Твердотельный усилитель лазерного излучения с высокой средней мощностью и хорошим качеством выходного пучка
SOLID-STATE LASER LIGHT AMPLIFIER WITH HIGH AVERAGE POWER AND GOOD OUTPUT BEAM QUALITY

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано для усиления непрерывного или импульсно-периодического лазерного излучения до большой (десятки ватт) средней мощности. Устройство может применяться для значительного увеличения средней мощности оптических квантовых генераторов.
Увеличение средней мощности лазеров сегодня является одним из ключевых направлений развития лазерной техники. Такие источники широко применяются в промышленности для резки, сварки и микрообработки материалов. При этом в различных приложениях используются источники непрерывного или импульсно-периодического излучения с различной длительностью и пиковой мощностью импульсов. Успешным подходом к созданию данных источников является использование маломощного задающего генератора, обладающего высокой стабильностью и высоким качеством излучения, и высокомощного усилителя. Это делает актуальной задачу создания усилителя, способного обеспечить высокую среднюю мощность и хорошее качество пучка выходного излучения, а также большой коэффициент усиления.
Перспективным решением являются твердотельные усилители. Они способны обеспечить широкополосное усиление, необходимое для достижения ультракороткой длительности импульсов (<1 пс) и пиковую мощность, достаточную для промышленных процессов. При увеличении средней мощности твердотельные усилители подвергаются вредному воздействию тепловых эффектов, приводящих к ухудшению качества выходного пучка и уменьшению коэффициента усиления. Для уменьшения влияния нежелательных тепловых явлений необходимо эффективное охлаждение активной среды и ключевым параметром при этом является форма активного элемента. Известны усилители на активных элементах геометрии тонких стержней (диаметр <1 мм) с боковым охлаждением (, et al. «Yb:YAG single crystal fiber power amplifier for femtosecond sources» Opt. Lett. 38, p. 109-111, 2013). Известны усилители на активных элементах геометрии тонких слэбов (толщина <1 мм) с охлаждением наибольшей боковой поверхности (P. Russbueldt, et al. «Innoslab amplifiers» IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics 21 (1), 447-463, 2014 г.).
Другим важным фактором, определяющим форму активного элемента усилителя, является источник накачки, ключевым параметром которого является яркость излучения. При продольной геометрии накачки использование более яркого источника позволяет создавать в активном элементе более продолжительную область с высокой интенсивностью излучения, что приводит к увеличению коэффициента усиления устройства. Широко применяются источники на основе лазерных диодов. Наибольшей яркости среди них достигают источники с волоконным выводом излучения с диаметром сердцевины волокна 105 мкм, позволяющие создавать область накачки длиной несколько см при диаметре несколько сотен мкм. Наибольшей яркостью обладают источники на основе непрерывных лазерных генераторов с одной поперечной модой, способные обеспечивать область накачки длиной десятки сантиметров при диаметре несколько сотен мкм. При использовании таких источников накачки применение активных элементов, размеры которых соответствуют размерам области накачки, становится проблематичным или даже невозможным. Это связано с технологическими проблемами изготовления активных элементов подобных размеров и их монтажа в систему охлаждения.
В связи с этим разрабатываются усилители, в которых поперечный размер активного элемента значительно (в несколько раз) превышает поперечный размер области накачки. Известен усилитель на слэбе из кристалла Yb:YAG, где диаметр области накачки составляет 0,5 мм при толщине слэба 1 мм и ширине несколько мм. В данной геометрии один из поперечных размеров слэба в несколько раз превышает поперечный размер области накачки (J. Pouysegur, et al. «Simple Yb:YAG femtosecond booster amplifier using divided-pulse amplification», Opt. Express 24, 9896-9904, 2016 г.). Известен усилитель на кристалле Yb:CaF2 с накачкой одномодовым непрерывным волоконным лазером. Диаметр области накачки составляет 0,3 мм, а поперечный размер кристалла несколько мм (G. Machinet, et al. «High-gain amplification in Yb:CaF2 crystals pumped by a high-brightness Yb-doped 976 nm fiber laser», Appl. Phys. Bill, 495-500, 2013 г.).
