результаты экспериментальных зависимостей энергии генерации от энергии накачки в циклическом режиме для различных концентраций неодима представлены на рис. 4.
Е, отн.ед 1 и
0,8
0,6
0,4 <Р
0,2
С=2,5% С=3,5% -С=6,5% С=2,5% С=3,5% С=6,5%
10
12
14
16
с
Рис. 4. Динамика изменения энергии генерации лазера в циклическом режиме работы с АЭ из КГВ с различной концентрацией неодима, сплошные кривые для 1 цикла работы, пунктирные- для 4 цикла.
0
0
2
4
6
8
Лучшие результаты при работе в частотном режиме получены при использовании АЭ с концентрацией неодима Сш=2,5%. Повышение концентрации ионов неодима приводит к существенному падению энергии генерации в цикле излучения. При концентрации неодима Сш=6,5% энергия генерации в конце цикла излучения уменьшается примерно в 12^15 раз по сравнению с энергией в начале цикла.
Существенное снижение энергии генерации при повышении концентрации ионов неодима вызвано дополнительными внутренними тепловыделениями в активном элементе из-за увеличенного количества ионов неодима, поглощающих энергию накачки и неравномерностью распределения температуры по сечению АЭ, что приводит к образованию в нем отрицательной тепловой цилиндрической линзы.
Как показали результаты исследований, проведенные в работе [10], при увеличении концентрации неодима с Сш=3% до Сш=5% оптическая сила отрицательной тепловой цилиндрической линзы увеличивалась с 2,5 диоптрий до 4 диоптрий на каждый 1 кВт накачки. Для данной конструкции квантрона оптическая сила тепловой линзы в АЭ из КГВ размерами 4х50 мм и концентрации неодима Сш=2,5% не превышала 0,2 диоптрий при средней мощности накачки Рн= 90 Вт.
Таким образом, в результате проведенных исследований выявлено, что оптимальная концентрация ионов неодима в активном элементе из кристалла КГВ размерами 4х50 мм, используемого в качестве активной среды частотного неохлаждаемого лазера, в пределах Сш=2,5-3,0%.
На рис 5 и 6 представлены результаты исследований зависимости энергии генерации и клиновой деформации активного элемента из кристалла КГВ размерами 4х50 мм с оптимальной концентрацией ионов неодима (Сш=2,5% ) для различных ориентаций плоскости поляризации излучения относительно направления максимальной тепловой нагрузки в конструкции квантона с симметричным теплоотводом (см. Рис.1). Длительность
цикла накачки 15 с, пауза 10 с, средняя мощность накачки 100 Вт. Резонатор -плоскопараллельный, длиной 30 см.
Рис. 5. Спад энергии генерации в циклическом режиме работы:
1- ось оптической индикатрисы Ыш в плоскости лампы накачки и АЭ;
2- 2- ось Ыш перпендикулярна плоскости лампы накачки и АЭ.
Рис. 6. Динамика клиновой деформации АЭ в плоскости лампы накачки и АЭ:
3- ось оптической индикатрисы Ыш в плоскости лампы накачки и АЭ;
4- 2- ось Ыш перпендикулярна плоскости лампы накачки и АЭ.
Ярко выраженное различие клиновой деформации активного элемента из кристалла КГВ стандартной ориентации (вырезанном вдоль направления [010]) вызвано анизотропией его оптических и теплофизических параметров и сложными условиями теплообмена в полости квантрона.
Основные оптические и теплофизические параметры АЭ из кристалла КГВ представлены в табл.1[10 ].
Табл.1
Параметр Значение вдоль
[100] [010] [001]
Показатель преломления Ыр=1,937 N£=2,03 3 Ыш=1,986
Предел прочности, о, 14 10,2 6,4
Модуль Юнга, Е, Гпа 115,8 152,5 92,4
Коэффициент термического расширения, у, 10-6, К-1 (для 100 °С) 4 3,6 8,5
Теплопроводность, X, Вт/м-К-1(для 100 °С) 2,6 3,8 3,4
В начальный момент времени действия накачки (1-2 с) температурное поле сапфирового теплоотвода имеет малую неравномерность по угловой координате. Поэтому в течение этого промежутка времени перепады температуры между центром и поверхностью активного элемента в плоскости, проходящей через ось лампы накачки и АЭ (плоскость А) и перпендикулярной ей плоскости (плоскость Б) одинаковы (кривая 1, рис.2.5.2). По мере дальнейшего процесса накачки за счет анизотропии коэффициента теплопроводности и температурного изменения показателей преломления происходит увеличение преимущественное увеличение клиновой деформации для ориентации оси оптической индикатрисы Ыш перпендикулярно плоскости лампы накачки и АЭ.
