МЕТОД СПЕКТРАЛЬНО-ПОЛЯРИЗАЦИОННОГО СВЕДЕНИЯ НЕСКОЛЬКИХ ЛАЗЕРНЫХ ПУЧКОВ В ОДИН ДЛЯ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЙ ЛАЗЕРНОЙ НАКАЧКИ ШИРОКОПОЛОСНЫХ СРЕД
METHOD OF SPECTRAL-POLARIZATION CONVERGENCE OF SEVERAL LASER BEAMS TO ONE FOR HIGH-EFFICIENT LASER PUMPING OF BROADBAND MEDIA

Область техники
Техническое решение относится к области лазерной техники и квантовой электроники и может быть использовано для повышения эффективности оптической накачки лазерных сред, используемых в лазерных генераторах и усилителях. Техническое решение может быть использовано для эффективной оптической накачки практически любых типов лазеров - твердотельных, жидкостных, волоконных, ионных при условии, что контур поглощения накачиваемой среды достаточно широкополосный.
Уровень техники
Конкретными примерами лазеров, где использование изобретения представляет особый интерес, являются лазеры и лазерные усилители на сапфире с титаном, форстерите с хромом, а также лазеры на красителях и волоконные лазеры на волокнах легированных ионами редкоземельных металлов (эрбий, тулий, неодим, иттербий).
Повышение эффективности накачки достигается в результате сведения нескольких лазерных пучков в один общий пучок высокой мощности при сохранении поляризации и фокусируемости.
Метод в особенности подходит для сведения в один пучок нескольких выходных пучков от мощных (более 1 Вт) и недорогих лазерных диодов, что позволяет существенно снизить стоимость накачки и добиться лучшей энергоэффективности в схемах с лазерной накачкой. В частности: Лазеры на основе сапфира с титаном находят широкое применение в различных областях науки. Необыкновенно широкий контур усиления обеспечивает возможность перестройки в ближнем ИК-дипапзоне от 700 до 1000 нм, генерации сверхкоротких импульсов с использованием пассивной синхронизации мод на Керровской нелинейности, что находит применение во множестве задач.
Пик контура поглощения накачки у этой среды расположен вблизи 500 нм, а его ширина позволяет использовать накачку с длинами волн в широком диапазоне от 450 до 600 нм. Высокая интенсивность насыщения ионов титана в сапфире приводит к необходимости использования лазерной накачки. Для этой цели использовались аргоновые лазеры, а позднее лазеры на основе Nd с удвоением частоты.
Появление мощных (более 1 Вт) и относительно недорогих лазерных диодов работающих в синей-зеленой области спектра (440-520 нм) и энергетической эффективностью более 20% открыло возможность осуществления накачки сапфира с титаном с помощью лазерных диодов, что позволит существенно снизить стоимость накачки и добиться лучшей энергоффективности всего лазера, при условии что будет решена техническая задача сведения пучков от многих таких лазерных диодов в общий комбинированный пучок, имеющий линейную поляризацию и фокусируемость, пригодную для накачки лазера.
На сегодня предложено несколько методов сведения оптических пучков.
Известно спектральное комбинирование, реализованное в работе S. Klingebiel, F. , В. , J. Limpert, and A. , J. Opt. Soc. Am. В 24, 1716 (2007). Этот же метод реализован применительно к системам накачки лазеров в работе Y. Xiao, F. Brunet, М. Kanskar, М. Faucher, A. Wetter, and N. Holehouse, Opt. Express 20, 3296 (2012), где с помощью одной решетки с высокой лазерной стойкостью, было сведено излучение 7-ми 200 Вт модулей лазерных диодов, с длинами волн около 970 нм, в единый пучок для накачки мощного волоконного лазера. При этом решетка также исполняла роль элемента внешнего резонатора, что стабилизировало длины волн диодов.
