ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ДИОДНОЙ НАКАЧКОЙ С БОЛЬШИМ КОЭФФИЦИЕНТОМ УСИЛЕНИЯ И ВЫСОКОЙ СРЕДНЕЙ МОЩНОСТЬЮ
SOLID AMPLIFIER OF LASER RADIATION WITH DIODE PUMP WITH LARGE AMPLIFICATION COEFFICIENT AND HIGH AVERAGE POWER

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано для усиления непрерывного, импульсного или импульсно-периодического лазерного излучения. Устройство может быть использовано в качестве конечного усилителя для увеличения мощности задающих лазерных генераторов, а также в качестве предусилителя в крупных высокомощных лазерных установках. В том числе устройство может быть применено для усиления излучения волоконного лазера.
Твердотельные лазерные усилители с диодной накачкой - это бурно развивающаяся технология современной лазерной техники. Основными требованиями, предъявляемыми к данным устройствам, является возможность работы при высокой средней и пиковой мощности и большое усиление. Кроме того, такие усилители должны быть стабильны и надежны, а для этого они должны иметь простую оптическую схему и не подвергаться влиянию тепловых эффектов. Важнейшим параметром при разработке усилителя является выбор геометрии активного элемента, позволяющей сочетать эффективное усиление сигнала и эффективное охлаждение активной среды, необходимое для работы при высокой средней мощности. Можно выделить три наиболее успешных геометрии активного элемента: тонкий стержень, тонкий слэб и тонкий диск.
Известны усилители, в которых в качестве активного элемента использованы тонкие стержни, в роли которых выступает оптическое волокно (см., например, заявку JP 2012104748 (А) МПК H01S 3/04, 3/067, опубл. 31.05.2012; патент JP 4793311 (В2) МПК H01S 3/06 публ. 23.10.2008). Усилители на тонком стержне (X.  et. al., Optics Letters, 38 (2), pp 109-111, 2013) обладают большим усилением за проход (>10). Однако малый поперечный размер кристалла строго ограничивает энергию импульса сигнального излучения в районе 1 мДж, а возникающая сильная тепловая линза ограничивает среднюю мощность усилителя на уровне нескольких сот ватт.
Усилители на тонких дисках способны работать при средней мощности более 1 кВт и выдерживать импульсы энергией 1 Дж, но обладают очень малым усилением за проход (~1.15). Это вынуждает использовать разные варианты многопроходных и регенеративных схем усилителя, что существенно усложняет и удорожает устройство (см., например, М. Larionov et. Al., ASSL-2014 OSA Technical Digest, p. ATh2A.51; пат. US 8908737 МПК H01S 3/16, 3/042, 3/06 опубл. 09.12.2014).
В геометрии тонкого слэба поперечный размер пучка сигнального излучения ограничен лишь по одной координате, что позволяет наращивать энергию импульсов и среднюю мощность на выходе усилителя. При этом благодаря существенной длине пути излучения в кристалле достигается большое усиление за один проход. Таким образом, усилители на тонком слэбе представляют собой перспективную технологию с большим потенциалом развития в области лазеров высокой средней и пиковой мощности.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является взятый за прототип твердотельный усилитель лазерного излучения с большим коэффициентом усиления и высокой средней мощностью на основе твердотельного активного элемента геометрии тонкого слэба с продольной диодной накачкой (патент US 6351477 МПК H01S 3/042, 3/067, опубл. 26.02.2002). Такой усилитель часто называют усилителем на «Иннослэбе». Он используется как в однопроходной, так и в многопроходной конфигурациях (Russbueldt et. al. "Compact diode-pumped 1.1 kW Yb:YAG Innoslab femtosecond amplifier", Optics letters 35 (24) pp. 4169-4171 (2010).
Конструкция однопроходного усилителя включает твердотельный активный элемент, систему охлаждения активного элемента, один или два диодных источника излучения накачки, оптическую систему для формирования и заведения излучения накачки в твердотельный активный элемент, оптическую систему для заведения усиливаемого лазерного излучения в твердотельный активный элемент, а также оптическую систему для вывода усиливаемого лазерного излучения из усилителя.
