ИАГ: Nd-лазеры с адаптивными резонаторами на базе интерферометра Саньяка и пассивной модуляцией добротности кристаллами LiF: F2- тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.21, кандидат физико-математических наук Гаврилов, Андрей Валентинович

• Гаврилов, Андрей Валентинович
• кандидат физико-математических наук
• 2001

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Гаврилов, Андрей Валентинович

Стр.:

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. МЕТОДЫ КОМПЕНСАЦИИ ИСКАЖЕНИЙ

ВОЛНОВОГО ФРОНТА ИЗЛУЧЕНИЯ МОЩНЫХ

ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ ЛАЗЕРОВ.

1Л. Компенсация фазовых искажений в резонаторах телескопического типа.

1.2. Применение адаптивной оптики.

1.3. Адаптивные лазерные системы с ОВФ зеркалами.

1.4. Низкопороговые самонакачивающиеся ОВФ-зеркала на основе четырехволнового взаимодействия с обратной связью в собственной активной среде и пассивных элементах лазера.

• ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА.

2.1. Отбор и оптимизация размеров образцов.

2.2. Методика измерения энергетических, временных и пространственных характеристик лазерного излучения.

ГЛАВА 3. ИAT:Nd-ЛАЗЕРЫ С ЛИНЕЙНЫМИ

РЕЗОНАТОРАМИ НА БАЗЕ ИНТЕРФЕРОМЕТРА САНЬЯКА И ПАССИВНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ ДОБРОТНОСТИ КРИСТАЛЛОМ U¥\F2~.

3.1. Оптимизация оптической схемы.

3.2. Исследование энергетических и временных параметров лазерного излучения.

3.3. Мощный MArrNd лазер со связанным резонатором телескопического типа и интерферометром Саньяка.

ГЛАВА 4. ОДНОМОДОВЫЕ HATrNd ЛАЗЕРЫ С САМООБРАЩЕНИЕМ ВОЛНОВОГО ФРОНТА.

4.1. Оптимизация оптической схемы резонатора.

4.2. Пассивная модуляция добротности ИАГ.-Nd лазера с самонакачивающимся фазовосопряженным петлевым резонатором.

4.3. Мощный одномодовый ИАГ:Кс1-лазер с самообращением волнового фронта и модифицированным интерферометром Саньяка.

ГЛАВА 5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ИАГ:Ш

ЛАЗЕРОВ С ИНТЕРФЕРОМЕТРОМ САНЬЯКА.

5.1. Лазерная прошивка калиброванных отверстий.

5.2. Повышение эффективности лазерной прошивки глубоких отверстий.

5.3. Лазерная обработка хрупких материалов.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «ИАГ: Nd-лазеры с адаптивными резонаторами на базе интерферометра Саньяка и пассивной модуляцией добротности кристаллами LiF: F2-»

Развитие современных исследований в области взаимодействия излучения с веществом и создание на их основе перспективных технологий требуют разработки высокоэффективных, мощных лазерных систем. Повышенный интерес при этом проявляется к твердотельным лазерам на неодимсодержащих средах [1,2], так как их применение оказывается во многих случаях более эффективным, в частности, при точной размерной обработке металлов. Хотя коэффициент полезного действия Nd-лазеров существенно ниже, чем у С02 -лазеров, они более компактны, стабильнее, дешевле и проще в эксплуатации. Данные лазерные установки могут быть легко автоматизированы при использовании устройств с ЧПУ и персональных компьютеров.

Среди кристаллических активных сред особое место занимает HAT:Nd. По сравнению с другими активными средами (AH:Nd, ITT:Nd, rcrT:Nd и др.) HAr:Nd в меньшей степени подвержен термооптическим искажениям, которые весьма сильно влияют на структуру типов колебаний и, следовательно, на диаграмму направленности ла- ■ зерного излучения, распределение его интенсивности в лазерном пучке. Интерес к HAr:Nd еще более повысился, благодаря значительному прогрессу, достигнутому в технологии узкополосной диодной накачки лазерных кристаллических сред [3]. Таким образом, в настоящее время эта активная среда является одной из самых перспективных для создания мощных одномодовых твердотельных лазеров.