Данные две реализации являются наиболее близким аналогом по технической сущности, как по решаемой задачи, так и по принципу сведения - используются пучки, отличающиеся по спектру, которые комбинируются в единый пучок спектрально-селективной оптикой. Отличием является то, что в данных работах в качестве спектрально-селективной оптики использовались дифракционные решетки, что накладывает существенные технические требования на узкополосность оптических спектров сводимых пучков.
Другим известным методом является геометрическое сведение пучков, реализация которого описана в статье C.G. Durfee, Т. Storz, J. Garlick, S. Hill, J.A. Squier, M. Kirchner, G. Taft, K. Shea, H. Kapteyn, M. Murnane, and S. Backus, Opt. Express 20, 13677 (2012). В этом методе единый пучок формируется с помощью одного или нескольких зеркал, ориентированных так, что падающие на них сводимые пучки отражаются в одном направлении практически без поперечных зазоров между ними, формируют по сути единый пучок.
Также известен метод поляризационного сведения пучков, в свою очередь, разделяющийся на некогерентное поляризационное сведение - Wirth et al. Optics Express v. 17, No.3, p. 1178 (2009) и когерентное поляризационное сведение - Uberna et al. IEEE J QE v. 46, 8 p. 1191 (2010).
Указанные методы имеют следующие недостатки, существенные для лазерной накачки.
При геометрическом мультиплексировании фокусировка множества пучков в общее малое фокальное пятно существенно уменьшает параметр качества пучка накачки, что затрудняет эффективное перекрытие моды резонатора с распределением накачки во всем объеме активной среды и снижает эффективность накачки.
Спектральное мультиплексирование с помощью углового дисперсионного элемента, такого как отражательная дифракционная решетка или призма, также привносит ухудшение качества пучка вследствие наличия собственной спектральной ширины диода и накладывает существенные технические требования на спектральную ширину.
При некогерентном поляризационном мультиплексировании - излучение комбинированного пучка перестает быть линейно поляризованным что в некоторых средах, в частности в сапфире с титаном, приводит к снижению эффективности накачки таким пучком.
При когерентном поляризационном мультиплексировании - требуется технически сложная схема взаимной синхронизации оптической фазы исходных (комбинируемых) источников лазерных пучков, что далеко не всегда возможно технически, кроме того такие схемы чувствительны к внешним вибрациям и требуют высокой термомеханической стабильности устройства.
Техническая задача и технический результат
Созданное техническое решение решает техническую задачу разработки оптической схемы, пригодной для сведения нескольких лазерных пучков, отличающихся длиной волны в один общий пучок при сохранении линейной поляризации света сводимых пучков, и без внесения дополнительной расходимости пучка (как в аналогах).
Техническим результатом является разработка комбинированной поляризационной спектрально-селективной оптической схемы, решающей техническую задачу и пригодную свести практически неограниченное количество отдельных лазерных пучков в общий пучок, при сохранении их поляризации и пространственной фокусируемости.
Решение
Для решения задачи сведения нескольких лазерных пучков отличающихся длиной волны в один без использования спектрально-селективного устройства, нежелательной в силу внесения дополнительной расходимости пуска, и без изменения степени линейной поляризации предлагается использование поляризационных фильтров Шольца (I. , J. Opt. Soc. Am. 55, 621 (1965)), ранее предложенных для использования как узкополосные спектральные фильтры. При этом важно отметить, что в предлагаемом решении наборы двулучепреломляющих пластин, подобные тем, что используются в фильтрах Шольца, при правильном применении не изменяют спектр сводимых пучков, но спектрально-селективно влияют на состояние оптической поляризации.
o
e
В качестве простейшего фильтра Шольца можно рассматривать одиночную двулучепреломляющую пластину толщиной d помещенную между двумя скрещенными поляризаторами, оптическая ось которой образует угол 45° с осями поляризаторов. Такая система может служить мультиплексором для 2 пучков с разными длинами волн. Если двулучепреломление пластинки, где n, n - показатели преломления для обыкновенной и необыкновенной волн, то разность фазовых задержек равна ΔФ=2πd/λ, таким образом, для некоторых длин волн пластинка будет полуволновой (ΔФ=2πk) и будет приводить к повороту поляризации, а для некоторых "полноволновой" (ΔФ=2πk+π) и поляризация останется неизменной.
