Особенности формирования дифракционно ограниченного излучения в мощных многоканальных импульсно-периодических лазерных системах на ND: YAG

• Автор: Палашов, Олег Валентинович
• Шифр специальности: 05.27.03
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1999
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 132 с.

Содержание
Введение
Глава 1. Исследование и оптимизация основных составляющих узлов импульснопериодической многоканальной лазерной системы на Nd:YAG
1.1. Принципы построения мощных лазерных систем с суммированием каналов. Требования к основным узлам
1.2. Создание и исследование различных схем задающего генератора с модуляцией добротности и 100%-ной вероятностью генерации одной продольной моды
1.2.1. Новый способ селекции продольных мод, основанный на модуляции длины резонатора
1.2.2. Новая схема кольцевого задающего генератора на Nd:YAG
1.3. Исследование особенностей работы ВРМБ-сред в качестве ОВФ-зеркала и фазатора в импульсно-периодическом режиме
1.3.1. Влияние поглощения гиперзвука на работу ВРМБ-зеркала в импульснопериодическом режиме
1.3.2. Особенности фазированного суммирования двух ортогонально поляризованных лазерных пучков с малой энергией
1.4. Формирование импульса в Nd: YAG лазерах с ВРМБ-зеркалами
1.4.1 Исследование искажений формы лазерного импульса в многопроходных усилителях с ВРМБ-зеркалами
1.4.2. Nd:YAG лазер с перестраиваемой длительностью импульса и дифракционной расходимостью
1.5. Исследование работы четырехпроходного двухкаскадного широкоапертурного
Nd:YAG - усилителя в импульсно-периодическом режиме
Глава2. Экспериментальное исследование фазированного суммирования лазерных каналов
2.1. Исследование качества фазировки в двухканальном Nd:YAG лазере. Определение требований к фазируемым пучкам
2.2. Черырехканальный импульсно-периодический Nd:YAG лазер с дифракционным качеством выходного излучения
Заключение
Список литературы

Введение
Лазер, как источник мощного оптического излучения с дифракционной направленностью стал незаменимым инструментом для различных научных исследований и технологических процессов. Создание таких лазеров является важнейшей и довольно сложной задачей квантовой электроники. На сегодняшний день одними из самых распространенных являются твердотельные лазеры. Исторически первыми появились работающие в разовом режиме лазеры, использующие в качестве активной среды рубин, силикатные и фосфатные стекла допированные ионами неодима. Позднее широкую популярность получил алюмоиттриевый гранат с неодимом - Кс1:УЛО. Этот кристалл по сравнению с другими лазерными активными средами обладает удачным сочетанием физических и спектральных свойств, позволяющих ему успешно работать не только в разовом, но и в импульсно-периодическом и непрерывном режимах. Излучение лазеров на гранате с неодимом находится в ближнем инфракрасном диапазоне спектра. С помощью хорошо известных методов нелинейной оптики основная частота эффективно преобразуется в видимый и ближний ультрафиолетовый диапазон. Эта возможность существенно расширяет области применения Ш:УАО лазеров.
На сегодняшний день лазеры на Ш:УАО широко используются в различных сферах человеческой деятельности, таких как промышленность, медицина, научные исследования и т.д. Дифракционное излучение мощных лазерных систем на Ш:УАС нашло применение в качестве накачки фемтосекундных лазеров на ТиБа [1,2], в лидарах [3,4] - оптических устройствах, используемых при решении экологических проблем (измерение малых примесей в воздухе, скорости ветра,, турбулентности атмосферы). Излучение дифракционного качества используется также для создания источников рентгеновского и гамма излучений и потоков ионов, для голографической интерферометрии, дистанционных измерений и т.д. [5]. В этих приложениях является актуальным сочетание дифракционного качества с высокой мощностью излучения.
Лазеры, имеющие выходное излучение средней мощностью более 100Вт и пиковой мощностью более 100МВт. будем называть лазерами с высокой средней и пиковой мощностью. Создание лазеров с такой мощностью одночастотного дифракционно ограниченного излучения сопряжено с рядом трудностей.
Основной проблемой при получении дифракционной расходимости излучения в твердотельных лазерах являются возникающие в активных элементах (АЭ) усилителей