К сожалению, именно в мощных твердотельных лазерах особенно сильно проявляется наведенная оптическая анизотропия, что вызывает наибольшие искажения волнового фронта выходного излучения, существенно снижая его качество. Вследствие этого, уменьшается пространственная яркость излучения и затрудняется его транспортировка в зону воздействия. Кроме того, многомодовый характер излучения может приводить к хаотической локальной неравномерности плотности мощности в пятне лазерного нагрева, достигающей десятикратной величины, что снижает воспроизводимость и качество обработки изделий. В связи с этим разработка и исследование мощных, надежных лазеров одномодового излучения с малой расходимостью, высокой пространственной яркостью и гауссовым профилем распределения интенсивности представляется весьма актуальной задачей для научных и практических целей.

Задача улучшения качества излучения твердотельных лазеров с мощной ламповой накачкой может быть частично решена при использовании линейных неустойчивых резонаторов телескопического типа [4-6]. К недостаткам данных систем следует отнести неполную компенсацию термолинз при изменении режимов накачки, что приводит к значительным потерям мощности и увеличению расходимости излучения. Большие потенциальные возможности имеет адаптивная оптика [7,8]. Однако пока она оказывается слишком сложной и дорогостоящей техникой для широкого применения в лазерных установках технологического профиля. Кроме того, адаптивная оптика практически непригодна для компенсации фазовых искажений излучения высокоэнерге-тичных импульсных лазеров из-за относительно низкого быстродействия.

В связи с этим особый интерес представляют динамические адаптивные системы с ОВФ-зеркалами, к числу которых относится петлевая схема генератора с самонакачивающимся ОВФ-зеркалом, основанный на четырехволновом взаимодействии с обратной связью (ЧВОС-генератор) [9]. Подобные схемы компенсации искажений пучка не требуют применения в резонаторе дополнительных нелинейных элементов, поскольку ОВФ может осуществляться непосредственно в активной среде лазера. Важным достоинством этой схемы по сравнению с хорошо разработанными для одномикронного диапазона методами ОВФ при вынужденном рассеянии в жидких средах [10-12] является низкий порог самообращения, обеспечивающий наименьшие лучевые нагрузки на оптические элементы. Высокие коэффициенты отражения самонакачивающихся ОВФ-зеркал (из-за наличия в петле обратной связи усилителя) обуславливают широкие возможности их применения для создания мощных генераторов с дифракционным качеством излучения.

До настоящего времени для обеспечения дифракционно-ограниченного качества пучка в ЧВОС-генераторах использовались диафрагмы, что приводило к снижению энергетических параметров излучения [13]. Как было показано в работе [14], применение в линейном резонаторе интерферометра Саньяка (ИС) обеспечивает генерацию на основной поперечной моде без дополнительной пространственной фильтрации. Поэтому представляется, актуальным вопрос о возможности использования пространственно-угловой селективности интерферометра в адаптивных схемах с самонакачивающимся ОВФ-зеркалом.

Кристаллы LiF с F2~ центрами окраски зарекомендовали себя в качестве эффективных и надежных пассивных лазерных затворов (ПЛЗ). В работе [15] так же сообщалось о получении ОВФ-ЧВВ с эффективностью 0,2% в кристалле LiF :Ff, который одновременно работал как пассивный затвор HAr.'Nd лазера. В связи с этим представляет интерес исследование возможных схем применения LiF:Ff в качестве ПЛЗ и дополнительного ОВФ-зеркала в адаптивных петлевых резонаторах.

В настоящее время технологические лазеры с пассивной модуляцией добротности успешно применяются для прецизионной обработки различных материалов. При этом высокое качество обработки не всегда сопряжено с высокой эффективностью процесса, которая определяется как КПД генерации лазерной установки, так и соответствием параметров излучения конкретным условиям обработки. Поэтому разработка и исследование мощных лазерных установок, обладающих возможностью быстрой, в том числе в ходе выполнения отдельной операции, подстройки параметров излучения, является актуальным как с научной точки зрения, так и для определения возможности применения указанных лазеров при решении различных технологических задач.