Для сведения большого числа пучков, вместо одной фазовой пластинки можно использовать стопку из N пластин, оптические оси которых образуют углы ρ=±π/(4N). По сравнению с одиночной пластинкой данный фильтр обладает большей спектральной селективностью, характеризуемой отношением ширины полосы пропускания δλ к расстоянию между соседними пиками пропускания Δλ, причем это отношение приблизительно равно числу используемых пластин, а расстояние между пиками пропусканиями определяется толщиной индивидуальных пластин в стопке. Основные свойства такого фильтра могут быть описаны аналитически (см. книгу A. Yariv and P. Yeh, Optical Waves in Crystals: Propagation and Control of Laser Radiation (Wiley-lnterscience, Hoboken, N.J, 2002).), расстояние между пиками, т.е. свободный спектральный диапазон в случае толстых пластинок дается формулой
в то время как ширина пика пропускания (на полувысоте):
Такие фильтры могут быть использованы для сведения любого числа лазерных пучков, с неперекрывающимися спектрами. В качестве примера, на фиг. 1 приведено спектральное пропускание фильтра Шольца, составленного из 7 кварцевых пластинок толщиной 1,1 мм в сравнении с пропусканием фильтра из одной пластинки.
i
На фиг. 2 представлена принципиальная схема поляризационно-спектрального сведения k пучков с помощью фильтров Шольца. В каждом из блоков сведения спектральная характеристика фильтра подстраивается небольшим поворотом стопки пластин на угол α вокруг оси, перпендикулярной плоскости рисунка, так, чтобы обеспечить максимальную мощность, проходящую в следующий блок сведения.
Возможно также решение технической задачи, при котором на одном или нескольких этапов сведения пучков вместо поляризационного спектрального фильтра используется интерференционный спектральный фильтр. Такая схема может оказаться предпочтительной если число сводимых пучков невелико, либо спектры сводимых пучков являются достаточно широкими.
Описание чертежей
На фиг. 1 изображено пропускание фильтра Шольца, из 7 пластинок (узкий пик) и одной пластинки (широкий пик).
k-1
k-1
На фиг. 2а) изображена общая схема сведения к пучков с помощью фазовых пластин. Прямоугольником обозначен элементарный блок схемы сведения. 2 пучка разных поляризаций сводятся с помощью поляризационного кубика и проходят сквозь специально подобранную стопку из N пластин. Угол поворота α служит для юстировки схемы. Процесс повторяется k-1 раз. b) и с) - прохождение s и р поляризаций сквозь блок. С помощью должного подбора длин волн и толщин фазовых пластин, 2 пучка первоначально с разной поляризацией могут быть сведены с высокой эффективностью.
На фиг. 3 изображены Ватт-амперные (пунктирная линия) и поляризационные (сплошная) характеристики синих (450 нм) и зеленых (520 нм) лазерных диодов. При токе 1А, отношение степень линейной поляризации Tp/Ts для диода Osram PL ТВ450В с номинальной длиной волны 450 нм выше 40.
На фиг. 4 приведена экспериментальнальная зависимость размера перетяжки пучка от положения вдоль оптической оси, диод Osram PL ТВ450В с номинальной длиной волны 450 нм, ток 1А, температура 15°C.
На фиг. 5 приведены измеренные профили пучка на расстоянии 14 см (слева) и на расстоянии 20 см (справа).
На фиг. 6 изображена практически реализуемая зависимость мощности сведенного пучка (слева) и энергетическая эффективность сведения (справа), в зависимости от числа сводимых пучков от диодов Osram PL ТВ450В.
На фиг. 7 изображена практическая схема мультиплексора для сведения 3 пучков. Схема состоит из 2 блоков, выделенных пунктирными прямоугольниками. На графиках изображены спектры пропускания для соответствующих фильтров Шольца и спектры пучков, участвующих в сведении на данном этапе. Энергетическая эффективность схемы составляет около 90%.
