УСИЛИТЕЛЬ ВЫСОКОЙ МОЩНОСТИ НА КРИСТАЛЛЕ, ЛЕГИРОВАННОМ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ, ОСНОВАННЫЙ НА СХЕМЕ ЗАКАЧКИ СО СВЕРХНИЗКИМ КВАНТОВЫМ ДЕФЕКТОМ, ИСПОЛЬЗУЮЩЕЙ ОДНОМОДОВЫЕ ИЛИ НИЗКОМОДОВЫЕ ВОЛОКОННЫЕ ЛАЗЕРЫ
HIGH POWER AMPLIFIER ON A CRYSTAL DOPED WITH RARE EARTH ELEMENTS, BASED ON A SUPERLOW QUANTUM DEFECTED INJECTION CIRCUIT USING SINGLE-MODE OR LOW-MODE FIBER LASERS

Область техники, к которой относится настоящее изобретение
[0001] Настоящее изобретение относится к легированным редкоземельными элементами иттербиевым (Yb) объемным усилителям высокой мощности и высокой яркости, работающим на длине волны 1030 нм или возле нее и имеющим торцевую закачку волоконным лазером с одной поперечной модой (одномодовым) или низкомодовым волоконным лазером, работающим в диапазоне длин волн 1000-1020 нм.
Предшествующий уровень техники настоящего изобретения
[0002] Высокоэффективные лазеры ультракоротких импульсов находят широкое применение во многих отраслях промышленности. Среди многочисленных типов твердотельных лазеров волоконные лазеры находят все большую популярность вследствие, среди прочего, высокой эффективности, неприхотливости и высокой средней мощности. К сожалению, при переходе на высокие уровни пиковой мощности волоконные лазеры, особенно одномодовые волоконные лазеры, становятся жертвой нежелательных нелинейных эффектов, ограничивающих достижимую пиковую мощность и пагубно влияющих на качество пучка, который в подавляющем числе случаев применения должен быть близким к дифракционно-ограниченному. Хотя в индустрии волоконных лазеров постоянно ведется работа по устранению этого недостатка, жизнеспособной альтернативой волоконным лазерам, работающим на одной поперечной моде, считаются решения на основе объемных лазеров.
[0003] Диодная накачка твердотельных лазеров может обеспечивать многие желательные свойства, такие как компактная компоновка и высокоэффективный режим работы лазера, поэтому она становится основным направлением в разработке твердотельных лазеров. Последние достижения в области диодных лазеров высокой мощности, работающих в диапазоне длин волн 940-980 нм, стимулировали возобновившийся интерес к разработке лазеров и усилителей с диодной накачкой на легированном ионами иттербия Yb3+ твердом теле. Благодаря своей простой электронной структуре, основанной на двух электронных компонентах - основное состояние 2 F7/2 и возбужденное состояние 2 F5/2, Yb3+ обладает преимущественными спектроскопическими свойствами, хорошо подходящими для схем диодной накачки в ближней инфракрасной области спектра. Во-первых, иттербий обычно имеет продолжительное время жизни при хранении, которое приблизительно в четыре раза продолжительнее времени жизни при хранении его конкурентов, легированных неодимом (Nd). Во-вторых, легированные ионами Yb3+ материалы демонстрируют широкие спектры поглощения, что устраняет необходимость точно контролировать температуру диодов накачки. В-третьих, простая двухкомпонентная электронная структура приводит к низкому квантовому дефекту, отсутствию поглощения в возбужденном состоянии и минимальным неизлучательным потерям, и все эти факторы приводят к уменьшенной тепловой нагрузке и меньшим связанным с теплом проблемам. Кроме того, отсутствие дополнительных 4f-уровней у Yb3+ исключает эффекты ап-конверсии (преобразования с повышением частоты), минимизирует концентрационное тушение, так что даже высоколегированные Yb кристаллы могут быть использованы без концентрационного тушения. Наибольшее внимание уделено кристаллам алюмоиттриевого граната, легированных иттербием (Yb:YAG), которые представляют собой хороший материала для лазеров, ввиду их высоких термических, физических и химических свойств и лазерных характеристик YAG. Высококачественные кристаллы Yb:YAG с высоким содержанием легирующей примеси можно выращивать, используя традиционный метод Чохральского (CZ).