Твердотельный активный элемент выполнен в форме тонкого прямоугольного параллелепипеда - слэба. Две торцевые грани служат для ввода в твердотельный активный элемент и вывода из твердотельного активного элемента излучения накачки и усиливаемого лазерного излучения. Две большие боковые грани активного элемента служат для его охлаждения. Оптические системы для заведения излучения накачки и усиливаемого лазерного излучения в активный элемент обеспечивают их свободное распространение и максимальное перекрытие в активном элементе, а также максимальное заполнение объема активного элемента излучением. Благодаря тому, что активный элемент имеет малую толщину, он эффективно охлаждается, и, следовательно, усилитель может работать при высокой средней мощности. Для заведения усиливаемого лазерного излучения в усилитель и вывода усиливаемого лазерного излучения из усилителя используются дихроичные зеркала, разделяющие в пространстве излучение накачки и усиливаемое излучение.
Первый недостаток прототипа заключается в том, что погонное усиление в дальней по ходу распространения излучения накачки части слэба существенно меньше, чем в ближней. Это объясняется тем, что по мере распространения излучения накачки в активном элементе происходит поглощение этого излучения, и его интенсивность существенно уменьшается от той части слэба, куда вводилось излучение накачки до противоположного конца слэба. Снижение интенсивности накачки ограничивает усиление в активном элементе. Для устранения этого недостатка обычно используют схему усилителя, где излучение накачки заводится в активный элемент с двух противоположных торцов. Это можно реализовать, используя два отдельных источника излучения накачки или разделяя идущий от одного источника пучок накачки на два. Такое решение существенно усложняет конструкцию усилителя.
Второй недостаток прототипа заключается в том, что эффективность извлечения мощности из ближней по ходу распространения усиливаемого лазерного излучения части слэба существенно меньше, чем из дальней. Это связано с тем, что интенсивность усиливаемого лазерного излучения в ближней по ходу распространения части слэба существенно ниже, чем в дальней из-за усиления. В результате в усилителе, где усиливаемое излучение проходит через активный элемент только один раз, мощность извлекается малоэффективно. Для решения этой проблемы обычно используют схему усилителя, в которой усиливаемое излучение проходит через активный элемент несколько раз, что также существенно усложняет конструкцию усилителя.
Третий недостаток прототипа заключается в том, что при усилении лазерных импульсов до больших энергий В-интеграл усилителя и вероятность оптического пробоя в толще активного элемента или на его торцах существенно возрастают. Это связано с тем, что энергия импульса при распространении в активном элементе растет, а размер пучка излучения остается неизменным. Поэтому энергия и пиковая мощность импульсов на выходе усилителя ограничены. Для увеличения мощности импульсов излучения можно использовать схему усиления чирпированных импульсов, но это существенно усложняет и удорожает конструкцию усилителя.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка способного работать при высокой средней и пиковой мощности твердотельного усилителя лазерного излучения, который обеспечивал бы большой коэффициент усиления и эффективное извлечение запасенной мощности вдоль всей длины активного элемента усилителя при одном проходе усиливаемого лазерного излучения и излучения накачки через активный элемент усилителя.
Технический результат в предлагаемом изобретении достигается за счет того, что предложенный твердотельный усилитель лазерного излучения с диодной накачкой с большим коэффициентом усиления и высокой средней мощностью, так же как и устройство-прототип, содержит, по крайней мере, один основанный на лазерных диодах источник излучения накачки, твердотельный активный элемент в форме шестигранника с двумя параллельными торцевыми гранями, служащими для ввода излучения в активный элемент и вывода излучения из активного элемента и изготовленными в форме тонких прямоугольников, расположенных так, что оптическая ось усилителя проходит через центры торцевых граней и перпендикулярна им, с двумя другими противоположными друг другу большими боковыми гранями в форме равных прямоугольников, служащими для отвода тепла от активного элемента, систему охлаждения указанных больших боковых граней активного элемента, оптическую систему для формирования пучка излучения накачки и заведения его в твердотельный активный элемент, оптическую систему для формирования пучка усиливаемого лазерного излучения и заведения его в твердотельный активный элемент, а также оптическую систему для вывода усиливаемого лазерного излучения из усилителя.
