Высокоэнергетический лазер на неодимовом стекле с близкой к дифракционной расходимостью излучения

ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ЛАЗЕР НА НЕОДИМОВОМ СТЕКЛЕ С БЛИЗКОЙ К ДИФРАКЦИОННОЙ РАСХОДИМОСТЬЮ

ИЗЛУЧЕНИЯ

В.Б. Карасев, В.В. Крамник, В.Ф. Петров, А.А. Солунин, В.Ю. Храмов

Представлены параметры и характеристики лазерного комплекса на неодимовом стекле, работающего в режиме свободной генерации, с высокой энергией генерации и расходимостью излучения, близкой к дифракционной. Лазер излучает импульсы с энергией не менее 15 кДж. Угловая расходимость излучения по уровню 50 % от полной энергии излучения - 710 мкрад. Ресурс работы лазера оценен в несколько сотен вспышек.

Введение

Одним из наиболее перспективных и важных направлений развития лазерной техники является разработка твердотельных лазерных систем с энергией генерации порядка единиц килоджоулей и более, излучение генерации которых имеет малую угловую расходимость излучения. Это обусловлено широкими возможностями применения такого типа излучателей в различных системах дальней связи, оптической локации, научных исследованиях, прецизионных лазерных технологиях и т.д. Известна мощная лазерная система подобного класса на неодимовом стекле с энергий генерации 5 КДж и расходимостью излучения 10 мрад [1]. Применение телескопических резонаторов позволило существенно улучшить пространственно-угловые характеристики излучения мощных твердотельных лазеров. В работе [2] сообщалось о получении энергии генерации 8 КДж при угле расходимости излучения 1'30" в лазере на неодимовом стекле с телескопическим резонатором с коэффициентом увеличения М=5. Угол расходимости излучения определялся по уровню 0.5 от полной энергии генерации. В резонатор лазера для достижения указанных выше параметров были установлены два активных элемента из силикатного неодимового стекла размером 045x600 мм. Следует отметить, что характеристики генерации излучения, полученные в работе [2], близки к предельным и являются скорее демонстрационными, чем эксплуатационными. Ресурс работы лазера составил всего несколько выстрелов, он ограничен разрушением активных элементов или импульсных ламп накачки.

В 80-х гг. для усиления коротких импульсов лазерного излучения в усилительных каскадах мощных многокаскадных лазерных систем были разработаны многоламповые квантроны с диффузным (керсиловым) отражателем [3-5]. Для всех квантронов длина освечиваемой части активных элементов составила 240 мм. Количество импульсных ламп накачки и внутренний диаметр диффузного отражателя зависят от диаметра устанавливаемых в квантрон активных элементов. Лампы накачки расположены плотно вокруг активного элемента на минимально возможном расстоянии от активного элемента и диффузного отражателя. Такое расположение элементов квантрона позволило получить его высокую энергетическую эффективность и обеспечить высокую равномерность освещения боковой поверхности накачиваемого активного элемента. Наибольшая энергетическая эффективность квантрона достигается в режиме разряда импульсных ламп, при котором объем плазмы разряда еще достаточно прозрачен для излучения накачки в полосах поглощения активного элемента [5]. В работе [6] описана лазерная система на неодимовом стекле, работающая в режиме свободной генерации с ресурсом в несколько сотен выстрелов при высоких пространственно-временных показателях излучения. Лазер мог генерировать как одиночные импульсы, так и серии из двух с задержкой между ними в пределах 160-500 мкс. Энергия излучения каждого импульса в серии не менее 4.0 кДж. Угловая расходимость излучения первого импульса по уровню 0.5 от полной энергии излучения не более 0.2 мрад, расходимость второго импульса - не более 0.3 мрад. В настоящей

работе представлены результаты модернизации данного лазерного комплекса с большей энергией генерации при расходимости излучения, близкой к дифракционной.

Описание экспериментальной установки

В качестве активной среды выбраны элементы из стекла марки ГЛС-6 размером 0 45x300 мм, торцы которых скошены под углом 5°. На торцы стержней для уменьшения внутрирезонаторных потерь нанесено диэлектрическое просветляющее покрытие. Активные элементы помещены в двенадцатиламповые квантроны с диффузными отражателями из неоплавленного керсила. Три активных элемента помещены в неустойчивый телескопический резонатор с увеличением М=3.0.

Блок питания лазерной системы позволяет обеспечить накачку от одного до трех квантронов, суммарная энергия накачки достигает 640 кДж. Длительность импульсов накачки - 10 мс. Трехзвенная искусственная формирующая разрядная линия обеспечивает форму импульса накачки, близкую к прямоугольной.

Схема измерения параметров и характеристик излучения, генерируемого исследуемым лазерным комплексом, представлена на рис. 1. Для измерения расходимости излучения использована часть лазерного излучения, отраженная от передних торцов делителя 1 (клин из стекла ВК-7) и делителя 2 (клин из стекла К-8). После отражения от клиньев пучок ослабляется высокоотражающим зеркалом. Ослабленный пучок проходит через фокусирующую линзу с фокусным расстоянием 1.5 м. Для обеспечения необходимой плотности энергии излучения на приемной площадке видеокамеры использован набор ослабителей. Для повышения отношения сигнал/шум использован ИК-фильтр.