[0004] Однако лазеры и усилители на кристаллах, включающие в себя легированные иттербием активные среды, имеют и хорошо известные недостатки. В частности, двумя фундаментальными недостатками для масштабирования мощности систем твердотельных лазеров высокой мощности с диодной накачкой является следующее:
1) низкая яркость лазерного излучения высокомощных диодных лазеров (ДЛ) и узлов; и
2) значительный квантовый дефект.
[0005] Примером одного из основных недостатков в части масштабирования мощности усилителей на кристаллах служит диодно-лазерная накачка. Как известно, диодные лазеры высокой мощности (несколько ватт) не генерирует яркое излучение. При этом источники накачки высокой яркости являются одной из ключевых технологий для повышения эффективности и мощности любой лазерной системы, но особенно важны для накачки легированных иттербием активных сред (например, Yb:YAG).
[0006] Следовательно, существует необходимость в источниках излучения высокой яркости для накачки лазерных усилителей на кристаллах с низким квантовым дефектом.
[0007] Величина опто-оптического КПД усилителя представляет собой произведение КПД накачки ηP и КПД вывода накопленной энергии ηex, причем ηP определяется как Eacc/EP, где EP представляет собой энергию накачки, а Eacc представляет собой часть накопленной энергии, которая доступна для вывода. Из-за квази-3-уровневого характера активной среды иттербия доступна не вся накопленная энергия. КПД накачки определяется суммой связанных с накачкой потерь или произведением КПД ηi, связанного с этими потерями. Есть несколько механизмов потерь, включая, среди прочих, квантовый дефект, который, как уже отмечалось, является критическим для повышенных высоких пиковых мощностей усилителей на кристаллах.
[0008] Квантовый дефект является следствием разности энергий между фотонами лазерной генерации (вывода) и фотонами накачки. Соответствующий КПД описывается как ηQD=λP/λL, где λP и λL являются длинами волн накачки и вывода (сигнала) соответственно. Одно преимущество легированных иттербием материалов заключается в их малом квантовом дефекте, минусом чего является их квази-3-уровневый характер. Для того чтобы максимально увеличить ηQD, разность между λP и λL должна быть минимизирована. Если рассмотреть в качестве примера лазерную активную среду Yb:YAG, длина волны вывода типично задается при пиковом коэффициенте усиления на длине волны 1030 нм (λL). Стандартный подход к выбору длины волны накачки заключается в том, что выбирают один из двух пиков самого сильного поглощения при длине волны 940 или 969 нм. Это позволяет минимизировать длины легированных иттербием лазерных кристаллов, используемых в генераторах или усилителях для уменьшения проблемы ограниченной яркости лазерных диодов накачки высокой мощности. Использование длины волны накачки λP 940 нм или 969 нм соответствует значению ηQD=91-94%. Таким образом, меньшие квантовые дефекты являются преимущественными для повышения оптического КПД усилителя, хотя при использовании квази-трехуровневых лазерных систем, подобных иттербию, меньший квантовый дефект ограничивает уровень достижимой инверсии. Этот недостаток можно устранить соответствующей конструкцией лазерного усилителя или генератора.
[0009] Таким образом, задачей настоящего изобретения является создание источников накачки с (1) высокой яркостью - как можно более близкой к дифракционно-ограниченной, т.е. одномодовый лазер, и 2) длиной волны накачки, близкой к пику эмиссии активной среды лазера для минимизации квантового дефекта и повышения достижимого оптического КПД усилителя на кристалле.