Детальное описание решения
Для решения задачи сведения нескольких лазерных пучков отличающихся длиной волны в один без использования спектрально-селективного устройства, нежелательной в силу внесения дополнительной расходимости пуска, и без изменения степени линейной поляризации предлагается использование поляризационных фильтров Шольца (I. , J. Opt. Soc. Am. 55, 621 (1965)) ранее предложенных для использования как узкополосные спектральные фильтры, пример реализации которого изображен на фиг. 1. При этом важно отметить, что в предлагаемом решении наборы двулучепреломляющих пластин, подобные тем, что используются в фильтрах Шольца, при правильном применении не изменяют спектр сводимых пучков, но спектрально-селективно влияют на состояние оптической поляризации.
Общая схема, пригодная для сведения теоретически произвольного количества пучков, изображена на фиг. 2.
i
В каждом из блоков сведения спектральная характеристика фильтра подстраивается небольшим поворотом стопки пластин на угол α вокруг оси перпендикулярной плоскости рисунка так, чтобы обеспечить максимальную мощность, проходящую в следующий блок сведения.
Возможно также решение технической задачи, отличающейся от указанного метода тем, что на одном или нескольких этапов сведения пучков вместо поляризационного спектрального фильтра используется интерференционный спектральный фильтр. Такая схема может оказаться предпочтительной, когда число сводимых пучков невелико, либо спектры сводимых пучков являются достаточно широкими.
Возможны реализации схемы сведения пучков, показанной на фиг. 2, отличающихся тем, что в поляризационных фильтрах используются пластины различной толщины.
Возможны реализации схемы сведения пучков, показанной на фиг. 2, отличающихся тем, что в поляризационных фильтрах используются пластины изготовленные из различных двулучепреломляющих материалов.
Возможны реализации схемы сведения пучков, показанной на фиг. 2, отличающихся тем, что в поляризационных фильтрах используются пластины, составные из разных материалов. Такие реализации допускают понизить требования к расходимости сводимых пучков.
Возможны реализации схемы сведения пучков, показанной на фиг. 2, отличающихся тем, что конструкция фильтров использует на входе и на выходе поляризационное состояния света, отличные от изображенных на фиг. 2. Для этого в оптической схеме могут быть использованы дополнительные фазовые пластины или поляризаторы света.
Возможны реализации схемы сведения пучков, показанной на фиг. 2, отличающихся тем, что в конструкции фильтров помимо узлов сведения на основе фильтров Шольца дополнительно предусмотрен узел поляризационного некогерентного сведения.
Возможны реализации схемы сведения пучков, показанной на фиг. 2, отличающихся тем, что конструкция фильтров позволяет их поворот для динамической перестройки длины волны одного или нескольких сводимых пучков.
Для проверки возможностей реализации и изучения реально достижимого технического результата было проведено экспериментальное изучение пространственных, спектральных и поляризационных характеристики двух типов лазерных диодов с длинами волн пригодными для накачки титана в сапфире предложен метод поляризационно-спектрального мультиплексирования.
В качестве источников лазерной накачки активных элементов на основе титана в сапфире были выбраны диоды двух разных типов различных производителей: Nichia NDG7K75T с номинальной длиной волны 520 нм и мощностью 1 Вт, а также Osram PL ТВ450 В с номинальной длиной волны 450 нм и мощностью 1,6 Вт. Обе длины волны находятся в пределах контура поглощения накачки активной средой, при этом длина волны «зеленого» лазерного диода расположена ближе к пику контура поглощения. Были экспериментально измерены следующие характеристики лазерных диодов:
- Ватт-амперные характеристики (Мощность излучения в зависимости от тока накачки),
- Ширина спектра, центральная длина волны и их зависимости от температур и тока накачки для нескольких случайно выбранных диодов,
2
- Параметры качества пучка М измеренные независимо по двум координатам,
- Степень линейной поляризации пучка.