Цель работы. Настоящая работа посвящена исследованию эффективных методов получения мощного модулированного лазерного излучения высокого качества, в основу которых положено применение интерферометра Саньяка и пассивного лазерного затвора на кристалле LiF:/7^ в линейных и многопетлевых схемах резонаторов HAF:Nd-лазеров.

Целью работы являлась также разработка ИАГ:№-лазерной установки, обладающей возможностью быстрой, адаптивной к условиям обработки, подстройки параметров излучения, и исследование ее технологических возможностей при прошивке глубоких отверстий малого диаметра.

Научная новизна:

1. Предложен и реализован импульсно-периодический HAF:Nd-лазер с неустойчивым связанным резонатором телескопического типа и пассивной модуляцией добротности кристаллом LiFi/V, в котором применение в качестве концевого отражателя ИС позволяет увеличить энергетические и пространственные характеристики лазерного излучения, снизить тепловые и оптические нагрузки на ПЛЗ, повысить ресурс его работы.

2. Предложено использование ИС в адаптивных петлевых и многопетлевых схемах резонаторов с самонакачивающимися ОВФ-зеркалами для повышения эффективности ОВФ и уменьшения расходимости излучения. Реализованы экспериментально и исследованы многопетлевые адаптивные ЧВОС-генераторы с HAr:Nd активной средой и ИС в качестве концевого отражателя, в которых обратная связь осуществляется на динамических голографических решетках, образованных пересекающимися в усиливающей среде пучками.

3. Проведено исследование энергетических, временных и пространственных параметров излучения адаптивных мйогопетлевых резонаторов с ИС и пассивной модуляцией добротности. Обнаружено существенное увеличение эффективности генерации при установке ПЛЗ на кристалле LiFiF/ в пересечении внутрирезонаторных пучков.

4. Предложен и реализован способ поляризационной развязки взаимодействующих в активной среде и ПЛЗ волн и компенсации двойного лучепреломления с помощью помещенной в ИС фазовой пластинки, при котором обеспечивается оптимальное перераспределение поля внутри многопетлевого резонатора, и повышаются энергетические параметры излучения.

5. Предложен и реализован новый метод сверления глубоких отверстий малого диаметра лазерным модулированным излучением, при котором в процессе обработки отдельного отверстия быстрая подстройка режима генерации лазера обеспечивается изменением начального пропускания ПЛЗ на градиентно-окрашенном кристалле LiF:/V путем его перемещения в направлении перпендикулярном излучению.

Практическая ценность:

1. Применение ИС в качестве концевого отражателя мощных лазеров с неустойчивыми многозеркальными резонаторами позволило существенно снизить тепловые нагрузки на пассивный лазерный затвор, повысить ресурс его работы, уменьшить расходимость излучения с 7-10 мрад до 1—2 мрад, увеличить длину когерентности с 17 до 34 см.

2. Разработан новый ИАГ:Кс1-лазер с импульсно-периодической накачкой и фазовосопряженным петлевым резонатором, позволяющий получить одномодовое модулированное излучение со средней мощностью 55 Вт и расходимостью 0,34 мрад при энергии цуга импульсов 2,18 Дж, энергии отдельного импульса 240 мДж и пиковой мощности 4,8 МВт.

3. При использовании однопроходного усилителя получен режим генерации со средней мощностью 120 Вт и расходимостью менее 0,5 мрад при относительно высоком для твердотельных лазеров с ламповой накачкой и ОВФ-зеркалами КПД генерации, достигающим 2 %.

4. Разработано лазерное устройство для прецизионной обработки твердых тел, позволяющее в процессе обработки быстро управлять энергетическими и временными параметрами лазерного излучения. Продемонстрирована возможность применения этого устройства для эффективного сверления глубоких отверстий диаметром от 15 до 300 мкм и глубиной до 20 мм. . '

5. Разработана высокоэффективная технология лазерного сверления глубоких отверстий малого диаметра с соотношением глубины к диаметру более 100:Г. "

На защиту выносятся:

1. Результаты экспериментального исследования режимов генерации твердотельных MAI^Nd лазеров с линейным неустойчивым связанным резонатором телескопического типа с ИС.