Краткое раскрытие настоящего изобретения
[0010] Подход, раскрытый в настоящем документе, успешно решает поставленную задачу. Раскрытая твердотельная лазерная система содержит волоконный одномодовый лазер, действующий как задающий источник, выдающий импульсное сигнальное излучение по оптическому пути. Усилитель на кристалле принимает импульсное сигнальное излучение на требуемой длине волны вывода и выдает усиленное сигнальное излучение в виде сверхкоротких импульсов в диапазоне фемсекундной, пикосекундной или наносекундной длительности. Пиковая мощность усиленного сигнального излучения зависит от узла накачки, возбуждающего усилителя, и может достигать уровней от десятков до тысяч кВт.
B
P
Q
2
[0011] В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения узел накачки содержит один или несколько волоконных лазерных источников, выдающих высокояркое дифракционно-ограниченное (одномодовое) световое излучение накачки в непрерывном режиме. Одним из показателей качества пучка является яркость  - мощность на единицу площади, деленная на телесный угол расходимости пучка в ваттах на квадратный сантиметр на стерадиан. Яркость определяют делением мощности  на произведение π и квадрата параметров пучка :
.
Таким образом, благодаря предлагаемой одномодовой оптоволоконной накачке, основной недостаток в части масштабирования мощности усилителей на кристаллах, легированных редкоземельными элементами, - источник накачки низкой яркости - существенно минимизирован.
[0012] Другая проблема, ограничивающая масштабирование мощности усилителей на кристаллах, относится к эффективности устройства накачки. Например, в лазерных системах, работающих на длине волны порядка 1 мкм, диапазон длин волны накачки 940-980 нм и сигнальная (вывода) длина волны 1030 нм являются спектрально достаточно далекими, чтобы придавать большой квантовый дефект, что в свою очередь фундаментально ограничивает эффективность подхода с диодной накачкой.
[0013] Устранить последний недостаток призван второй аспект настоящего изобретения. А именно, предлагаемое одномодовое устройство накачки с иттербиевым волоконным лазером выполнено с возможностью генерирования светового излучения накачки в диапазоне длин волн 1000-1010 нм, что обеспечивает сверхнизкий квантовый дефект менее 3% и, предпочтительно, в пределах приблизительно 2,0-2,5 %. Раскрытый квантовый дефект существенно меньше, чем типичный квантовый дефект 6-9 %, известный для Yb:YAG с накачкой лазерным диодом. Малая разница длин волн сигнального излучения и светового излучения накачки именуется схемой накачки со сверхнизким квантовым дефектом.
[0014] Преимущества накачки со сверхнизким квантовым дефектом обеспечивают исключительно низкую тепловую нагрузку в активных средах лазеров и способствуют более высоким КПД вывода накопленной энергии до 70-80 %, что является существенным для значительного масштабирования мощности усилителя на кристалле.
Краткое описание фигур
[0015] Вышеупомянутые конструктивные аспекты настоящего изобретения далее объясняются подробнее со ссылками на прилагаемые фигуры, где:
[0016] На фиг. 1 представлены поперечные сечения поглощения легированного иттербием YAG.
[0017] На фиг. 2 представлены поперечные сечения излучения стержня или плиты из легированного иттербием YAG.
[0018] На фиг. 3 представлена оптическая схема предлагаемой структуры с накачкой со сверхнизким квантовым дефектом.
[0019] На фиг. 4A-4B представлены графики соответственно характеристик выходной мощности и коэффициента усиления как функции поглощенной мощности накачки на длине волны 1010 нм.
[0020] На фиг. 5A-5B представлены графики соответственно характеристик выходной мощности и коэффициента усиления как функции поглощенной мощности накачки на длине волны 1006 нм.
[0021] На фиг. 6 представлена модификация структуры, показанной на фиг. 3.
[0022] На фиг. 7А представлен график выходной мощности предлагаемого объемного усилителя как функции концентрации легирующей примеси или длины кристалла.
[0023] На фиг. 7В представлена зависимость выходной мощности предлагаемых объемных усилителей иных размеров от общей мощности накачки.