аберрации - искажения волнового фронта оптического излучения. Для компенсации аберраций довольно часто используют различные виды вынужденного рассеяния (ВР), которые позволяют, при выполнении ряда условий, реализовывать обращение волнового фронта (ОВФ) [6-17]. Эффект ОВФ позволяет обращенному излучению проходить через аберрационные элементы строго в обратном направлении, восстанавливая исходный волновой фронт. Одним из наиболее используемых видов ВР в задачах ОВФ света является ВРМБ - вынужденное рассеяние Мандельштама - Бриллюэна. Это связано со сравнительно высокой константой усиления и, следовательно, низким порогом возбуждения ВР, малым сдвигом частоты, преимущественным рассеянием в обратном направлении и малым временем установления стационарного режима.
Компенсация аберрационных искажений при помощи ВРМБ-зеркала изучена достаточно подробно в лазерах, работающих в разовом режиме или при низких частотах повторения (для Nd:YAG не более 1Гц), когда можно пренебречь деполяризацией излучения [6-11,15-17].
Под деполяризованным излучением будем понимать такое излучение, состояние поляризации которого не меняется во времени, но различно в разных точках поперечного сечения пучка [18]. Возникновение эффекта деполяризации в АЭ при высокой средней мощности накачки обусловлено градиентом температуры. Направление наведенных оптических осей и разность показателей преломления обыкновенной и необыкновенной волн различны в различных точках поперечного сечения, что приводит к деполяризации излучения. Подробное описание термооптических свойств АЭ твердотельных лазеров приведено в монографиях [19,20]. Поляризационные искажения в АЭ усилителей приводят к необходимости восстанавливать не только плоский волновой фронт, но и линейную поляризацию излучения. Компенсация аберрационных искажений с помощью ВРМБ-зеркала при высоких частотах, когда деполяризацией пренебрегать нельзя, также подробно исследовались [21-29]. Однако данные исследования ограничивались относительно невысокими значениями пиковой (30-50МВт) и средней (30-40Вт) мощности лазерного излучения.
Уменьшение деполяризации можно осуществить использованием прямоугольных (slab) АЭ [30,31]. Однако в таких АЭ деполяризация на краях сильнее, чем в цилиндрических, а формируемый пучок имеет прямоугольное сечение. В цилиндрических АЭ с ориентацией [001] также можно уменьшить деполяризацию. В таких АЭ деполяризация существенно зависит от ориентации поляризации излучения относительно кри-

повернуть на угол а (рис. 1.5), который определяется расстоянием от зеркала 8 до дальнего торца АЭ (=30см) и диаметром АЭ и равен 0,5°. Таким образом, оптический луч в обоих направлениях идет по разному пути в АЭ, охватывая больший его объем, что приводит к увеличению энергии в излучении. Поляризатор 5 имеет стандартные характеристики коэффициентов пропускания луча Г| | и 7 ,и при отстройке луча от собственного угла поляризатора в пределах 1° значение Т уменьшается не более чем на 1%, а Т± не изменяется. Поэтому изменение в небольших пределах траектории луча в схеме практически не влияет на суммарные потери генератора. В такой геометрии выходная энергия излучения увеличилась в двое и составила 35мДж в гигантском импульсе без существенного изменения длительности.
С увеличением частоты следования импульсов f без изменения диаметра диафрагмы величина выходной энергии IV несколько уменьшается:
(=12,5Гц, ¥=35мДж;
£=25,0Гц, W=ЗЗмДж:
£=50,0Гц, У=30мДж.
Это, по-видимому, связано с уменьшением поперечного размера генерируемой моды из-за увеличения оптической силы тепловой линзы АЭ при увеличении мощности накачки (см. рис. 1.6).
Кроме того, увеличение частоты / приводит не только к уменьшению фокуса линзы АЭ I7, но и к росту деполяризации у, наведенной в АЭ, а следовательно, к увеличению потерь в резонаторе. На рис. 1.7 приведены зависимости параметра у от мощности накачки Рр для двух различных АЭ, выполненных из Ш:УАО диаметром 6.3мм. Как видно из рис. 1.7, степень деполяризации излучения при используемых нами мощностях накачки незначительна и, следовательно, практически не влияет на величину выходной энергии. Однако, при дальнейшем увеличении средней мощности накачки доля деполяризованного излучения возрастает, что необходимо учитывать при создании лазеров с высокой частотой следования импульсов.
Проведенные измерения показывают, что разработанная конфигурация лазерного импульсно-периодического N(1:УАО-генератора позволяет в два раза увеличивать эффективность энергосъема с АЭ при сохранении энергии накачки. Данное обстоятельство позволяет надеяться на значительное увеличение энергии генерируемого импульса с сохранением одномодовости и одночастотности излучения при использовании АЭ хо-