2. Результаты исследований различных оптических многопетлевых схем резонаторов HAI^Nd лазеров с ИС.

3. Некоторые новые технологические возможности одномодовых MAr:Nd лазеров.

Диссертация состоит из 5 глав.

В первой главе дан литературный обзор различных методов компенсации искажений волнового фронта излучения лазеров. Рассмотрены основные характеристики, преимущества и недостатки их применения в лазерных системах для реализации одномодового режима генерации.

Во второй главе приведены методики отбора и оптимизации размеров пассивных затворов, измерения энергетических, временных и пространственных характеристик лазерного излучения.

В третьей главе рассмотрены мощные импульсно-периодические лазеры с линейными связанными резонаторами телескопического типа и пассивной модуляцией добротности кристаллами LiF:i<y\ Показана возможность применения ИС для полноаппертурной угловой селекции излучения лазеров при выходной мощности модулированного излучения более 100 Вт; проведены исследование режимов пассивной модуляции добротности лазера с помощью кристаллов LiF:Ff и оптимизация оптической схемы лазера по энергетическим и временным параметрам излучения; обсуждаются возможные причины высокой эффективности модуляции.

В четвертой главе приводятся результаты исследований мощных технологических лазеров с многопетлевыми схемами резонаторов и интерферометром Саньяка в качестве концевого отражателя: показана высокая эффективность совместного использования интерферометра Саньяка, как элемента, обеспечивающего угловую селекцию излучения, и самонакачивающегося ОВФ-зеркала, коэффициент отражения которого зависит от коэффициента отражения интерферометра; рассмотрены различные схемы и режимы модуляции добротности петлевого резонатора с помощью кристаллов 1a¥:F2~ ; представлено решение задачи повышения эффективности генерации петлевой схемы лазера с интерферометром Саньяка и реализации режима генерации модулированного излучения со средней мощностью до 120 Вт при параметре качества менее 1,5 и КПД генерации около 2 %.

В пятой главе представлены некоторые технологические возможности одномодовых MAr:Nd лазеров с интерферометром Саньяка и ПЛЗ на кристалле IA¥:F2~ для решения задач лазерной прошивки глубоких отверстий малого диаметра и прецизионной обработки хрупких материалов. Показана возможность получения с помощью данных лазеров отверстий диаметром от 15 до 200 мкм с отношением глубины к диаметру более 100:1; рассмотрена возможность повышения эффективности сверления глубоких отверстий при адаптации режима генерации лазера к условиям обработки отверстия по мере его заглубления, приведена эффективная технология сверления глубоких отверстий.

Апробация:

Результаты работы по теме диссертации докладывались и обсуждались в период с 1997 по 2001 гг. на: Международном семинаре "Adaptive Optics for Industry and Medicine", Shatura, Moscow region, Russia, 9-13 June 1997; Международной конференции "Optoelectronics and High-power lasers & Applications", San Jose, California, USA, 26-27 January 1998; Международной конференции "IX-th Conference on Laser Optics", St.Peterburg, 22—26 June 1998; Международной конференции "Industrial Lasers& Laser Applications '98", Shatura, Moscow region, Russia, 26—29 June 1998; Международной конференции "Lasers '98", Tucson,' Arizona, USA, 7—11 December 1998; Международной конференции "Advanced High-Power Lasers and Applications", Suita, Osaca, Japan,

1-5 November 1999; Международной конференции "X-th Conference on Laser Optics", St. Peterburg, 26-30 June 2000; Международной конференции "CLEO/Europe — International Quantum Electronics Conference 2000", Nice, France, 10-15 September 2000; ежегодных научно-технических конференциях Ковровской технологической академии; семинарах Научного Центра лазерных материалов и технологий Института общей физики РАН.