Новым в разработанном твердотельном усилителе лазерного излучения с диодной накачкой с большим коэффициентом усиления и высокой средней мощностью является то, что ширина торцевых граней активного элемента разная, при этом оптическая система для заведения излучения накачки в твердотельный активный элемент расположена со стороны большей торцевой грани, а оптическая система для заведения усиливаемого лазерного излучения в твердотельный активный элемент расположена со стороны меньшей торцевой грани. Большие боковые грани активного элемента покрыты отражающим материалом, что обеспечивает волноводное распространение излучения накачки в части активного элемента со стороны меньшей торцевой грани.
В первом частном случае реализации разработанного устройства целесообразно в качестве отражающего материала выбрать металл.
В другом частном случае реализации изобретения в качестве отражающего материала целесообразно выбрать диэлектрик с меньшим, чем у твердотельного активного элемента, показателем преломления. Диэлектрическая оболочка обеспечивает волноводное распространение излучения накачки за счет эффекта полного внутреннего отражения на границе твердотельного активного элемента и диэлектрика. При этом оптическую систему для заведения излучения накачки в твердотельный активный элемент следует выполнить так, чтобы угол падения излучения накачки на границу твердотельного активного элемента и отражающего материала был больше критического угла полного внутреннего отражения.
В третьем частном случае реализации изобретения в качестве отражающего материала целесообразно использовать непосредственно слой жидкости, циркулирующей в системе охлаждения и имеющей меньший показатель преломления, чем у активного элемента. Жидкостная оболочка обеспечивает волноводное распространение излучения накачки за счет эффекта полного внутреннего отражения на границе твердотельного активного элемента и слоя охлаждающей жидкости. Оптическую систему для заведения излучения накачки в твердотельный активный элемент в таком случае следует изготовить так, чтобы угол падения излучения накачки на границу твердотельного активного элемента и отражающего материала был больше критического угла полного внутреннего отражения.
Сущность изобретения поясняется следующими чертежами.
На фиг. 1 представлена геометрия твердотельного активного элемента, используемого в предлагаемом изобретении.
На фиг. 2 представлена в общем виде используемая авторами схема предлагаемого усилителя лазерного излучения.
Используемый в заявленном устройстве твердотельный активный элемент 1, изготовленный в форме шестигранника и показанный на фиг. 1, содержит торцевые грани 2 и 3, выполненные в виде тонких прямоугольников разной ширины, параллельных друг другу и перпендикулярных оптической оси усилителя (оси Z), а также большие боковые грани 4 в форме равных прямоугольников.
Конструкция разработанного лазерного усилителя, представленная на фиг. 2, содержит основанный на лазерных диодах источник излучения накачки 5, расположенный перед оптической системой 6, представляющей собой набор сферических и цилиндрических линз и используемой для формирования заданных параметров пучка излучения накачки и заведения этого пучка в твердотельный активный элемент 1 со стороны большей торцевой грани 3. Со стороны меньшей торцевой грани 2 активного элемента 1 расположена оптическая система 7 для заведения усиливаемого лазерного излучения внутрь активного элемента 1. В качестве оптической системы 7 используется определенный набор сферических и цилиндрических линз, формирующих лазерный пучок с требуемыми параметрами. Большие боковые грани 4 активного элемента 1 покрыты отражающим материалом 8, обеспечивающим волноводное распространение излучения накачки в части активного элемента 1 со стороны меньшей торцевой грани 2. Для отведения тепла с боковых граней 4 вокруг активного элемента 1 размещена система охлаждения 9.
В частном случае реализации заявленного изобретения в качестве отражающего материала 8 используется металл, например золото или серебро, которые обладают наилучшим коэффициентом отражения.