На фиг. 3 представлены ватт-амперные характеристики диодов обоих типов. Видно, что диоды Nichia NDG7K75T характеризуются более высоким пороговым током и меньшей дифференциальной энергетической эффективностью. Например, при токе 1 А и «зеленый» Nichia NDG7K75T и «синий» диоды потребляют около 4,8 Вт электрической мощности. При этом, «синим» лазерным диодом Osram PL ТВ450 В излучается более чем в 2 раза больше оптической мощности (1,4 Вт против 0,6 Вт), что следует учитывать при оценке общей энергетической эффективности устройства. Можно ожидать, что дальнейший технологический прогресс в области создания лазерных диодов позволит улучшить их КПД.
С помощью спектрометра Ocean Optics, HR4000CG-UV-NIR, были определены центральные длины волн излучения 12 «синих» диодов Osram PL ТВ450 В и 2 «зеленых» диодов Nichia NDG7K75T. Измерения при различных температурах позволили определить температурный коэффициент центральной длины волны, оказавшийся равным 0,07 нм/K для «синих» и 0,06 нм/K для «зеленых» диодов. Измерения 12 спектров диодов из двух разных партий позволяют оценить разброс длин волн, который в нашем случае составил 12 нм (от 441,3 нм до 453,3 нм) для «синих» диодов. Разрешение спектрометра, равное 0,75 нм, оказалось недостаточным для определения спектральной ширины излучения лазерных диодов. Для измерения спектральной ширины по полувысоте были проведены дополнительные измерения с использованием монохроматора ЛОМО МДР-23 с разрешением 0,05 нм. Ширины линий и для «синих» и для «зеленых» диодов составили 1,1 нм и 2,1 нм соответственно.
С помощью монохроматора (1200 штр/мм, f=550MM) и CCD-камеры, нами были измерены спектры излучения синих и зеленых диодов в зависимости от тока с высоким разрешением . Средняя длина волны спектра излучения смещается в область больших длин волн при повышении тока, однако более детальная (тонкая) структура спектра меняется очень сложным образом. При низких токах вблизи порога генерации мы наблюдали прыжки мод на масштабах в несколько секунд. При высоких токах, спектр есть функция тока и температуры, и остается стабильным в течение долгого времени (минуты).
Степень линейной поляризации выходного излучения была измерена с помощью поляризатора PBS102, Thorlabs с коэффициентом экстинкции >1000:1. Поляризация излучения всех диодов оказалась близкой к линейной. При этом более 97% мощности содержится в поляризации с вектором поля вдоль «медленной оси» - оси с меньшей расходимостью излучения.
2
2
2
2
x
y
Поскольку механизм синхронизации мод на основе Керровской нелинейности накладывает весьма жесткие требования на фокусировку пучка в активную среду, важнейшей характеристикой источника излучения для накачки таких лазеров является его пространственное качество, которое принято характеризовать параметром М. Для реального пучка М всегда больше 1. Этот параметр был измерен для лазерных диодов обоих типов независимо в двух ортогональных плоскостях - вдоль «быстрой» (Y) и «медленной» (X) осей лазерного диода (Y) в соответствии со стандартной методикой (ISO 11146-2:2005 - Lasers and laser-related equipment). Для этого пучок коллимировался асферической линзой C230TMD-A, Thorlabs, после чего расширялся вдоль медленной оси в 4,75 раз с помощью цилиндрического телескопа и фокусировался длиннофокусной линзой с фокусным расстоянием 400 мм. Профиль пучка измерялся с помощью CCD-камеры на разных удалениях от перетяжки, так чтобы 5 и более точек было измерено в пределах одной длины Рэлея и еще столько же за пределами. Результаты измерений приведены на фиг. 4, а соответствующие профили пучка на фиг. 6. Из полученных профилей определялся второй момент распределения интенсивности и на основе его зависимости от продольной координаты вычислялся параметр качества пучка для двух осей, в соответствии с процедурой, описанной в ISO 11146-2:2005 - Lasers and laser-related equipment. M и M для синих и зеленых диодов составили (5,7; 2) и (4,5; 2,2) соответственно.