Минимальные термооптические искажения активного элемента обеспечиваются при ориентации оси оптической индикатрисы Ыш параллельно плоскости, проходящей через оси лампы накачки и активного элемента (в направлении максимальной тепловой нагрузки). При этом максимальное значение величины клиновой деформации не превышает 30-40'\ При ортогональной ориентации активного элемента (ось оптической индикатрисы Ыш перпендикулярна плоскости, проходящей через оси лампы накачки и активного элемента) клиновая деформация возрастает в 3-3,5 раза, что приводит к значительным спадам энергии генерации в циклическом режиме ( Рис 5 ).
Для компенсации остаточной клиновой деформации схемным путем использована схема резонатора с двумя призмами БР-180°, установленными таким образом, что их ребра при вершинах прямых углом взаимоперпендикулярны, причем одна из призм служит для излома оси резонатора, а вторая выполняет роль 100% отражающего зеркала. Ребро второй призмы при вершине двухгранного угла перпендикулярно к плоскости, содержащей лампу накачки и активный элемент [11].
На рис.7 представлена зависимость энергии генерации от разьюстировки концевых элементов резонатора.
По сравнению с классической схемой линейного призменного резонатора, в котором чувствительность к разьюстировкам в плоскости, содержащей ребро при вершине прямого угла столь же велика, как и в плоском резонаторе, (кривая 1), в предложенной схеме резонатора чувствительность к потерям в данной плоскости примерно на порядок ниже (кривая 2).
В плоскости, перпендикулярной ребру призмы-крыши, при разьюстировках концевых элементов до ±30 угл. мин энергия генерации изменялась не более, чем на 10%.
Рис. 7. Зависимость энергии генерации от величины разьюстировки резонатора в плоскости, перпендикулярной ребру призмы-крыши;
1-для резонатора с призмой БР-180 в качестве «глухого» зеркала,
2- для призменного резонатора
На Рис. 8 представлены осциллограммы изменения энергии генерации моноимпульсного лазера на АЭ из кристалла КГВ размерами 4х50 мм, установленным в рассматриваемом квантроне. Резонатор призменный, с изломом оси. Начальная энергия излучения при энергии накачки 4,5 Дж составила 40-45 мДж. Для модуляции добротности использовался электрооптический затвор из ниобата лития типа МНЛ-02, в качестве поляризатора использовался стеклянная пластина с нанесенным многослойным интерференционным покрытием.
Е, отн.ед 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0
0
15 30 45 60 75 90 105 120 135 150
Рис.8. Осциллограммы изменения энергии генерации в призменном резонаторе при Рн=90 Вт.
Из приведенных зависимостей видно, что для предложенного типа резонатора нестабильность энергии генерации от цикла к циклу не превышает 10-15%, а монотонное снижение энергии генерации в конце каждого цикла от 30% в первом цикле до 50% в конце 6 цикла в основном пропорционально температурному уменьшению коэффициента усиления.
При уменьшении длительности цикла накачки с 15 с до 5 с и компенсации наведенной в активном элементе тепловой линзы путем замены плоскопараллельного выходного зеркала
на плосковогнутое с радиусом кривизны г=2800 мм реализован циклический режим работы лазера с частотой повторения импульсов излучения до 50 Гц. При средней мощности накачки Рнак=225 Вт (Ен=4,5 Дж, Б=50 Гц) нестабильность (спад) энергии генерации моноимпульсного лазера с активным элементом из КГВ размерами 4х50 мм в первых 8 циклах излучения не превышала 20%, а уход диаграммы направленности - не более 30" при начальной энергии генерации 45 мДж и расходимости излучения по уровню 0,8 не более 11".
Столь высокая стабильность энергетических и пространственных характеристик излучения обеспечивалась в основном за счет оптимального режима термостабилизации активного элемента с использованием рассмотренной выше конструкции квантрона и учета анизотропии термооптических свойств кристалла КГВ.
Для оценки эффективности рассмотренного выше квантрона и схемы призменного резонатора проведены сравнительные исследования относительного изменения энергии излучения в режиме свободной генерации для лазеров с цилиндрическими активными элементами одинаковых размеров 3х50 мм из кристаллов ГСГГ, с концентрацией ионов хрома 1 -1020 см-3 ,ионов неодима
20 3
2 -10 см , ИАГ с 1,1 % концентрацией неодима и КГВ с 3% концентрацией неодима.
Активные элементы устанавливались в одну и ту же сапфировую трубку с внутренним диаметром 3,7 мм, толщиной стенки 2 мм и упруго прижимались с помощью прижимной пластины толщиной 0,7 мм к ближней от лампы накачки поверхности сапфировой трубки (Рис.1). Расстояние между осями лампы накачки ИНП2-35А и активных элементов 5,5 мм. Длительность импульса накачки по уровню 0,5 составляла 60 мкс. Коэффициент отражения выходного зеркала призменного резонатора Я=30%, длина резонатора 30 см. Ребро при двухгранном угле призмы полного внутреннего отражения, используемой в качестве «глухого» зеркала, перпендикулярно к плоскости, содержащей лампу накачки и активный элемент. Значение расходимости излучения по уровню 0,85 в лазерах с активными элементами из ИАГ, ГСГГ и КГВ в данном резонаторе 6,5", 8,5' и 7", соответственно.