В другом частном случае изготовления усилителя согласно п. 3 формулы материал 8, покрывающий боковые грани 4, выполнен из диэлектрика, имеющего меньший показатель преломления, чем у твердотельного активного элемента 1, например, в качестве диэлектрика в частном случае может быть использовано кварцевое стекло. Использование диэлектрика предпочтительнее по сравнению с металлами, т.к. при отражении излучения от металла неизбежно возникают потери.
В усилителе лазерного излучения по п. 4 формулы использована жидкостная система охлаждения 9. При этом отвод тепла от больших боковых граней 4 твердотельного активного элемента 1 происходит за счет постоянного перемещения охлаждающей жидкости с меньшим показателем преломления, чем у активного элемента 1, вдоль поверхностей граней 4. В этом случае в качестве отражающего материала 8, обеспечивающего волноводное распространение излучения накачки, выступает непосредственно слой жидкости, циркулирующей в системе охлаждения 9. В усилителе лазерного излучения по пп. 3 и 4 формулы оптическая система 6 для заведения излучения накачки в твердотельный активный элемент 1 устроена так, чтобы угол падения излучения накачки на границу твердотельного активного элемента 1 и слоя 8 отражающего материала был больше критического угла полного внутреннего отражения.
Между оптической системой 6 и торцом 3 активного элемента 1 расположено дихроичное зеркало 10, разделяющее излучение накачки и усиливаемое лазерное излучение.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
Излучение основанного на лазерных диодах источника накачки 5 заводится в твердотельный активный элемент 1 с помощью оптической системы 6 для заведения излучения накачки. Оптическая система 6 для заведения излучения накачки направляет его на большую торцевую грань 3 твердотельного активного элемента 1, при этом формируя пучок накачки таким образом, чтобы на грани 3 форма пучка повторяла форму этой грани, а размер пучка был меньше, чем размер грани 3. В более широкой части активного элемента 1 около грани 3 излучение накачки распространяется свободно, а в остальной части активного элемента 1 по мере его сужения - волноводным образом за счет многократного отражения излучения накачки от отражающего материала 8.
pump
Мощность излучения накачки (P) по мере распространения в твердотельном активном элементе 1 (по оси z) спадает по экспоненциальному закону из-за поглощения:
pump
pump0
pump
P(z)=Pexp(-αz),
pump0
pump
где P - мощность излучения накачки на входе в твердотельный активный элемент 1, α - коэффициент поглощения. При этом площадь сечения твердотельного активного элемента 1 уменьшается вдоль оси z по линейному закону:
big
small
где h - ширина большей торцевой грани 3 твердотельного активного элемента 1, h - ширина меньшей торцевой грани 2 твердотельного активного элемента 1, L - длина твердотельного активного элемента 1, d - ширина твердотельного активного элемента 1 (см. фиг. 1). В области твердотельного активного элемента 1, где излучение накачки распространяется волноводным образом, площадь сечения пучка накачки равна площади сечения твердотельного активного элемента 1:
pump
S(z)=S(z).
Интенсивность излучения накачки в каждой точке вдоль оси z находится по формуле:
Размеры твердотельного активного элемента 1 подбираются таким образом, чтобы интенсивность излучения накачки практически не зависела от z, т.е. мало менялась вдоль всей длины L активного элемента 1. Такую зависимость можно реализовать различными способами. Например, из формулы следует, что интенсивность накачки на торцевых гранях 2 и 3 твердотельного активного элемента 1 будет одинаковой при выполнении условия:
Это позволяет создать равномерное распределение погонного коэффициента усиления вдоль оси z в длинном твердотельном активном элементе 1, используя схему усилителя, где излучение накачки заводится в твердотельный активный элемент 1 только с одного торца 3. Таким образом, можно достигнуть большого коэффициента усиления, используя простую систему заведения излучения накачки в активный элемент 1.
