Создание системы управления полупроводниковой накачкой активных элементов твердотельных лазеров и повышение ее эффективности

• Автор: Познышев, Александр Николаевич
• Шифр специальности: 05.13.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Владимир
• Количество страниц: 147 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
Введение .

4 Глава 1. Системный анализ проблемы создания высокоэффективных

систем оптической накачки

1.1. Анализ условий создания системы управления термостабилизации полупроводниковой лазерной матрицы
1.2. Анализ режимов и схем управления оптической накачкой активных элементов твердотельных лазерных систем .

1.3. Обобщенная системная блочномодульная модель

термостабилизированной матрицы

Выводы по главе 1 . ,

Глава 2. Теоретическое обоснование построения системы термостабилизации полупроводниковой лазерной матрицы .

2.1. Математическая модель системы термостабилизации матрицы

лазерных диодов на основе термоохлаждающих модулей
2.2. Структурные модели элементов системы управления полупроводниковой накачкой лазерных систем .
2.3. Математическая модель радиатора
2.4. Модель системы управления термостабилизацией .
Выводы по главе 2 .
Г лава 3. Установка для исследования процессов тепловой
стабилизации матрицы лазерных диодов
3.1. Стенд для отработки систем управления матрицы лазерных
диодов .
3.2. Система силового электропитания матрицы лазерных диодов
Выводы по главе 3 .
Глава 4. Исследование и практическая отработка системы
термостабилизации матрицы лазерных диодов на основе
термоэлектрического охлаждающего модуля .
4.1. Характеристика экспериментальных исследований.
4.2. Моделирование системы термостабилизации
4.3. Моделирование МЛД в критических условиях эксплуатации
4.4. Исследование системы тепловой стабилизации матрицы при использовании пористого кремния в теплоотводящих слоях .
4.5. Система стабилизации на основе форсированного отбора тепла
4.6. Термостабилизированная система широкого применения с полупроводниковой накачкой .
Выводы по главе 4
Заключение .
Список литературы


Оптическая накачка твердотельного лазера традиционно осуществляется импульсными лампами или другими устройствами, использующими электрический разряд в газе (квантроны и т. Однако такие системы обеспечивают весьма низкий коэффициент преобразования излучения накачки в выходное лазерное излучение, не превышающий 1,5% [5,,,,,]. Широкому использованию мощных твердотельных лазеров в промышленности препятствуют также невысокая надежность систем оптической накачки, значительные трудности в организации требуемого режима охлаждения оптических элементов лазера при работе в частотном режиме, значительные массо-габаритные характеристики системы электропитания, высокое напряжение разрядных цепей импульсных ламп накачки и др. Повышение эффективности твердотельных лазерных комплексов может быть достигнуто, если использовать для накачки активных элементов твердотельных лазеров двумерные полупроводниковые излучающие структуры - лазерные диоды, объединенные в линейки или матрицы. Опыт работы по эксплуатации твердотельных лазеров позволяет утверждать, что твердотельные лазеры с диодной накачкой обладают большими преимуществами по сравнению с твердотельными лазерами с ламповой накачкой. Это обусловлено расходимостью излучения, близкой к дифракционной, и лучшей стабильностью выходных характеристик лазера. Применение в твердотельных лазерах систем оптической накачки, основанных на лазерных матрицах, обеспечивает возможность получения более высокого КПД: теоретически может быть получено значение коэффициента преобразования излучения накачки в выходное лазерное излучение, то есть коэффициента полезного действия - КПД, до %; практически представляют интерес уя? КГІД, превышающие % [4,5,,,,,,]. Надежность таких систем может быть также достаточно высокой. Теоретически лазерная матрица может выдержать до ° импульсов при условии соблюдения характеристик эксплуатационных и технологических режимов -необходимых параметров термостабилизации активного слоя матрицы, параметров силового электропитания, оптимальной сборки полупроводниковых структур в матрицу. По сравнению с ламповой накачкой лазерные диоды имеют более узкий спектр излучения, что позволяет обеспечить практически идеальное согласование их спектров излучения с полосами поглощения материала активного элемента. Правда, лазерные диоды имеют сильную зависимость длины волны излуїения от температуры излучающей структуры, что предъявляет особо жесткие требования к системам регулирования теплового режима в системах накачки. Ширина спектра излучения полупроводниковых лазерных диодов по уровню 0,5 составляет 4 нм (см. С до +°С, при этом смещение спектра излучения полупроводниковых лазерных диодов может составлять до нм. Рис. Рис. Поэтому юстировка (совмещение длины волны излучения накачки лазерного диода с полосой поглощения вещества активного элемента) является одним из основных условий, обеспечивающих устойчивые параметры и КПД генерации твердотельных лазерных систем. Стабильность излучения накачки в полосе поглощения обычно используемого в качестве материала активного элемента иттрий-апюминиевого граната с неодимом Ыб:УАО в диапазоне 8 нм является критическим показателем эффективности таких М:УАО-лазеров с диодной накачкой, в особенности если учесть зависимость спектра излучения диодного лазера от температуры. Поэтому использование накачки полупроводниковыми лазерными диодами в лазерах, работающих в режиме одиночных импульсов, требует исследований особенностей и условий создания системы обеспечения заданных харакгеристик теплового режима МЛД; обычно требуется обеспечить погрешность не более ±1°С. Для иллюстрации сравнения КПД твердотельного лазера с диодной накачкой и накачкой, осуществляемой с помощью импульсных ламп, можно привести следующие соотношения. N0 - концентрация активных центров в стекле; Уг - частота индукционного излучения. Им По- степень перекачки над порогом генерации. Известно [9], что без учета потерь энергия лазерного излучения с 1 см1 активной среды равна Е= 0 Дж см 3. КПД твердотельных лазеров при накачке импульсными лампами составляет 1,5% [], поэтому удельные параметры лазерного излучения составляют ? Т}окг — тр трЬтр 1р.