Подробное раскрытие настоящего изобретения
[0024] На фиг. 1 и 2 представлены поперечные сечения поглощения и излучения легированных ионами иттербия активных сред. Как правило, длина волны накачки выбирается в диапазоне 940-980 нм, который можно получить от широкодоступных лазерных диодов высокой мощности. Длина волны вывода обычно задается при пиковом коэффициенте усиления на длине волны 1030 нм или возле него ± менее 5 нм. Напротив, в настоящем изобретении предлагается иной, не обычный подход к накачке в диапазоне длины волны 1 мкм с особым интересом к диапазону длин волн 1000-1020 нм и, преимущественно, 1006-1010 нм с использованием одномодового волоконного лазера (лазеров) высокой яркости.
[0025] На фиг. 3 показана приведенная в качестве примера лазерная система 10, иллюстрирующая настоящее изобретение и работающая как автономная усилительная система, такая как усилитель или бустер высокой мощности, или как часть более крупной, более сложной усилительной системы. Конструктивно исполненная с архитектурой MOPA (задающий генератор-усилитель мощности) или как автономный бустерный усилитель, лазерная система 10 генерирует сверхкороткие импульсы сигнального излучения на длине волны 1030 нм в диапазоне фемсекундной, пикосекундной или наносекундной длительности, что представляет особый интерес для многих промышленных применений. Требуемая длительность импульсов обеспечивается задающим источником 12, предназначенным для генерирования сигнального излучения на требуемой длине волны сигнального излучения и с требуемой частотой повторения импульсов. Задающий источник 12 предпочтительно представляет собой импульсный одномодовый волоконный лазер, работающий в чисто импульсном или пакетном режиме. Волоконный лазер/генератор может быть с синхронизацией мод. Конструктивное исполнение задающего источника 12 может также включать в себя, в дополнение к волоконному генератору, одну или несколько стадий предусиления. Использование диодного лазера высокой мощности без волоконного генератора возможно, но менее эффективно, поскольку яркость диодного лазера не может быть сравнимой с яркостью волоконного генератора. Ширина линии излучения зависит от длительности импульса, но предпочтительно варьирует в пределах 4-7 нм.
2
3
[0026] Поскольку выходное сигнальное излучение распространяется по пути светового излучения, оно наталкивается на оптику L1 14, фокусирующую сигнальное излучение внутри кристалла Yb:YAG 16, который может иметь различные геометрические формы и размеры, в том числе стержни и тонкие плиты. Последние могут представлять собой тело пластинчатой формы, имеющее малую ширину, например 2 мм, и относительно большую длину, достигающую, например, 6 см. Помимо кристалла Yb:YAG, массу преимуществ может давать использование керамики на основе оксида иттербия, такого как YbO, особенно если используется вышеупомянутое пластинчатое конструктивное исполнение, из-за возможности очень высокой концентрации легирующей примеси (Yb).
[0027]Иттербиевый бустер работает для усиления одномодового сигнального излучения до уровней пиковой мощности кВт-МВт и энергии на импульс в пределах от нескольких сотен микроджоулей до нескольких миллиджоулей. Такая высокая пиковая выходная мощность с дифракционно-ограниченным пучком является результатом устройства (источника) 18 накачки, генерирующего пучок накачки, который входит в одну из противоположных граней иттербиевого бустера на кристалле при распространении либо в том же направлении, что и направление сигнального пучка, либо в противоположном направлении. Возможна также конфигурация накачки иттербиевого бустера на его противоположных концах. Каким бы ни было направление распространения, сигнальный пучок и пучок накачки распространяются коллинеарно, перекрывая друг друга в степени, варьирующей от 80% до (при некоторых условиях) 100%, причем перекрытие, превышающее 90%, безусловно, является преимущественным.