Усиливаемое лазерное излучение заводится в твердотельный активный элемент 1 с помощью оптической системы 7 и распространяется в твердотельном активном элементе 1 свободным образом. Оптическая система 7 для заведения усиливаемого лазерного излучения направляет его на меньшую торцевую грань 2 элемента 1 и формирует пучок излучения следующим образом. Форма падающего на грань 2 лазерного пучка повторяет форму грани 2, но размер самого пучка оказывается меньше размера упомянутой грани. По мере своего распространения в твердотельном активном элементе 1 размер пучка усиливаемого лазерного излучения увеличивается пропорционально увеличению поперечного размера твердотельного активного элемента 1. Таким образом, размер пучка усиливаемого лазерного излучения по любому направлению в плоскости, перпендикулярной оси Z, должен быть прямо пропорционален размеру активного элемента 1. Для оптимального извлечения запасенной мощности из твердотельного активного элемента 1 при минимальных дифракционных потерях на его краях коэффициент пропорциональности k должен составлять 0,6-0,8.
Площадь сечения пучка усиливаемого лазерного излучения в твердотельном активном элементе 1 прямо пропорциональна площади сечения S(z) твердотельного активного элемента 1 в каждой точке вдоль оси z:
las
2
S(z)=k⋅S(z)
las
Мощность усиливаемого лазерного излучения P по мере распространения в твердотельном активном элементе 1 (против оси z) растет по экспоненциальному закону из-за усиления:
las
las0
las
P=Pexp(α(L-z)),
las0
las
где P - мощность усиливаемого лазерного излучения на входе в твердотельный активный элемент 1, α - коэффициент усиления. С учетом того, что площадь сечения твердотельного активного элемента 1 против оси z увеличивается по линейному закону, интенсивность усиливаемого лазерного излучения в каждой точке вдоль оси z находится по формуле:
Таким образом, интенсивность усиливаемого лазерного излучения зависит от z существенно слабее, чем в геометрии устройства-прототипа. Благодаря этому запасенная мощность эффективно извлекается вдоль всей длины твердотельного активного элемента 1. Это позволяет использовать схему усилителя, в которой усиливаемое лазерное излучение проходит через твердотельный активный элемент 1 только один раз. Таким образом, оптическая система 7 для заведения усиливаемого лазерного излучения в твердотельный активный элемент 1 существенно упрощается.
Кроме того, при усилении лазерных импульсов до больших энергий увеличение размера пучка усиливаемого лазерного излучения по мере распространения в твердотельном активном элементе 1 позволяет уменьшить В-интеграл усилителя и вероятность оптического пробоя в толще твердотельного активного элемента 1 и на его торцах 2 и 3. Благодаря этому усилитель может быть использован без схемы усиления чирпированных импульсов для получения импульсов с большой энергией.
Разделение излучения накачки и усиливаемого лазерного излучения осуществляется с применением дихроичного зеркала 10, которое пропускает излучение накачки и отражает усиливаемое лазерное излучение или наоборот.
В конкретной реализации заявленного изобретения в качестве активного элемента использовался кристалл алюмоиттриевого граната, легированного ионами Yb3+ с концентрацией ионов 1 ат. % следующей геометрии: входная торцевая грань 3 - прямоугольник с длинами сторон 0,3 мм на 10 мм, выходная торцевая грань 2 - прямоугольник с длинами сторон 1,5 мм на 10 мм. Длина кристалла L - 30 мм. В качестве накачки использованы несколько параллельных диодных линеек общей мощностью несколько сот ватт.
Таким образом, предлагаемый усилитель лазерного излучения за счет специальной геометрии активного элемента способен работать при высокой средней и пиковой мощности с высоким качеством пучка, обеспечивать большой коэффициент усиления и эффективное извлечение запасенной мощности вдоль всей длины активного элемента при одном проходе излучения накачки и усиливаемого лазерного излучения через активный элемент усилителя. Кроме того, в таком однопроходном усилителе лазерного излучения отпадает необходимость использования нескольких источников накачки и сложных оптических систем для заведения и разделения пучков лазерного излучения и излучения накачки, а также схемы усиления чирпированных импульсов, что существенно упрощает и удешевляет конструкцию усилителя.