Усилитель лазерного излучения с большим коэффициентом усиления, высокой средней и пиковой мощностью и высоким качеством выходного пучка
LASER RADIATION AMPLIFIER WITH HIGH GAIN, HIGH AVERAGE AND PEAK POWER AND HIGH BEAM QUALITY

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано для усиления непрерывного или импульсного лазерного излучения с различными параметрами. Предлагаемый усилитель обладает высоким коэффициентом усиления за один проход излучения через активный элемент и способен работать при высокой средней и пиковой мощности. Устройство может быть использовано в качестве конечного усилителя для увеличения мощности задающих лазерных генераторов, а также в качестве предусилителя в крупных высокомощных лазерных установках. В частности, устройство может быть применено для усиления излучения волоконного лазера.
Все усилители, которые сейчас используются для подобных целей, обладают различными недостатками. Волоконные лазерные усилители не позволяют достигать высоких пиковых мощностей из-за нелинейных эффектов в волокне [Eidam, Т. et al., Optics Letters, 35 (2), pp. 94-96, 2010]. Твердотельные лазерные усилители обладают недостаточно большим коэффициентом усиления. Из-за этого необходимо применять схему усиления с большим количеством проходов излучения через активный элемент [J.-P. Negel et al., Optics Letters 38 (24), pp. 5442-5445, 2013], либо увеличивать путь излучения в активном элементе [Н. Kiriyama et al., Optics Letters 28 (18), pp. 1671-1673, 2003], что существенно усложняет конструкцию усилителя. Кроме того, твердотельные лазерные усилители при работе на высокой средней мощности подвержены влиянию вредных тепловых эффектов, которое увеличивается пропорционально количеству проходов излучения через активный элемент.
2
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 тонкого стержня, выступающего в роли волновода для излучения накачки [X. Délen et al., Optics Letters, 38 (2), pp 109-111, 2013]. Такие усилители производятся компанией "Fibercryst" (http://www.fibercryst.com/fibercryst-optics-laser-crystal-fiber-taranis-ampli-0). Усилитель включает твердотельный активный элемент, систему охлаждения активного элемента, один или два источника излучения накачки, оптические системы для заведения излучения накачки и усиливаемого лазерного излучения в активный элемент, а также одно или два дихроичных зеркала для пространственного разделения излучения накачки и усиливаемого лазерного излучения. Твердотельный активный элемент выполнен в форме тонкого стержня с характерным диаметром 0,3-2 мм и характерной длиной 2-4 см. Излучение накачки и усиливаемое излучение заводятся в стержень через торцы. При этом излучение накачки распространяется в стержне волноводным образом, а усиливаемое излучение - свободным. Боковая поверхность стержня приведена в контакт с радиатором, который охлаждается проточной водой или воздухом. Активный элемент эффективно охлаждается, так как имеет большую площадь охлаждаемой поверхности и малый объем. Благодаря этому усилитель может работать при высокой средней мощности, обеспечивая высокое качество выходного пучка (М~1). Применяются источники излучения накачки, основанные на лазерных диодах.
Оптическая система для заведения излучения накачки в активный элемент представляет собой систему линз, фокусирующих излучение вдоль оси твердотельного активного элемента на одну или обе его торцевые грани. При этом диаметр пучка накачки на торцевой грани активного элемента должен быть меньше диаметра активного элемента.
Оптическая система для заведения усиливаемого лазерного излучения в активный элемент обеспечивает один, два или четыре прохода излучения через активный элемент, при этом диаметр пучка излучения в активном элементе составляет от 40% до 60% от диаметра активного элемента. Оптическая система представляет собой набор сферических линз и систему поляризационного разделения сигналов для осуществления нескольких проходов излучения через активный элемент, состоящую из поляризатора, зеркала и четвертьволновой пластинки (2 прохода) или двух поляризаторов, двух зеркал, вращателя Фарадея и четвертьволновой пластинки (4 прохода).
Для разделения излучения накачки и усиливаемого излучения используются дихроичные зеркала, которые пропускают излучение накачки и отражают усиливаемое лазерное излучение или наоборот.
