Термооптические искажения в активных элементах из неодимового стекла при миллисекундных импульсах накачки

ТЕРМООПТИЧЕСКИЕ ИСКАЖЕНИЯ В АКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ ИЗ НЕОДИМОВОГО СТЕКЛА ПРИ МИЛЛИСЕКУНДНЫХ

ИМПУЛЬСАХ НАКАЧКИ В.Б. Карасев, В.В. Крамник, В.Ф. Петров, А.А. Солунин, Л.М. Студеникин,

В.Ю. Храмов

Представлены результаты разработки и исследования макета системы охлаждения, обеспечивающей адиабатический режим работы активного элемента из неодимового стекла марки ГЛС-6 размером 0 45x300 мм в течение нескольких секунд после импульса накачки длительностью 2.5 мс и энергией 53 кДж. Исследована динамика развития термоискажений, наводимых в активном элементе в процессе накачки. Зафиксировано, что оптическая сила термолинзы, возникающей в одном активном элементе к концу импульса накачки, составляет величину около 2.4х10-3 Дптр.

Введение

Особенности генерации твердотельного лазера с неустойчивым резонатором достаточно хорошо освещены в литературе [1]. Известно, что наводимая в процессе генерации тепловая линза в активном элементе приводит к существенному ухудшению пространственных характеристик излучения, особенно в режиме свободной генерации при длительности импульса порядка нескольких миллисекунд в лазере с активным элементом большой апертуры. Для компенсации искажений оптического тракта резонатора, наводимых в процессе накачки, необходимо провести исследование динамики их развития, что является достаточно сложной задачей вследствие наличия значительного уровня помех, создаваемых излучением накачки и люминесценцией активного элемента. При генерации серии таких импульсов с периодом в несколько секунд на искажения, наводимые в активной среде в процессе накачки, накладываются термоискажения, вызванные взаимодействием активного элемента с охлаждающей жидкостью. Для компенсации этой части возмущений необходимо обеспечить адиабатический режим работы активного элемента в промежуток времени между импульсами. Данная работа посвящена исследованию динамики термоискажений, наводимых в элементе из неодимового стекла марки ГЛС-6 размером 0 45x300 мм, а также разработке системы охлаждения с подогревом хладагента с целью обеспечения адиабатического режима работы данного активного элемента в течение нескольких секунд после импульса накачки.

Система охлаждения с подогревом хладагента

Для обеспечения достаточно большой частоты повторения импульсов лазерного излучения без ухудшения расходимости и без риска разрушения активных элементов в системах на стекле целесообразно применять систему охлаждения с охранным подогревом, обеспечивающие адиабатический режим работы активных элементов между вспышками. В рамках данной работы был собран макет такой системы охлаждения. Схема экспериментальной установки для определения температуры хладагента, обеспечивающей данный режим работы активных элементов в течение нескольких секунд после импульса накачки, изображена на рис. 1.

Были проведены работы по экспериментальному определению температуры хладагента, обеспечивающей адиабатический режим работы активного элемента в течение нескольких секунд после импульса накачки длительностью 2.5 мс и энергией 53 кДж. Характерные поляриграммы и интерферограммы приведены на рис. 2. В данном случае получено, что температура хладагента после вспышки должна быть на 4.5-4.8 К выше температуры активных элементов до вспышки, что согласуется с результатами математического моделирования, проведенного в рамках данной работы.

Не-Ые лазер Поляризатор Телескоп

Рис. 1. Схема экспериментальной установки для определения температуры хладагента, обеспечивающей адиабатический режим работы активного элемента в течение нескольких секунд после импульса накачки

ЛТ=0.0 К ЛТ=4.0 К

Рис. 2. Характерные поляриграммы и интерферограммы, зафиксированные при различной разнице температур активного элемента и хладагента

Исследование термических искажений, возникающих в процессе накачки

активного элемента

Так как распределение поглощенной энергии накачки в радиальном направлении не является раномерным, то в процессе генерации в активных элементах возникает отрицательная динамическая тепловая линза, оптическая сила которой меняется по величине от нулевого до некоторого максимального значения Б. Это

значение тепловой линзы, естественно, зависит от энергии накачки, степени радиальной неравномерности прокачки активного элемента и его термооптических параметров Р и Q [2]. Выполнив необходимые расчеты, в нашем случае мы получили среднее значение оптической силы динамической тепловой линзы, наводимой в

3 1

процессе генерации в одном активном элементе, ,0ср~10" м" . Предполагая, что изменение оптической силы этой линзы происходит по линейному закону, естественно предположить, что ее максимальное значение ^Ошах будет в два раза больше, то есть ~2х10"3 м-1. Такая тепловая линза может вносить существенный вклад в общую расходимость излучения лазера. Улучшить расходимость излучения лазера с такими активными элементами можно, применяя системы динамической коррекции волнового фронта в течение импульса генерации излучения. Для разработки таких систем необходимо знать зависимость изменения оптической силы термолинзы, наводимой в активном элементе в процессе накачки, от времени.

Для динамических измерений термоискажений активных элементов и воздуха в оптическом тракте был разработан и собран наносекундный зондирующий лазер на рубине. Собрана интерференционная схема исследования термоискажений активных элементов, изображенная на рис. 3.

Рубиновый лазер Телескоп

Рис. 3. Интерференционная схема исследования термоискажений активных

элементов

При исследованиях с указанными выше параметрами накачки было обнаружено, что через 2.0 мс после поджига возникают искажения в оптическом тракте, вызванные потоками воздуха от ламп накачки (см. рис. 4). Представляется очевидным, что данный эффект должен ухудшать расходимость лазерного излучения, особенно в режиме длинных импульсов. Для уменьшения данного эффекта требуется изолирование оптического тракта от потоков воздуха, распространяющихся от ламп накачки во время импульса. Для этого были изготовлены специальные защитные бленды переменной длины. Установка защитных бленд длиной 70 мм приводЬт к исчезновению этих искажений вплоть до времени 3,5 мс после поджига, из чего можно заключить, что их причиной являются только потоки воздуха, возникающй в процессе накачки. При установке защитных бленд длиной 120 мм эти искажения различимы с задержки около 11 мс после поджига. Дополнительная изоляция квантронов практически исключала этот эффект. Было зафиксировано, что оптическая сила термолинзы, возникающей в одном активном элементе к концу импульса накачки, составляет величину около 2.4х10-3 Дптр, ее фокусное расстояние - около 420 м.

без бленд

до поджига 2.0 мс после поджига

до поджига 2.7 мс после поджига

с блендами 120 мм

до поджига 2.0 мс после поджига

до поджига 11.7 мс после поджига

Время задержки, мс

х св Ч

о

3

и

о

си Ет

ь с О

2.5

Рис. 4. Типичные интерферограммы термоискажений активного элемента

в оптическом тракте

Работа выполнена при поддержке Министерства образования Российской Федерации (программа "Государственная поддержка региональной научно-технической политики высшей школы и развитие ее научного потенциала", подпрограмма "Международное научное и научно-техническое сотрудничество высшей школы России", раздел 1 "Международные проекты, направленные на развитие вузовской науки, ее интеграцию в мировую систему фундаментальных и прикладных исследований, укрепление экспортного потенциала регионов").

Литература

1. Ананьев Ю.А. Оптические резонаторы и проблема расходимости лазерного излучения. М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1979. 328 а

2. Калинин В.Н., Фромзель В.А. О тепловыделении в иттербий-эрбиевых стеклах при лазерной и ламповой накачке.// ЖТФ. 1980. Т.50. Вып. 5.