2
[0028]Устройство 18 накачки конструктивно исполнено с волоконным лазером в данном случае на легированном ионами иттербия рабочем теле и работает в непрерывном режиме для генерирования светового излучения накачки высокой яркости в диапазоне длин волн 1000-1020 нм. M светового излучения накачки варьирует от 1 до 10, причем диапазон 1-2 является предпочтительным. Соответственно, устройство 18 накачки может конструктивно исполняться как одномодовый или низкомодовый волоконный лазер, работающий в непрерывном режиме, генерирующий пучок светового излучения накачки высокой яркости, проходящий через фокусирующую оптику L2 и L3 20 прежде, чем он наталкивается на фильтр или дискриминатор F1 длин волн.
[0029] Фильтр F1 конструктивно исполнен как дихроическое зеркало, как показано на фиг. 3, или как объемная брэгговская решетка (VBG) 22, причем последняя является особенно практичной, если сигнальный пучок и пучок накачки распространяются на соответствующих длинах волн λs и λp, очень близких друг к другу. Независимо от конкретного конструктивного исполнения и направления распространения пучка, фильтр 22 прозрачен для сигнального излучения и отражает световое излучение накачки, так что сигнальный пучок и пучок накачки распространяются вышеописанным коллинеарным образом и иногда коаксиальным образом. В реальности сигнальный пучок и пучок накачки могут расходиться под очень малым углом - менее 1°, что не является пагубным для общих характеристик работы предлагаемой системы. Перекрывающие друг друга пучки одновременно наталкиваются на одну из граней усилителя, причем устройство 18 накачки и усилитель 16 представляют собой конструктивное исполнение с торцевой накачкой. Усилитель 16 может содержать несколько кристаллов или керамических элементов, образующих соответствующие усилительный каскады 16 и 26 или одиночный каскад 30, как показано на фиг. 6. Если используется многокаскадное усилительное устройство, устанавливается еще одна фокусирующая линза L4 24, предназначенная для фокусировки пучков после усилительного каскада 26 на кристаллах.
[0030]На фиг. 4A-4B представлены соответственно выходная мощность и коэффициент усиления усилителя на кристалле как функции мощности накачки на длине волны 1010 нм. Эти графики получены при более низкой частоте повторения импульсов (ЧПИ) 0,1 МГц (голубые точки) и более высокой ЧПИ 1 МГц (красные точки). Можно видеть, что средняя мощность задающего источника влияет на достижимые коэффициент усиления и выходную мощность от усилителя на кристалле. На фиг. 5А-5В представлены те же тенденции при накачке на длине волны 1006 нм.
[0031] На фиг. 5A, 5B представлены усиленные спектры на выходе предлагаемой системы на длине волны соответственно 1010 и 1006 нм светового излучения накачки при частоте повторения импульсов 1 МГц. Как можно видеть, голубая кривая соответствует максимальной мощности накачки, равной 183,5 Вт для длины волны накачки 1010 нм и 93,5 Вт для длины волны накачки 1006 нм в одной из многих экспериментальных установок.
vice versa
[0032] На фиг. 6 представлена модификация системы 10. В данном случае вместо двух усилительных каскадов, каждый из которых имеет пару кристаллов, используется один усилительный каскад 30 с одним кристаллом. Обычно длина кристалла и концентрация легирующей примеси могут выбираться в соответствующих широких диапазонах. В целях оптимизации увеличение длины кристалла требует снижения концентрации легирующей примеси и . Как правило, диапазон концентрации может включать любое разумное число в процентах, обычно ограниченное примерно 20%, а длина кристалла может быть даже порядка десятков сантиметров, хотя наилучшие результаты получены до настоящего времени при длине кристалла менее 1 сантиметра. Остальные показанные компоненты остаются идентичными компонентам, показанным на фиг. 3. Подобно варианту осуществления на фиг. 3, пучки сигнального излучения и светового излучения накачки соответственно на длинах волн 1030 и 1010 нм распространяются коаксиально по пути светового излучения после фильтра 22, который может представлять собой либо дихроическое зеркало, либо объемную брэгговскую решетку.