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является взятый за прототип твердотельный усилитель лазерного излучения с большим коэффициентом усиления, высокой средней мощностью и хорошим качеством выходного пучка (Paulius Mackonis and Aleksej M. Rodin «Laser with 1,2 ps, 20 mJ pulses at 100 Hz based on CPA with a low doping level Yb:YAG rods for seeding and pumping of ОРСРА», Opt. Express 28, 1261-1268, 2020 г.). Устройство-прототип включает в себя твердотельный активный элемент, систему охлаждения твердотельного активного элемента, источник излучения накачки, оптическую систему для заведения излучения накачки в твердотельный активный элемент, оптическую систему для заведения усиливаемого лазерного излучения в твердотельный активный элемент и два дихроичных зеркала. Активный элемент выполнен в форме прямоугольного параллелепипеда с размерами торцевых граней 2×2 мм и длиной 20 мм. Охлаждение активного элемента осуществляется со стороны четырех боковых граней за счет контакта с металлическим радиатором. Для накачки используется источник, основанный на лазерных диодах, с волоконным выводом излучения с диаметром волокна 105 мкм. Оптическая система для заведения излучения накачки в активный элемент представляет собой систему линз, обеспечивающих проведение пучка накачки сквозь активный элемент через центры его торцевых граней. Диаметр пучка при этом составляет 0,56 мм, таким образом, размер стороны торцевой грани активного элемента превышает этот диаметр более чем в 3,5 раза. Оптическая система для заведения усиливаемого лазерного излучения в твердотельный активный элемент представляет собой систему зеркал и линз, обеспечивающих проведение усиливаемого пучка сквозь активный элемент также через центры его торцевых граней. Радиус пучка усиливаемого лазерного излучения равен радиусу пучка накачки, при этом оси пучков совпадают. Пара дихроичных зеркал применяется для пространственного разделения пучков накачки и усиливаемого излучения. Благодаря использованию «яркой» накачки в активном элементе создается продолжительная область с высокой интенсивностью накачки, обеспечивающая высокий коэффициент усиления.
Недостатком прототипа является то, что область накачки в активном элементе недостаточно эффективно охлаждается из-за большого поперечного размера активного элемента. Толща среды между областью накачки и радиатором создает тепловое сопротивление. Это приводит к возникновению тепловых эффектов, что вынуждает ограничивать среднюю мощность выходного излучения за счет понижения частоты следования импульсов до 100 Гц, что при длительности импульсов 7 мс соответствует рабочему циклу накачки 70%. В результате, средняя мощность усиленного излучения ограничена на уровне нескольких ватт.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка усилителя лазерного излучения, способного работать при высокой средней мощности в десятки ватт, имеющего высокое качество выходного пучка и большой коэффициент усиления за проход, не использующего при этом тонкие активные элементы (<1 мм), изготовление и применение которых вызывает технологические трудности.
Технический результат достигается тем, что разработанный усилитель лазерного излучения, также как и усилитель-прототип, включает твердотельный активный элемент, выполненный в виде прямоугольного параллелепипеда с двумя торцевыми гранями, служащими для ввода излучения в твердотельный активный элемент и вывода излучения из твердотельного активного элемента, и с четырьмя боковыми гранями. Также разработанный усилитель содержит систему охлаждения твердотельного активного элемента, по крайней мере, один источник излучения накачки, оптическую систему для заведения излучения накачки в твердотельный активный элемент, расположенную таким образом, что излучение накачки проводится сквозь твердотельный активный элемент параллельно его боковым граням, причем диаметр пучка излучения накачки, по крайней мере, в три раза меньше, чем наименьший размер торцевой грани. Входящая в усилитель оптическая система для заведения усиливаемого лазерного излучения в твердотельный активный элемент расположена таким образом, что усиливаемое лазерное излучение проводится сквозь твердотельный активный элемент параллельно его боковым граням, причем размеры и положение пучка усиливаемого излучения совпадает с размерами и положением пучка накачки. Для пространственного разделения и заведения в твердотельный активный элемент излучения накачки и усиливаемого лазерного излучения использовано, по крайней мере, одно дихроичное зеркало.
Новым в разработанном усилителе лазерного излучения является то, что пучок накачки и пучок лазерного излучения расположены максимально близко, по крайней мере, к одной из боковых граней твердотельного активного элемента.
