Усилитель лазерного излучения с высокой средней мощностью и большой энергией импульсов
LASER RADIATION AMPLIFIER WITH HIGH AVERAGE POWER AND HIGH PULSE ENERGY

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано для усиления импульсно-периодического лазерного излучения до большой энергии импульсов. Устройство может быть использовано в качестве предусилителя в многокаскадной лазерной усилительной системе, а также в качестве конечного усилителя для значительного увеличения энергии лазерных импульсов.
Сегодня одной из наиболее востребованных лазерных технологий в науке и промышленности являются твердотельные лазеры, одновременно обладающие высокой средней мощностью и большой энергией импульсов. В связи с этим актуальна задача создания лазерных усилителей, способных обеспечить требуемые выходные характеристики. Ключевым параметром таких усилителей является геометрия активного элемента, которая должна обеспечить, с одной стороны, возможность эффективного охлаждения активной среды для ослабления тепловых эффектов, а с другой стороны, возможность эффективного запасания и извлечения энергии. Для эффективного охлаждения необходимо, чтобы активный элемент обладал малым размером вдоль направления охлаждения, что часто противоречит возможности достижения высокой энергии импульсов.
Известны усилители лазерного излучения на основе оптических волокон. Они позволяют достигать средней мощности ~ 1 кВт при идеальном качестве пучка, однако энергия импульсов ограничена на уровне<1 мДж нелинейными эффектами в волокне (W. Zhao, X. Hu, Y. Wang "Femtosecond-pulse fiber based amplification techniques and their applications." IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 20(5) pp.512-524 (2014)). Усилители лазерного излучения на тонких стержнях диаметром <1 мм (патент US 8625192 «Optical amplifier system for pulsed laser based on a guiding gain medium and pulsed laser comprising same», МПК H01S 3/094, публ. 07.01.2014 г.) позволяют усиливать сигнал до средней мощности >100 Вт при энергии импульсов до 3 мДж. Энергия импульсов ограничивается эффектом пробоя выходного торца усилителя (I. Kuznetsov, I. Mukhin, О. Palashov, K.-I. Ueda, "Thin-rod Yb:YAG amplifiers for high average and peak power lasers", Opt. Lett. 43, 3941-3944 (2018)). Известны также усилители лазерного излучения на толстых стержнях (диаметр >1 мм). В данной геометрии достигается значительно большая энергия импульсов (>10 мДж), но увеличение диаметра активного
элемента неизбежно ведет к нарастанию влияния тепловых эффектов, что не позволяет работать при высокой средней мощности и приводит к ухудшению качества выходного пучка (Е.С.Honea, R.J. Beach, S.C. Mitchell, J.A. Skidmore, M.A. Emanuel, S.B. Sutton, S.A. Payne, P.V. Avizonis, R.S. Monroe, D.G. Harris "High-power dual-rod Yb:YAG laser," Opt. Lett 25, pp, 805-807 (2000)).
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является взятый за прототип усилитель лазерного излучения с большим коэффициентом усиления, высокой средней и пиковой мощностью и высоким качеством выходного пучка на основе твердотельного активного элемента геометрии усеченного прямого кругового конуса (патент RU 2618498, МПК H01S3/06, публ. 03.05.2017 г., авторы Кузнецов И.И., Мухин И.Б, Палашов О.В.; и статья «Thin-tapered-rod Yb:YAG laser amplifier» / Ivan Kuznetsov, Ivan Mukhin, Oleg Palashov and Ken-Ichi Ueda // Opt. Lett. 41, 5361-5364 (2016)).
Устройство - прототип включает в себя диодный источник излучения накачки, твердотельный активный элемент, систему охлаждения боковой поверхности твердотельного активного элемента, оптические системы для заведения излучения накачки и усиливаемого лазерного излучения в твердотельный активный элемент и дихроичное зеркало для пространственного разделения излучения накачки и усиливаемого лазерного излучения. Активный элемент выполнен в форме усеченного прямого кругового конуса. Характерные диаметры большего и меньшего торцов составляют 1 мм и 0,3 мм соответственно, а характерная длина - 30 мм. Охлаждение активного элемента осуществляется со стороны боковой поверхности, которая контактирует со слоем материала, обеспечивающим волноводное распространение излучения накачки (металл; диэлектрическая оболочка с меньшим, чем у твердотельного активного элемента показателем преломления; слой жидкости, циркулирующей в системе охлаждения). Оптическая система для заведения излучения накачки в активный элемент расположена со стороны его большего торца и представляет собой систему линз, фокусирующих излучение накачки вдоль оси активного элемента так, что перетяжка пучка располагается на его большем торце. Излучение диодной накачки распространяется в активном элементе волноводным образом, многократно отражаясь от боковой поверхности за счет контакта этой боковой поверхности со слоем материала, обеспечивающим такое отражение. Оптическая система для заведения усиливаемого лазерного излучения в активный элемент расположена со стороны его меньшего торца и обеспечивает один проход излучения через активный элемент. Излучение
распространяется в активном элементе свободно таким образом, что в каждом сечении диаметр пучка составляет от 40% до 60% от диаметра активного элемента. Благодаря малому диаметру активного элемента осуществляется его эффективное охлаждение, что позволяет достигать высокой средней мощности порядка 20 Вт при хорошем качестве пучка и энергии импульса на выходе до 3 мДж. Благодаря конической форме усилителя, достигается равномерное распределение погонного коэффициента усиления на всей длине активного элемента и равномерное эффективное извлечение запасенной энергии.