Полученные данные о качестве пучка, его спектральных и поляризационных характеристиках позволяют сделать вывод о пригодности данных лазерных диодов для использования их в качестве накачки лазеров на сапфире с титаном, в том числе и с пассивной синхронизацией мод, обусловленной Керровской нелинейностью. Это является практически важным для использования такого лазера в качестве источника сверхкоротких лазерных импульсов. На основании проведенных результатов измерений можно сформулировать требования, предъявляемые к необходимой схеме сведения пучков.
Спектральный диапазон около 12 нм
Разрешающая способность не менее 2 нм
Ширина спектра 1-1.2 нм
Требуемая мощность на выходе - 3 Вт (при двусторонней накачке - 6 Вт)
Для оценки пределов возможностей такой схемы, с помощью формализма матриц Джонса, изложенного в A. Yariv and P. Yeh, Optical Waves in Crystals: Propagation and Control of Laser Radiation (Wiley-lnterscience, Hoboken, N.J, 2002). была рассчитана энергетическая эффективность для случая, сведения пучков от семи лазерных диодов, спектры которых отстоят друг от друга на 2 нм и равномерно заполняют спектральный диапазон равный 12 нм. В качестве аппроксимации реального спектра, использовались гауссовы функции с ширинами 1,1 нм (FWHM). Для получения требуемых спектральных характеристик можно использовать стопки из 7 кварцевых пластин толщиной d=1,1 мм. Показатели преломления для кварца можно найти в книге Bass М. et al., Handbook of Optics Volume II. Devices, Measurements, and Properties (McGraw-Hill Inc., New York, NY 1995). На каждом этапе сведения пучков, численно находился оптимальный угол поворота стопки пластинок, обеспечивавший максимальную мощность сведения. Во всех оптимальных положениях стопки повернуты на углы меньше 30°. Для учета потерь были взяты типичные для недорогих поляризационных кубов параметры коэффициентов отражения для s-поляризации 0,985 и прохождения для р-поляризации 0,94. Потери на отражение от каждой поверхности просветленной кварцевой пластинки 0,2%. В связи с более низкими потерями на отражение каждый последующий блок сведения геометрически повернут на 90° относительно предыдущего. Для учета разброса параметров, углы оптических осей в расчете были случайно изменены в диапазоне ±2°, толщины пластинок ±5 мкм.
Результаты расчета представлены на фиг. 6. Как видно из графика, для 7 входных пучков и 6 блоков сведения энергетическая эффективность мультиплексора составляет около 63% что позволяет достичь уровня 5,7 Вт при выходной мощности 1,3 Вт каждого из диодов. Поскольку на выходе отсутствует поляризатор, некоторая дополнительная мощность также содержится в ортогональной поляризации. Из приведенного расчета следует, что при двусторонней накачке с использованием синих диодов достижима полная мощность накачки более 11 Вт, при этом параметр качества пучка накачки остается близким к исходному, а его поляризация близка к линейной.
На фиг. 7 изображена практически реализуемая схема для решения технической задачи достижения уровня 6-7 Вт при двусторонней накачке. По сравнению с общей схемой на фиг. 2 практическая схема существенно упрощена и ограничена созданием двух мультиплексоров, для сведения 3 пучков в каждом. За счет того, что диоды разнесены по спектру на значительно большее расстояние (4 нм вместо 2 нм), требования к характеристикам фильтров смягчены, что позволяет ограничиться использованием лишь 5 фазовых пластин. Это позволяет не только сократить стоимость мультиплексора, но и поднять его энергетическую эффективность, которая в данном случае близка к 90%.
Указанные результаты демонстрируют, что достигаемый в такой схеме технический результат соответствует уровню, необходимому для решения технической задачи.