Видеокамера

Для измерения энергии генерации использована часть лазерного излучения, отраженная от задних торцов делителя 1 и делителя 2 (клин из стекла K-8). Ослабленный пучок попадает на приемную площадку калориметра Laser Star фирмы OPHIR.

Юстировка резонатора осуществлена методом многократных отражений [7] с использованием непрерывного Кё:УЛО лазера с полупроводниковой накачкой и специально разработанного технологического оборудования.

Запись и обработка данных по пространственному распределению излучения проведена с помощью персонального компьютера.

Исследование генерационных характеристик лазерного комплекса

Зависимость энергии генерации от энергии накачки приведены на рис. 2. Можно видеть, что при энергии накачки 600 кДж энергия генерации составляет величину более 15 кДж.

Энергия накачки, кДж Рис. 2. Энергетическая характеристика излучения лазерной системы

Проведены исследования как интегральной расходимости излучения, так и динамика расходимости во времени.

Интегральная каустика лазерного пучка после измерительной линзы, построенная по доле 50 % энергии излучения с помощью видеокамеры, изображена на рис. 3. Расходимость излучения составила 710 мкрад. Следует отметить, что расходимость излучения, измеренная по доле 90 % энергии излучения, составила 1700 мкрад.

Для проверки использованной методики определения распределения интенсивности излучения было проведено дополнительное измерение расходимости методом калиброванных диафрагм. Полученное угловое распределение энергии генерации изображено на рис. 4. Результаты близки к измеренным с помощью видеокамеры, что показывает правильность методики вычисления расходимости по кадрам видеозаписи.

Динамика изменения расходимости излучения (резонатор с выходным зеркалом на основе мениска) с компенсацией квадратичной составляющей тепловой линзы показана на рис. 5. Можно ожидать, что интегральная расходимость первого импульса по уровню 50 % от полной выходной энергии составит величину около 250 мкрад.

Исследование динамики расходимости показало, что в области фокальной плоскости измерительной линзы с фокусом 150 см плоскость перетяжки пучка перемещается в процессе генерации на расстояние 8-10 см, что соответствует изменению радиуса кривизны пучка на величину в пределах от -23 м до -29 м. Это говорит о том, что за время накачки в активных элементах наводится термолинза оптической силой -(2-3) • 10- Дптр.

В процессе измерений проведено около трехсот выстрелов, причем энергия излучения практически не изменилась, что позволяет оценить ресурс работы лазерной системы в несколько сотен вспышек.

1000

750-

ей &

«

Ч

О £

500

250-

-1—

140 145 150 155 160

Дистанция до линзы, см

Рис. 3. Интегральная каустика лазерного пучка после измерительной линзы

-1—

150

—I—

155

«и

К н о

к к 1-1 а «и К со

О

1,0-

0,8-

0,6-

0,4-

0,2-

0,0

/

/

/

/

/

1000

2000

3000

4000

Угол, мкрад

Рис. 4. Угловое распределение энергии генерации

Работа выполнена при поддержке Министерством образования Российской Федерации

0

0

Ц 500-

£ 100-

3 400-

о 300-

0

0

2

4

6

8

10

12

Момент времени относительно поджига ламп накачки, мс

Рис. 5. Динамика изменения расходимости излучения с компенсацией квадратичной составляющей тепловой линзы

Литература

1. Справочник по лазерам / Под ред. А.М. Прохорова М.: Советское радио, 1978. Т. 1.

2. Ананьев Ю.А. Оптические резонаторы и проблема расходимости лазерного излучения. М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1979.

3. Баянов В.И., Бордачев Е.Г., Волынкин В.М. и др. Стержневые усилители большой апертуры на фосфатном неодимовом стекле для лазеров с высокой яркостью излучения // Квантовая электроника. 1986. Т. 13., № 9. С. 1891-1896.

4. Баянов В.И., Винокуров Г.Н., Жулин В.И., Яшин В.Е. О предельных коэффициентах усиления стержневых твердотельных усилителей в режиме накопления импульсов // Квантовая электроника. 1989. Т. 16. № 2. С. 253-260.

5. Баянов В.И., Крыжановский В.И., Кузнецов А.Р. и др. Оптимизация накачки активных элементов из неодимового стекла различного состава светом импульсных ксеноновых ламп // ЖПС. 1991. №2. С. 223-228.

6. Альтшулер Г.Б., Крамник В.В., Петров В.Ф., Солунин А.А., Храмов В.Ю. Лазер на неодимовом стекле с высокой энергией генерации и расходимостью излучения, близкой к дифракционной // Оптический журнал. 2000. Т. 67. №4. С. 88-91.

7. Ковальчук Л.В., Свенцицкая Н.А. Методы юстировки лазеров с неустойчивыми резонаторами // Квантовая электроника. 1972. Т. 11. №5. С. 80-85.

325 с.

328 с.