Недостаток прототипа заключается в том, что при усилении лазерных импульсов до энергии порядка 3 мДж возникает эффект оптического пробоя торцов активного элемента из-за их малого диаметра. При этом увеличение диаметра большего торца приводит к сильному нагреву активного элемента и к возникновению тепловых эффектов, так как именно со стороны большего торца в активный элемент заводится излучение накачки, и именно в области большего торца выделяется наибольшее количество тепла.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка способного работать при высокой средней мощности (более 20 Вт) усилителя лазерного излучения с высоким качеством выходного пучка и большим коэффициентом усиления за проход, который обеспечивал бы большую энергию импульсов на выходе (более 10 мДж).
Технический эффект достигается тем, что усилитель лазерного излучения включает, по крайней мере, один основанный на лазерных диодах источник излучения накачки, твердотельный активный элемент, выступающий в роли волновода для излучения накачки. Причем твердотельный активный элемент выполнен в виде усеченного прямого кругового конуса с двумя круговыми торцевыми гранями, служащими для ввода излучения в твердотельный активный элемент и вывода излучения из твердотельного активного элемента. Боковая поверхность твердотельного активного элемента контактирует со слоем материала, обеспечивающим волноводное распространение излучения накачки. Усилитель лазерного излучения также включает систему охлаждения боковой поверхности твердотельного активного элемента. Для заведения излучения накачки и усиливаемого лазерного излучения в твердотельный активный элемент используют две соответствующие оптические системы. Причем оптическая система для заведения усиливаемого лазерного излучения расположена таким образом, что усиливаемое лазерное излучение заводится в твердотельный активный элемент со стороны его круговой торцевой грани, которая является меньшим
основанием усеченного прямого кругового конуса. Для пространственного разделения и заведения излучения накачки и усиливаемого лазерного излучения использовано, по крайней мере, одно дихроичное зеркало.
Новым в разработанном усилителе лазерного излучения является то, что оптическая система для заведения излучения накачки в твердотельный активный элемент расположена таким образом, что излучение накачки заводится в твердотельный активный элемент также со стороны его круговой торцевой грани, которая является меньшим основанием усеченного прямого кругового конуса.
Сущность изобретения поясняется фиг. 1, на которой представлена схема предлагаемого усилителя лазерного излучения.
Разработанное устройство состоит из основанного на лазерных диодах источника излучения накачки 1, оптической системы для заведения излучения накачки 2 в твердотельный активный элемент 3, имеющий форму усеченного прямого кругового конуса. Причем оптическая система для заведения излучения накачки 2 расположена таким образом, что излучение накачки заводится в твердотельный активный элемент 3 со стороны круговой торцевой грани твердотельного активного элемента 3, которая является меньшим основанием усеченного прямого кругового конуса. Слой материала 4 (металл, диэлектрик с меньшим, чем у твердотельного активного элемента 3 показателем преломления или слой жидкости, циркулирующей в системе охлаждения), контактирующий с боковой поверхностью твердотельного активного элемента 3, обеспечивает волноводное распространение излучения накачки. Здесь и далее под боковой поверхностью подразумевается вся поверхность твердотельного активного элемента 3 за исключением его круговых торцевых граней, то есть оснований усеченного прямого кругового конуса. Вокруг слоя материала 4 расположена система охлаждения 5 боковой поверхности твердотельного активного элемента 3. Оптическая система для заведения усиливаемого лазерного излучения 6 в твердотельный активный элемент 3 расположена таким образом, что усиливаемое лазерное излучение заводится в твердотельный активный элемент 3 также со стороны круговой торцевой грани твердотельного активного элемента 3, которая является меньшим основанием усеченного прямого кругового конуса. Для пространственного разделения и заведения в твердотельный активный элемент 3 излучения накачки и усиливаемого лазерного излучения использовано, по крайней мере, одно дихроичное зеркало 7.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
Излучение источника накачки 1, основанного на лазерных диодах, заводится в твердотельный активный элемент 3 с помощью оптической системы для заведения излучения накачки 2, которая представляет собой сферическую линзу или систему сферических линз, фокусирующих излучение накачки вдоль оси твердотельного активного элемента 3. При этом пучок излучения накачки имеет минимальный диаметр на круговой торцевой грани твердотельного активного элемента 3, которая является меньшим основанием усеченного прямого кругового конуса, и диаметр пучка излучения накачки меньше диаметра этого основания. Излучение накачки распространяется в твердотельном активном элементе 3 волноводным образом, многократно отражаясь от его боковой поверхности за счет контакта этой боковой поверхности со слоем материала 4. Мощность излучения накачки при распространении в активном элементе 3 (вдоль оси z) спадает по экспоненциальному закону из-за поглощения. Аналогичным образом ведет себя тепловыделение в среде:
0
P(z)=Рехр (-αz),
где P(z) - мощность тепловыделения в активном элементе 3 на расстоянии z от плоскости круговой торцевой грани, которая является меньшим основанием усеченного прямого кругового конуса,
0
Р - мощность тепловыделения на входе в твердотельный активный элемент 3,
α - коэффициент поглощения излучения накачки,
z - текущее значение координаты вдоль пути распространения излучения, причем z=0 совпадает с плоскостью круговой торцевой грани твердотельного активного элемента 3, которая является меньшим основанием усеченного прямого кругового конуса.