Первый недостаток прототипа заключается в том, что погонное усиление в дальней по ходу распространения излучения накачки части стержня существенно меньше, чем в ближней. Это связано с тем, что интенсивность излучения накачки в дальней части стержня существенно ниже, чем в ближней, из-за ее поглощения в активном элементе. Данная проблема ограничивает усиление в активном элементе. Чтобы решить эту проблему, обычно используют схему усилителя, где излучение накачки заводится в активный элемент с двух противоположных торцов. Это можно реализовать, используя два источника излучения накачки или разделяя пучок накачки на два, что существенно усложняет конструкцию усилителя.
Второй недостаток прототипа заключается в том, что эффективность извлечения мощности из ближней по ходу распространения усиливаемого лазерного излучения части стержня существенно меньше, чем из дальней. Это связано с тем, что интенсивность усиливаемого излучения в ближней части стержня существенно ниже, чем в дальней, из-за усиления. В результате, в усилителе с одним проходом усиливаемого излучения через активный элемент мощность извлекается малоэффективно. Чтобы решить эту проблему, обычно используют схему усилителя, в которой усиливаемое излучение проходит через активный элемент несколько раз, что также существенно усложняет конструкцию усилителя.
Третий недостаток прототипа заключается в том, что при усилении лазерных импульсов до больших энергий В-интеграл усилителя и вероятность оптического пробоя в толще активного элемента или на его торцах становятся высоки. Это связано с тем, что энергия импульса при распространении в активном элементе растет, а диаметр пучка излучения остается неизменным. Данная проблема ограничивает энергию и пиковую мощность импульсов на выходе усилителя. Чтобы ее решить, можно использовать схему усиления чирпированных импульсов, что существенно усложняет и удорожает конструкцию усилителя.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка способного работать при высокой средней и пиковой мощности усилителя лазерного излучения с высоким качеством выходного пучка, который обеспечивал бы большой коэффициент усиления и эффективное извлечение запасенной мощности вдоль всей длины активного элемента усилителя при одном проходе усиливаемого лазерного излучения и излучения накачки через активный элемент усилителя.
Технический эффект достигается тем, что усилитель лазерного излучения включает по крайней мере один основанный на лазерных диодах источник излучения накачки, выступающий в роли волновода для излучения накачки твердотельный активный элемент продолговатой аксиально-симметричной формы с двумя круговыми торцевыми гранями, служащими для ввода излучения в твердотельный активный элемент и вывода излучения из твердотельного активного элемента, который контактирует боковой поверхностью со слоем материала, обеспечивающим волноводное распространение излучения накачки, систему охлаждения боковой поверхности твердотельного активного элемента, оптическую систему для заведения излучения накачки в твердотельный активный элемент, оптическую систему для заведения усиливаемого лазерного излучения в твердотельный активный элемент, а также по крайней мере одно дихроичное зеркало для пространственного разделения излучения накачки и усиливаемого лазерного излучения.
Новым является то, что твердотельный активный элемент выполнен в форме усеченного прямого кругового конуса, при этом оптическая система для заведения излучения накачки в твердотельный активный элемент расположена со стороны его круговой торцевой грани, которая является большим основанием усеченного прямого кругового конуса, а оптическая система для заведения усиливаемого лазерного излучения в твердотельный активный элемент расположена со стороны его круговой торцевой грани, которая является меньшим основанием усеченного прямого кругового конуса.
В частном случае реализации изобретения по п. 2 слой материала, обеспечивающий волноводное распространение излучения накачки, выполнен из металла.
В частном случае реализации изобретения по п. 3 слой материала, обеспечивающий волноводное распространение излучения накачки, является диэлектрической оболочкой с меньшим, чем у твердотельного активного элемента показателем преломления, а оптическая система для заведения излучения накачки в твердотельный активный элемент устроена так, чтобы угол падения излучения накачки на боковую поверхность активного элемента был больше критического угла полного внутреннего отражения.
В частном случае реализации изобретения по п. 4 в качестве слоя материала, обеспечивающего волноводное распространение излучения накачки, выступает слой жидкости, циркулирующей в системе охлаждения, с меньшим показателем преломления, чем у твердотельного активного элемента, а оптическая система для заведения излучения накачки в твердотельный активный элемент устроена так, чтобы угол падения излучения накачки на боковую поверхность активного элемента был больше критического угла полного внутреннего отражения.
