Фазовая синхронизация линейки широкоапертурных лазерных диодов во внешнем резонаторе

• Автор: Кузьминов, Виталий Владимирович
• Шифр специальности: 01.04.21
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 147 с. : ил

Содержание
Содержание
Введение
ГЛАВА I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ по фазовой синхронизации линеек и матриц
лазерных диодов
ГЛАВА П. Пространственные характеристики излучения сфазированной линейки
лазерных диодов
2.1. Свойства излучения единичного диода во внешнем резонаторе
2.2. Фазовая синхронизация при связи «ближайших соседей»
2.3. Экспериментальные исследования схемы со связью
«ближайших соседей». Сопоставление с теоретическими данными
2.4. Синхронизация линейки лазерных диодов в резонаторе Тальбо. Оптимальность параметров линейки и резонатора
2.5. Синхронизация мощной линейки из №=20 лазерных диодов
2.6. Основные результаты и выводы
ГЛАВА Ш. Спектральные характеристики излучения сфазированной
линейки лазерных диодов
3.1. Общие положения взаимосвязи процессов тепловыделения и смещения спектра генерации лазерного излучения
3.2. Особенности поведения спектра генерации сфазированной линейки в импульсном режиме
3 .3. Особенности поведения спектра генерации сфазированной линейки в
квазинепрерывном и непрерывном режимах
3.4. Основные результаты и выводы
ГЛАВА IV. Свойства сфазированной линейки лазерных диодов
4.1. «Расширение» спектральной полосы фазовой синхронизации
4.2. Селекция продольных мод при фазовой синхронизации
4.3. Основные результаты и выводы
Заключение
Литература
Публикации автора по теме работы

Введение
Создание систем на основе синхронизированных одномерных линеек или двумерных матриц полупроводниковых лазерных диодов представляет одно из перспективных направлений современной лазерной физики. Излучение таких систем характеризуется высокой интенсивностью, а возможность увеличения числа излучателей в лазерном модуле позволяет увеличить и выходную мощность при сохранении качества пространственных характеристик излучения. КПД более чем 50% полупроводниковых лазеров позволяет рассматривать синхронизированный модуль как эффективный источник накачки твердотельных лазеров, которые за счет большого времени жизни верхнего рабочего уровня позволяют получить излучение с большой энергией в импульсе. Кроме того, синхронизированный во внешнем резонаторе набор полупроводниковых лазерных диодов, является моделью для разработки синхронизированного многоэлеменгного твердотельного лазера на основе дисковой конфигурации, в которой длина активного элемента значительно меньше длины резонатора. Также, несомненным достоинством синхронизированных систем является возможность генерации одной поперечной моды, соответствующей полной апертуре активной среды, включающей периодический набор излучателей, при длине резонатора во много раз меньше чем длина, которую бы имел резонатор, если бы активная среда была не дискретная, а непрерывная, т. е. компактность системы - еще одно из преимуществ синхронизируемого набора излучателей.
Фазовая синхронизация лазеров реализуется за счет оптической связи между ними. Оптическая связь может быть организована внутри линейки или во внешнем резонаторе. Наиболее устойчивым является синхронизированный режим, соответствующий связи каждого из излучателей с каждым. Такая связь (точнее близкая к указанной) устанавливается либо в пределах антиволноводных линеек со специально подобранными
скачками показателя преломления активной и пассивной сред, либо в резонаторе Тальбо, в котором эффект дифракционного воспроизведения поля периодического набора приводит к эффективной реализации связи всех излучателей со всеми.
Для достижения высоких мощностей излучения необходимо использовать линейки мощных широкоапертурных многомодовых в поперечном направлении лазерных диодов и решать проблему селекции одновременно как мод каждого из диодов, так и супермод набора этих диодов. Кроме того, если для узкоапертурных диодов гауссовское поперечное распределение в обеих плоскостях позволяло эффективно организовать обратную связь и получать мощностные характеристики в сфазированном режиме незначительно уступающие мощности несфазированной генерации набора, то для широкоапертурных диодов возникает проблема эффективного возврата излучения в активную среду вследствие несоответствия условия максимального энергосъема и одномодовости излучения каждого из диодов. При повышении средних мощностей излучения возрастает и мощность тепловыделения, что приводит к необходимости учитывать предельно допустимый градиент температуры вдоль линейки, что влечет за собой высокие требования как к технологическим процессам изготовления линеек и их монтажа на теплообменник, так и к физическим процессам, возникающим при интенсивном тепловыделении, таким как повышение температуры, неравномерное смещения спектра генерации диодов, образование «смайла» (от англ. «smile») линейки, т. е. ее искривления, что в значительной степени влияет на эффективность обратной связи, и т. д. Кроме того, с увеличением характерных размеров системы возрастают требования к точностям юстировки зеркал резонатора. Далее, для достижения синхронизированного режима необходимо просветлять внешний торец лазерного диода. Однако, при современном уровне технологии просветляющие покрытия позволяют увеличить порог генерации (на собственных торцах) лишь в 2-3 раза, что значительно ограничивает возможности получения мощного излучения, так как

2.2. Фазовая синхронизация при связи «ближайших соседей»
Прежде чем перейти к описанию результатов синхронизации излучения во внешнем резонаторе, приведем оценку размера области в которую дифрагирует излучение отдельного диода при отражении от внешнего зеркала. Пусть X есть расстояние от края диода до границы области дифракционного “затекания” излучения Тогда Х=2Ь-(ф/2), где ф-расходимость по уровню основания интенсивности излучения отдельного диода во внешнем резонаторе. Для обмена излучением Х11цг1=с1-5, где скпериод следования в линейке диодов апертурой 8. Так, для одного из используемых типов линеек (8=120 мкм, 6=200 мкм), Хт!п=<1-8=80 мкм. При длине внешнего резонатора Ь=1 см, соответствующей числу Френеля ^=0.45 ф[шп=8 мрад. В соответствии с распределением интенсивности для единичного диода (рис. 2.2) во внешнем резонаторе, уровень мощности соответствующий фтт=8 мрад меньше 1%
Наиболее простая связь реализуется при обмене излучением соседних диодов. Для линейки, состоящей из N связанных одномодовых в поперечном направлении излучателей устанавливается N собственных колебаний [19,б8]-супермод Для лазеров с однородными характеристиками, взаимодействующими с ближайшими соседними лазерами с одинаковой
долей обмена энергией, относительное распределение поля Е к для супермоды с порядковым номером V и к-го лазера есть:
. . 7СУ
Ек = 81П к — — ; у=1...Н к=1...И (2.1)
Распределение поля для супермоды V в ближней зоне дается выражением:
ЕУ(х,у) = ЕЕ^к(х,у) (2.2)

где Рк(х.у) есть поле в ближней зоне для к - лазера.