В частном случае пучок накачки и пучок лазерного излучения расположены максимально близко к двум смежным боковым граням твердотельного активного элемента.
В другом частном случае система охлаждения твердотельного активного элемента расположена со стороны боковых граней, к которым приближены пучок накачки и пучок лазерного излучения.
Изобретение поясняется следующими фигурами.
На фиг. 1 представлена схема разработанного усилителя лазерного излучения.
На фиг. 2 представлены схематичные изображения активного элемента и расположение пучков излучения в нем, а) и б) по п. 1 формулы, в) по п. 2 формулы.
Разработанное устройство (фиг. 1) состоит из основанного на лазерных диодах источника излучения накачки 1, оптической системы 2 для заведения излучения накачки в твердотельный активный элемент 3, выполненный в виде прямоугольного параллелепипеда с двумя торцевыми гранями, системы охлаждения 4 твердотельного активного элемента 3, оптической системы 5 для заведения усиливаемого лазерного излучения в твердотельный активный элемент 3 и дихроичного зеркала 6. При этом диаметр пучка накачки, по крайней мере, в три раза меньше, чем наименьший размер торцевой грани активного элемента 3. Радиус пучка усиливаемого лазерного излучения совпадает с радиусом пучка накачки для достижения эффективного усиления.
Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом.
Оптическая система 2 для заведения излучения накачки и оптическая система 5 для заведения усиливаемого лазерного излучения настраиваются таким образом, чтобы пучки проходили через две торцевые грани твердотельного активного элемента 3 максимально близко, по крайней мере, к одной из его боковых граней. Для пространственного разделения пучков излучения накачки и усиливаемого лазерного излучения используется дихроичное зеркало 6. Система охлаждения 4 активного элемента 3 располагается со стороны его боковых граней.
В частном случае пучки смещаются к одной грани (фиг. 2а и 2б), в другом частном случае сразу к двум боковым граням, проходя вдоль угла активного элемента 3 (фиг. 2в). В различных реализациях изобретения охлаждаются все боковые грани или только те, к которым смещаются пучки. При смещении пучков к одной из граней увеличивается эффективность охлаждения активного элемента 3, благодаря тому, что область тепловыделения становится ближе к охлаждаемой поверхности. При смещении пучка к двум смежным граням активного элемента 3 эффективность охлаждения еще увеличивается. Это приводит к уменьшению температуры активного элемента 3 и, как следствие, к увеличению коэффициента усиления и улучшению качества пучка.
В разработанном авторами усилителе в конкретной реализации твердотельный активный элемент 3 имеет размеры 3×3×20 мм и изготавливается из кристалла алюмо-иттриевого граната с легированием иттербием. Пучки накачки и усиливаемого излучения смещались к одной или к двум граням активного элемента 3 так, что расстояние между осью пучков и гранями составляло 0,5 мм. При этом диаметры пучков излучения составляли 0,4 мм.
В данной геометрии, согласно расчетам и экспериментам, получены следующие результаты. В случае охлаждения всех четырех боковых граней активного элемента при смещении пучков к одной из граней, температура в центре этих пучков падает на 25%, а при одновременном смещении пучков к двум смежным граням активного элемента - на 37% по сравнению со случаем прохождения пучков через центр активного элемента. Если же охлаждаются только те боковые грани, в сторону которых производится смещение пучков, то понижение температуры составляет 16% и 36% для случая смещения к одной и двум граням соответственно. При этом система охлаждения (одной или двух граней) существенно упрощается, что оправдывает незначительное уменьшение эффективности охлаждения по сравнению с охлаждением всех четырех граней, особенно в случае смещения к двум смежным граням.
Таким образом, за счет прохождения пучков излучения максимально близко, по крайней мере, к одной из боковых граней твердотельного активного элемента удается повысить эффективность охлаждения этого элемента, т.е. избавиться от нежелательных тепловых эффектов. Это позволяет не применять тонкие активные элементы (<1 мм), изготовление и использование которых затруднительно или невозможно. При этом разработанный усилитель лазерного излучения обладает высоким коэффициентом усиления и способен работать при высокой средней мощности при сохранении хорошего качества пучка.