Сущность изобретения поясняется Фиг. 1, на котором представлена схема предлагаемого усилителя лазерного излучения.
Предлагаемое 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 со стороны круговой торцевой грани твердотельного активного элемента 3, которая является большим основанием усеченного прямого кругового конуса, слоя материала 4, обеспечивающего волноводное распространение излучения накачки, с которым контактирует боковой поверхностью твердотельный активный элемент 3 (здесь и далее под боковой поверхностью подразумевается вся поверхность твердотельного активного элемента 3 за исключением его круговых торцевых граней, т.е. оснований усеченного прямого кругового конуса), системы охлаждения 5 боковой поверхности твердотельного активного элемента 3, оптической системы для заведения усиливаемого лазерного излучения 6 в твердотельный активный элемент 3, причем оптическая система для заведения усиливаемого лазерного излучения 6 расположена со стороны круговой торцевой грани твердотельного активного элемента 3, которая является меньшим основанием усеченного прямого кругового конуса, и дихроичного зеркала 7.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
Излучение накачки основанного на лазерных диодах источника накачки 1 заводится в твердотельный активный элемент 3 с помощью оптической системы для заведения излучения накачки 2. Оптическая система для заведения излучения накачки 2 представляет собой сферическую линзу или систему сферических линз, фокусирующих излучение накачки вдоль оси твердотельного активного элемента 3 так, что минимальный диаметр пучок излучения накачки имеет на круговой торцевой грани твердотельного активного элемента 3, которая является большим основанием усеченного прямого кругового конуса, и диаметр пучка 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.
pump
Мощность излучения накачки (P) по мере распространения в твердотельном активном элементе 3 (по оси z) спадает по экспоненциальному закону из-за поглощения:
pump0
pump
где P - мощность излучения накачки на входе в твердотельный активный элемент 3, α - коэффициент поглощения. При этом площадь сечения твердотельного активного элемента 3 уменьшается вдоль оси z по линейному закону:
big
small
где S - площадь большего основания усеченного прямого кругового конуса, S - площадь меньшего основания усеченного прямого кругового конуса, L - высота усеченного прямого кругового конуса (длина твердотельного активного элемента 3). Из-за волноводного распространения излучения накачки площадь сечения пучка излучения накачки в твердотельном активном элементе 3 равна площади сечения твердотельного активного элемента 3:
pump
S(z)=S(z),
Интенсивность излучения накачки в каждой точке вдоль оси z находится по формуле:
Размеры усеченного прямого кругового конуса подбираются так, чтобы интенсивность излучения накачки практически не зависела от z, т.е. мало менялась вдоль всей длины твердотельного активного элемента 3. Такую зависимость можно реализовать различными способами. Например, из формулы следует, что интенсивность накачки на круговых торцевых гранях твердотельного активного элемента 3 будет одинаковой при выполнении условия:
Это позволяет создать равномерное распределение погонного коэффициента усиления вдоль оси z в длинном твердотельном активном элементе 3, используя схему усилителя, где излучение накачки заводится в твердотельный активный элемент только с одного торца. Таким образом, можно достигнуть большого коэффициента усиления, используя простую систему заведения излучения накачки в твердотельный активный элемент.
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 свободным образом. Оптическая система для заведения усиливаемого лазерного излучения 6 представляет собой сферическую линзу или систему сферических линз, фокусирующих излучение вдоль оси твердотельного активного элемента 3 в точку перед твердотельным активным элементом 3 так, что диаметр пучка усиливаемого лазерного излучения увеличивается по мере своего распространения в твердотельном активном элементе 3 пропорционально увеличению диаметра твердотельного активного элемента 3. Таким образом, площадь сечения пучка усиливаемого лазерного излучения в твердотельном активном элементе 3 прямо пропорциональна площади сечения твердотельного активного элемента 3:
las
S(z)=k⋅S(z),
где k - коэффициент пропорциональности. Для оптимального извлечения запасенной мощности из твердотельного активного элемента 3 при минимальных дифракционных потерях на его краях диаметр пучка усиливаемого лазерного излучения должен составлять от 40% до 60% от диаметра твердотельного активного элемента 3 в каждой точке твердотельного активного элемента по оси z.