[0033] Результаты проведенных в большом объеме экспериментов с использованием обеих схем (показанных на фиг. 3 и 6) показывают, что усиленное сигнальное излучение является более мощным на длине волны накачки 1006 нм, чем на длине волны накачки 1010 нм, что вполне понятно, поскольку на более коротких длинах волн накачки инверсия выше, при условии, как в данном случае, что все остальные условия одинаковы. Эти условия включают в себя мощность задающего источника, поглощенную мощность накачки и размеры пучка задающего источника/накачки. Измеренный коэффициент поглощения в кристалле Yb:YAG 16 на фиг. 3 примерно в 1,5 раза выше на длине волны накачки 1006 нм, чем на длине волны накачки 1010 нм. Важно отметить, что для обеих длин волны накачки - 1006 и 1010 нм - неблагоприятный линзовый эффект минимален, что легко объясняется малым квантовым дефектом на обеих описанных длинах волны накачки. Размер пучка остается по существу неизменным - изменение менее 3% - в диапазоне мощности задающего источника 2-7 Вт и/или диапазоне мощности накачки 93-180 Вт. Как можно легко понять, мощность накачки может быть неограниченной и достигать уровней кВт. Импульсная энергия является функцией мощности накачки и также варьирует в широком диапазоне энергии от нескольких сотен микроджоулей до нескольких миллиджоулей. Напротив, эффект тепловой линзы несомненно проявляется на длине волны накачки 969 нм в схеме на фиг. 6. Как при низкой, так и при высокой частоте повторения импульсов размер пучка при повышении мощности накачки с 0 до 97,5 Вт изменяется примерно на 21%.
[0034] На основании полученных данных становится ясно, как улучшить характеристики предлагаемой системы 10, показанной на фиг. 3 и 6, включая выходную мощность. Одна эффективная модификация предполагает увеличение длины кристалла. Еще одна модификация, ведущая к улучшенным результатам, предполагает повышенную концентрацию легирующей примеси. Обе вышеупомянутые тенденции проиллюстрированы на фиг. 7А. На фиг. 7В показано, что выходная мощность системы растет с увеличением общей мощности накачки на выходе накачки волоконным лазером. Красная кривая соответствует длине кристалла, большей длины кристалла, которой соответствует голубая кривая.
I
.
sat
[0035] Кроме того, повышение мощности и яркости одномодовой или низкомодовой оптоволоконной накачки обеспечивает относительно малое поперечное сечение (площадь) области усиления в кристалле усилителя, т.е. работу при плотности мощности намного выше  Для гауссовых пучков на длине волны 1 мкм и диаметром ≥ 0,2 мм расхождение не имеет большого значения, если длина кристалла варьирует от 20 до 80 мм. Ясно, что накачка дифракционно-ограниченными пучками высокой яркости и высокой мощности является критически важной для более высокой эффективности иттербиевых усилителей.
4
4
2
3
2
3
[0036] Понятно, что активная среда-хозяин для ионов иттербия не ограничивается YAG и может включать в себя самые разные кристаллы. Неограничивающий перечень кристаллов-хозяев может включать в себя гранаты (LuAG, GGG и т. п.), вольфраматы (например, KGW, KYW, KLuW), ванадаты (YVO, YGdO), фториды (YLF, LuLiF, CaF2 и т.п.), бораты (BOYS, GdCOB), апатиты (SYS), сесквиоксиды (YO, ScO) и др. Кроме того, для резонансной накачки, характеризующейся одномодовой оптоволоконной накачкой высокой мощности и низким квантовым дефектом, могут использоваться ионы других редкоземельных элементов и соответствующие кристаллы.
[0037] Вышеприведенные описание и примеры служат чисто для иллюстрации основной идеи настоящего изобретения, которая состоит в использовании одномодовых лазеров с накачкой высокой мощности, высокой яркости, работающих в непрерывном режиме, генерирующих пучок накачки, распространяющийся коаксиально с пучком сигнального излучения, для возбуждения объемных усилителей. Конструктивные особенности, описанные в настоящем документе, не следует рассматривать в качестве ограничивающих. Соответственно, настоящее изобретение должно интерпретироваться широко с включением всех изменений в пределах объема раскрытой концепции.