При этом радиус твердотельного активного элемента 3 увеличивается вдоль оси z по линейному закону:
где R(z) - радиус активного элемента 3 на расстоянии z от плоскости круговой торцевой грани, которая является меньшим основанием усеченного прямого кругового конуса,
small
R - радиус меньшего основания усеченного прямого кругового конуса,
big
R - радиус большего основания усеченного прямого кругового конуса,
L - высота усеченного прямого кругового конуса (длина твердотельного активного элемента 3).
Таким образом, максимальное тепловыделение происходит около меньшего основания усеченного прямого кругового конуса, где тепло эффективно отводится. Около большего основания тепловыделение значительно меньше, что позволяет значительно увеличить его радиус без возникновения вредных тепловых эффектов.
Для оценки оптимальных параметров активного элемента 3 проводят следующие расчеты. Если считать тепловыделение в активном элементе 3 равномерным вдоль радиальной координаты, то температура на оси элемента определяется формулой:
где κ - теплопроводность активного элемента 3.
При условии, что температура большего торца усеченного конуса будет равняться температуре меньшего торца, получают следующее равенство:
где P(L) - мощность тепловыделения в активном элементе 3 в плоскости круговой торцевой грани, которая является большим основанием усеченного прямого кругового конуса.
0
big
small
big
small
big
small
При этом условии температура в активном элементе 3 практически однородна вдоль оси z. Параметры, удовлетворяющие данному условию, можно считать оптимальными с точки зрения тепловых эффектов, так как при этом в активной среде не возникает напряжений, связанных с продольной неоднородностью температуры, а также областей с высокой температурой, где проявляется нелинейность зависимости параметров активной среды от температуры. Для эффективной работы усилителя коэффициент поглощения излучения накачки за проход активного элемента 3 должен составлять не менее 90%, то есть P(L)/Р=0,1. При данном коэффициенте поглощения R/R=3,3. Радиус меньшего торца усеченного конуса определяется параметрами активной среды и энергией импульсов усиливаемого излучения. Таким образом, для того, чтобы температура большего торца усеченного конуса не превышала температуры меньшего торца, должно выполняться следующее условие: R/R<3,3. В разработанном авторами усилителе при длине твердотельного активного элемента 3, равной 20 мм, диаметры его торцов составляют 1 мм и 2 мм. Тогда R/R=2.
Усиливаемое лазерное излучение заводится в твердотельный активный элемент 3, с помощью оптической системы для заведения усиливаемого лазерного излучения 6 и распространяется в твердотельном активном элементе 3 свободно таким образом, что в каждом сечении диаметр пучка составляет от 40% до 60% от диаметра активного
элемента 3, причем усиливаемое лазерное излучение проходит твердотельный активный элемент 3 один раз от меньшего торца к большему. Оптическая система для заведения усиливаемого лазерного излучения 6 представляет собой сферическую линзу или систему сферических линз, фокусирующих излучение в область перед твердотельным активным элементом 3. Затем усиливаемое лазерное излучение с помощью дихроичного зеркала 7 направляется вдоль оси активного элемента 3 так, что диаметр пучка усиливаемого лазерного излучения увеличивается по мере своего распространения в активном элементе 3 пропорционально увеличению диаметра твердотельного активного элемента 3. Энергия импульсов усиливаемого излучения не должна превышать порог пробоя обоих оснований усеченного конуса.
Система охлаждения 5 отводит тепло с боковой поверхности активного элемента 3. Пространственное разделение излучения накачки и усиливаемого лазерного излучения осуществляется с применением дихроичного зеркала 7, которое пропускает излучение накачки и отражает усиливаемое лазерное излучение (или наоборот).
Таким образом, предлагаемый усилитель обладает высоким коэффициентом усиления в простой однопроходной схеме, и он мало подвержен воздействию тепловых эффектов, благодаря чему способен работать при высокой средней мощности при сохранении хорошего качества пучка.