На рис. 9 представлены результаты относительного изменения энергии генерации в первых трех циклах излучения при средней мощности накачки 90 В (Енак=4,5 Дж). Длительность цикла накачки 15 с, пауза 10 с .
Еген, отн.ед
Рис.9 Зависимость относительного изменения энергии генерации от времени для лазера с разными типами активных элементов.
Из представленных графиков видно, что нестабильность энергии генерации лазеров на активных элементах из кристаллов ГСГГ и КГВ, работающих без охлаждения в частотном режиме в рассматриваемом квантроне, примерно одинаковая.
Таким образом, проведенные исследования показали, что предложенная в настоящей работе система термостабилизации активного элемента и схема призменого резонатора могут быть эффективно использованы в импульсно-периодических лазерах, работающих без жидкостного охлаждения при повышенных мощностях накачки. При использовании же в указанных лазерах активного элемента из кристалла КГВ минимальные термооптические искажения, а соответственно, и стабильные энергетические и пространственные характеристики излучения обеспечиваются при ориентации плоскости поляризации (оси оптической индикатрисы Ыш) параллельно направлению максимального теплового потока со стороны разогретого до высоких температур баллона лампы накачки.
Оптимальная концентрация ионов неодима в активном элементе из КГВ размерами 4х50 мм, используемого в качестве активной среды частотного неохлаждаемого лазера, должна быть в пределах Сш=2,5-3,0%.
Список литературы:
1. Балашов И.Ф., Березин Б.Г.,Кондратьев В.С., Ханков С.И. Термическая деформация активного элемента ОКГ периодического действия без принудительного охлаждения.// Известия вузов. Приборостроение, т.21, №2, 1978.-С. 122-126
2. Балашов И.Ф., Березин Б.Г, Егоров Л.П, Затуловский Л.М, Кравецкий Д.И, Письменный В.А, Поляков М.И. Ханков С.И. Применение монокристаллических труб для выравнивания температуры в активной среде твердотельного лазера// Известия АН СССР. Серия физическая, т.44, №2, 1980г.-С 393-396.
3. Балашов И.Ф., Березин Б.Г., Бученков В.А, Евдоимова В.Г, Егоров Л.П, Затуловский Л.М, Кравецкий Д.И, Поляков М.И, Степанов А.И, Ханков С.И.Применение профилированных монокристаллов в импульсных системах накачки.// Известия АН СССР. Серия физическая, т.44, №2, 1980.-С.389-392.
4.Карасев В.Б. Резонаторы с вращением поля.// Оптический журнал, №81995.-С.24-27
5. Жариков Е.В., Житнюк В.А., Зверев Г.М., Калитин С.П., Куратев И.И.,Лаптев В.В., Онищенко А.М., Осико В.В.,Пашков В.А., Пименов А.С.,Прохоров А.М., Смирнов В.А., Стельмах М.Ф., Шестаков А.В., Щербаков И.А. Активные среды для высокоэффективных неодимовых лазеров с неселективной накачкой// Квантовая электроника, 9, №12, 1982.-С.2531-2533.
6. Волынкин В.М, Лукин А.В., Саховский С.Е., Ханков С.И. Малогабаритный твердотельнй лазер с чстотой повторения до 100 Гц// Оптический журнал, т.67, № 8, 2000.- С.74-79
7. Kushawaha, Banerjee A., Major L. High-Efficiency Flashlamp-pumped Nd : KGW Laser.// Appl. Phys. B 56, 1993.- Р. 239-242.
8. Устименко Н.С., Гулин А.В., Павлюк А.А. Влияние концентрации ионов неодима Nd3+ в кристаллах KGd(WO4)2: Nd3+ на характеристики лазера.//Приборы и техника эксперимента, №3, 2001.-С.120-121.
9. Беренберг В.А., Болдырев С.А., Леонов Г.С., Нестеренко В.Ф., Павлюк А.А., Терпугов В. С. Твердотельные микролазеры с накачкой миниатюрными импульсными лампами.// Квантовая электроника, 12, №2, 1985.-С. 375-377.
10. 51. Мочалов И.В. Нелинейная оптика лазерного кристалла калий-гадолиниевого вольфрамата, активированного неодимом KGd(WO4)2 : Nd 3+.// Оптический журнал,1995, №11.- С.4-36.
11. Сторощук О.Б, Сизов О.В. Положительное решение по заявке № 99127558 от 22.12.1999 г.