las
Мощность усиливаемого лазерного излучения P по мере распространения в твердотельном активном элементе 3 (против оси z) растет по экспоненциальному закону из-за усиления:
las
las0
las
P=P exp(α(L-Z)),
las0
las
где P - мощность усиливаемого лазерного излучения на входе в твердотельный активный элемент 3, α - коэффициент усиления. С учетом того, что площадь сечения твердотельного активного элемента 3 против оси z увеличивается по линейному закону, интенсивность усиливаемого лазерного излучения в каждой точке вдоль оси z находится по формуле:
Таким образом, интенсивность усиливаемого лазерного излучения зависит от z существенно слабее, чем в геометрии прототипа. Благодаря этому запасенная мощность эффективно извлекается вдоль всей длины твердотельного активного элемента 3. Это позволяет использовать схему усилителя, в которой усиливаемое лазерное излучение проходит через твердотельный активный элемент 3 только один раз. Таким образом, оптическая система для заведения усиливаемого лазерного излучения 6 в твердотельный активный элемент 3 существенно упрощается.
Кроме того, при усилении лазерных импульсов до больших энергий увеличение диаметра пучка усиливаемого лазерного излучения по мере распространения в твердотельном активном элементе 3 позволяет уменьшить В-интеграл усилителя и вероятность оптического пробоя в толще твердотельного активного элемента 3 и на его торцах. Благодаря этому усилитель может быть использован без схемы усиления чирпированных импульсов для получения импульсов с большой энергией.
Система охлаждения 5 отводит тепло с боковой поверхности активного элемента 3. Разделение излучения накачки и усиливаемого лазерного излучения осуществляется с применением дихроичного зеркала 7, которое пропускает излучение накачки и отражает усиливаемое лазерное излучение или наоборот.
В усилителе лазерного излучения по п. 2 слой материала 4, обеспечивающий волноводное распространение излучения накачки, выполнен из металла. Данное покрытие многократно отражает излучение накачки и обеспечивает его волноводное распространение.
В усилителе лазерного излучения по п. 3 слой материала 4, обеспечивающий волноводное распространение излучения накачки, является диэлектрической оболочкой с меньшим, чем у твердотельного активного элемента 3, показателем преломления. Данная оболочка обеспечивает волноводное распространение излучения накачки за счет эффекта полного внутреннего отражения на границе твердотельного активного элемента 3 и оболочки.
В усилителе лазерного излучения по п. 4 система охлаждения 5 твердотельного активного элемента 3 устроена так, что боковая поверхность активного элемента 3 омывается охлаждающей жидкостью с меньшим показателем преломления, чем у активного элемента, и в качестве слоя материала 4, обеспечивающего волноводное распространение излучения накачки, выступает слой жидкости, циркулирующей в системе охлаждения 5. Охлаждающая жидкость обеспечивает волноводное распространение излучения накачки за счет эффекта полного внутреннего отражения на границе активного элемента 3 и охлаждающей жидкости.
В усилителях лазерного излучения по п. 3 и п. 4 оптическая система для заведения излучения накачки в твердотельный активный элемент 3 устроена так, чтобы угол падения излучения на боковую поверхность активного элемента был больше критического угла полного внутреннего отражения.
Таким образом, предлагаемый усилитель лазерного излучения за счет специальной геометрии активного элемента способен работать при высокой средней и пиковой мощности с высоким качеством пучка, обеспечивать большой коэффициент усиления и эффективное извлечение запасенной мощности вдоль всей длины активного элемента при одном проходе излучения накачки и усиливаемого лазерного излучения через активный элемент усилителя. Кроме того, в таком однопроходном усилителе лазерного излучения отпадает необходимость использования нескольких источников накачки и сложных оптических систем для заведения и разделения пучков лазерного излучения и излучения накачки, а также схемы усиления чирпированных импульсов, что существенно упрощает и удешевляет конструкцию усилителя.