Пути создания мощных твердотельных лазеров

Выбор направления. Повышение мощности (энергии) лазерного излучения представляется важнейшей технической задачей. Но при решении этой задачи приходится учитывать дополнительные требования к качеству излучения, то есть к его модовому составу, поляризованности и, в конечном счете, к расходимости луча. В случае импульсного излучения добавляются требования к длительности и форме импульса. Поясню эти требования частным примером. Процесс резания материалов (дерева, листов металла и др.) требует не только достаточно большой мощности (энергии) излучения, но также обеспечения узкого и ровного реза. Для этого необходимо сфокусировать на материале лазерный луч в малоразмерное пятно, что осуществляется с помощью линзы. Минимальный размер пятна в фокусе линзы при прочих равных условиях определяется модовым составом излучения. Наилучшие результаты дает одномодовая структура излучения. Тогда не только обеспечивается тонкий качественный рез, но существенно повышается плотность энергии в пятне, благодаря чему снижаются требования к энергетике лазера.

В мощных твердотельных лазерах обе задачи – повышения мощности (энергии) луча и обеспечения при этом качественного состава излучения – решаются путем построения многокаскадных систем. Такие системы содержат три основные состав­ляющие: задающий генератор (ЗГ), элементы формирования пространственно-временной структуры луча и усилитель. Усилитель, в свою очередь, может представлять собой многокаскадную систему, состоящую из предуси­лителей и оконечных усилителей.

Задающий генератор, как правило, делается мало­мощным, но именно он решает задачу получения излу­чения необходимого качества. В усилительных каскадах мощность (энергия) наращивается при сохранении заданной структуры излучения. Огра­ничение выходной мощности, в конечном счете, определяется лучевой стойкостью активных элементов и оптического резонатора.

Задающий генератор. Это первый каскад многокаскадной системы. Как было сказано, именно он определяет качественные характеристики генерируемого излучения. Без принятия специальных мер в твердотельном генераторе возникает режим свободной генерации, осциллограмма которого представлена на рис. 3.13. В случае активного стержня из стекла с неодимом длительность генерируемого импульса составляет от 0,1 до 10 мс. Состав излучения заведомо многомодовый. Но именно в таком режиме от одного стержня достаточно большого размера получают гене­рацию с энергией в импульсе порядка нескольких килод­жоулей.

Таким образом, без принятия специальных мер ЗГ работает в режиме свободной генерации и выходной луч имеет многопичковую многомодовую структуру. Для обработки материалов это наихудший вариант. Чтобы улучшить структуру луча в ЗГ используют модуляцию добротности, селекцию и синхронизацию мод. Этого добиваются практически мгновенным просветлением модулирующего элемента. Порог генерации снижается, и накопленная энергия возбужденных ионов выделяется в коротком интенсивном импульсе лазерного излучения ("гигантский импульс").

В качестве элементов, модулирующих добротность оптического резонатора, используют: 1)электрические затворы – ячейки Поккельса или Керра; 2) механические затворы; 3) акустические затворы; 4) насыщающиеся поглотители. Подробности, касающиеся принципа работы и устройства таких элементов, приводятся в специализи­рованной литературе.

Твердотельный ЗГ с модуляцией добротности работает в одном из двух режимов: 1) импульсный режим с импульсной накачкой; 2) импульсно-периодический режим с непрерывной накачкой. В импульсном режиме для получения модуляции добротности применяют электрооптические и механические затворы, насыщающиеся поглотители. В импульсно-периодическом режиме – механические и акустооптические затворы.

Селекция мод. Тенденция твердотельного лазера генерировать многомодовое излучение определяется следующими обстоятельствами. Ширина контура усиления в таких лазерах достигает значений на уровне несколько сотен ГГц. Это намного больше межмодовых расстояний, равных с/2L, где L – длина резонатора. Эти расстояния порядка сотен МГц. В таких условиях линия уширения допускает возникновение множества мод. Для получения генерации на одной поперечной моде низшего порядка (ТЕМ_оо) на оси резонатора помещают диафрагму, радиус отверстия которой подбирается таким, чтобы для мод более высокого порядка потери бы заметно возрастали, а для выделяемой моды они оставались бы по-прежнему низкими.

Другой способ подавления нежелательных поперечных мод – использование неустойчивого резонатора с такими параметрами, чтобы эквивалентное число Френеля оказалось полуцелым. Тогда возникает большое различие в потерях мод высшего и низшего порядков, и генерирование первых становится невозможным.

Вторя задача – селекция продольных мод – решается более сложными техническими средствами. Например, внутри резонатора размещают один или несколько интерферометров Фабри-Перо, расстояние между отражающими поверхностями у которых L₁ много меньше длины резонатора L. Оценки показывают, что выбор значения L₁ определяется двумя условиями:

(3.33)

где n_r – показатель преломления эталона, Dn_о – ширина контура усиления, F – резкость эталона, с_о – скорость света в среде эталона. Первое из условий (3.33) определяет верхний предел длины эталона, а второе – нижний. Одновременное выполнение обоих условий возможно лишь в случае, когда

(3.34)

При невыполнении такого условия прибегают к использованию еще одного или нескольких эталонов Фабри-Перо. Условие генерирования одной продольной моды при использовании двух интерферометров таково:

(3.35)

Обычно значения F порядка 30, а n_r ~ 1,5.

В случаях, когда необходимо получить очень мощные короткие и сверхкороткие импульсы излучения (10^–9 – 10^–15 с) используют процессы синхронизации мод и укорочения длительности импульса. Оба процесса связаны с нелинейными преобразованиями. Тогда в схему ЗГ добавляются соответствующие оптические нелинейные элементы, подробности их устройства и функционирования выходят за рамки данной книги.

Любые усилия по подавлению продольных мод и по формированию импульсов излучения нужной формы и длительности сопряжены со значительными потерями энергии по сравнению с режимом свободной генерации. Поэтому ЗГ, как правило, создаются маломощными и последующее наращивание мощности и энергии осуществляется в усилительных каскадах.

Дата добавления: 2015-10-16