Термооптические искажения в неодимовых лазерах на основе пластинчатых активных элементов с продольной диодной накачкой

• Автор: Ляшедько, Андрей Дмитриевич
• Шифр специальности: 01.04.21
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 117 с. : ил.

Оглавление
Введение

Г лава 1. Литературный обзор

1Л Выбор активной среды лазера

1.2 Тепловые эффекты в активных средах

1.3 Пластинчатая геометрия активной среды

1.4 Выбор конфигурации системы накачки и теплоотвода

Глава 2. Расчет, изготовление, и контроль качества композитного пластинчатого ЫсйУАО активного элемента

2.1 Оценка размеров активного элемента с точки зрения теплоотвода

2.2 Расчет распределения температуры вдоль композитного пластинчатого АЭ

2.3 Расчет зигзагообразного хода пучка в АЭ и изготовление композитных элементов
2.4 Исследование фазовых искажений тестового пучка в модельных экспериментах
2.5 Выводы к Главе
Глава 3. Исследование температурных профилей и термооптических искажений в пластинчатом №:УАО активном элементе при продольной диодной накачке
3.1 Измерение профиля температуры вдоль композитного пластинчатого АЭ при продольной накачке
3.1.1 Накачка диодными модулями с волоконным выходом (Х=805 нм)
3.1.2 Накачка диодными матрицами (А,=793нм)
3.2 Исследование термооптических искажений пучка в пластинчатом активном элементе с продольной диодной накачкой
3.2.1 Искажения лазерного пучка при накачке АЭ диодными модулями с одной фокусирующей линзой

3.2.2 Искажения лазерного пучка при накачке АЭ диодными модулями с фокусировкой трехлинзовым объективом
3.2.3 Искажения лазерного пучка в случае накачки АЭ диодными матрицами
3.3 Выводы к Главе
Г лава 4. Исследование генерационных характеристик лазера на основе пластинчатого ,Ш:УАО активного элемента с зигзагообразным ходом пучка
4.1 Исследование коэффициента усиления слабого сигнала в пластинчатом активном элементе с продольной диодной накачкой
4.2 Многопроходный усилитель на основе пластинчатого АЭ с зигзагообразным ходом пучка
4.3 Генерационные исследования лазера на основе пластинчатого активного элемента с зигзагообразным ходом пучка
4.4 Выводы к Главе
Заключение
Литература

Введение.
Лазеры нашли широкое применение в современном мире в таких областях как телекоммуникации, обработка материалов, медицина. Мировой рынок лазерных систем в 2011 году составил 6,37 млрд. $, из которых 35,2 % составляют лазеры для обработки материалов [1]. Для использования в технологических целях требуются лазеры с выходной мощностью от 10 Вт до нескольких десятков киловатт. Лазеры широко применяют в системах маркировки [2], в гравировальных станках, используют для резки, сварки, сверления металлов [3, 4] и других конструкционных материалов. Широкое применение в промышленности нашли 10-мкм газовые лазеры, за счет высокой мощности, как в непрерывном, так и в импульсном режиме [5]. Однако для большого числа применений предпочтительной является длина волны порядка 1 мкм. Данный диапазон длин волн представляют твердотельные и волоконные лазеры на основе активных сред, легированных ионами неодима или иттербия [6]. Таким образом, актуальность данной диссертационной работы обусловлена бурным развитием полупроводниковых лазерных диодов, разработками на их основе мощных неодимовых лазеров и иттербиевых лазеров, выполненных как в твердотельном, так и в волоконном вариантах.
Средняя мощность генерации твердотельного лазера ограничена, главным образом, тепловыми эффектами [7]. Наличие внутреннего тепловыделения в активной среде и теплоотвода с ее поверхности, вызывает появление неоднородных температурных полей в активном элементе (АЭ). Неоднородный нагрев активной среды приводит к оптическим искажениям лазерного пучка из-за того, что оптический путь для разных лучей в пучке является разным (термолинза) или вследствие изменения состояния поляризации излучения из-за термонаведенного двулучепреломления [8, 9]. Наличие градиента температуры в активной среде так же приводит к возникновению механических напряжений, которые в предельном случае

Вт/см2К.
Вт/см К. Теплопроводность кристалла Ш:УАО при комнатной
температуре составляет около 0,14 Вт/см2К [35]. Тогда максимальной значение температуры в центре активного элемента составит:

а величина перепада температуры в сечении пластины:
Формулы (10), (11) позволяют оценить требуемые размеры активного элемента, который способен работать при выделяемой в нем тепловой
МОЩНОСТИ Ртепл-
В работах [31-33] экспериментально и теоретически показано, что нагрев кристалла Кё:УАО на 100 градусов приводит к снижению коэффициента усиления примерно на 20% относительно его значения при комнатной температуре. Поэтому для эффективной работы лазера необходимо, чтобы максимальная температура активного элемента не превышала 120 °С. Максимальный перепад температуры между центром активного элемента и охлаждаемой гранью, при котором происходит разрушение АЭ, можно оценить по формуле, представленной в [35]:
Для кристалла YAG значение константы R-7,9 [73], следовательно, значение максимального перепада температуры при котором наступает
пластинчатым активным элементом составляет около 30% по поглощенному свету накачки [59, 63]. В случае неоптимизированной системы накачки кпд может снижаться до 20%, поэтому для создания, например, 400-Вт лазера
(12)
разрушение активного элемента, составляет порядка 85 °С. КПД лазера с