Пу б л и к а ц и и :

1.Басиев Т.Т., Федин А.В., Гаврилов А.В., Сметанин С.Н., Кял-биева С.А. Одномодовый HAT:Nd- лазер с самонакачивающимся фазо-во-сопряженным петлевым резонатором // Квантовая электроника. -1999. - 27, №2,-С.145-148.

2. Федин А.В., Басиев Т.Т., Гаврилов А.В., Сметанин С.Н. Одномодовый ИАГ-'Nd - лазер с самообращением волнового фронта и его применение И Известия АН Серия Физическая. - 1999.-63, № 10.-С.1909—1913.

3. Fedin A.V., Gavrilov A.V., Basiev Т.Т., Antipov O.L., Kuzhelev A.S., Smetanin S.N. Passive Q-switching of self-pumped phase-conjugate Nd:YAG loop resonator//Laser Physics-1999 -Vol. 9, №2.-pp. 433-436.

4. Kravets A.N., Trifinov I.I., Gavrilov A.V., Shilov I.V., Ruljov A.V. Technological Nd-lasers with the adaptive cavity and their application// Proceedings of SPIE Int. Soc. Opt. Eng. - 1998. - Vol. 3267. -pp. 307-316.

5. Antipov O.L., Kuzhelev A.S., Zinov'ev A.P., Gavrilov A.V., Fedin A.V., Smetanin S.N., Basiev T.T. Single-mode Nd:YAG laser with cavity formed by population gratings // Proceedings of SPIE Int. Soc. Opt. Eng-1998. - Vol. 3684, pp.59-63.

6. Antipov O.L., Basiev T.T., Fedin A.V., Gavrilov A.V., Kuzhelev A.S., Smetanin S.N. Design and application of single-mode Nd:YAG laser with self-pumped phase conjugation in laser crystals and saturable absorber// Proceedings of SPIE Int. Soc. Opt. Eng.- 1999. - Vol. 3688. - pp. 13-17.

7. Патент RU №2157035 C2 7H01 S3/11 от 27.09.2000 г. Лазерная система одномодового излучения с динамическим резонатором / Антипов О.Л., Басиев Т.Т., Гаврилов А.В., Кужелев А.С., Смета-нинС. Н., Федин А.В.

8. Basiev Т.Т., Fedin А.V.,. Gavrilov A.V., Smetanin S.N. Powerfull single-mode Nd lasers with self-phase-conjugation // Proceedings of The International Conference on Lasers'98 (Proceedings of SOQEI Int. Soc. Opt. Quant. El., USA) edited by V.J. Corcoran & T.A. Goldman. - STS Press, McLEAN, VA, USA, 1999. - pp. 1044-1047.

9. Basiev T.T., Fedin A.V., Gavrilov A.V., Smetanin S.N., Shi-lov I.V., Malov D.V. Small diameter deep hole drilling by single-mode Nd:YAG laser with scanning passive Q—switch // Proceedings of The International Conference on Lasers'98 (Proceedings of SOQEI Int. Soc. Opt, Quant. El., USA) edited by V.J. Corcoran & T.A. Goldman.- STS Press, McLEAN, VA, USA, 1999.-pp. 1060-1063.

10. Федин A.B., Гаврилов A.B., Сметании C.H. Пассивная модуляция импульсно—периодического HAF:Nd^a3epa с динамическим резонатором // Тезисы докладов II международной научно-технической конференции. Ковров, 1998.— С.34-36.

11. Гаврилов А. В., Сметанин С. Н. Технологическая ИАГ: Nd-лазерная система с адаптивным резонатором на основе интерферометра Саньяка // XVIII научно-техническая конференция. Ковров, КГТА. — 1997,-С.92.

12. Федин А.В., Гаврилов А.В., Басиев Т.Т., Сметанин С.Н., Ан-типов O.JL, Кужелев А.С. Одномодовый лазер с самообращением волнового фронта и его применение // Программа и сборник аннотаций докладов VI Международной конференции «Лазерные технологии 98», Шатура, июнь 1998.-С.59.

13. Fedin A.V., Gavrilov A.V., Basiev Т.Т., Antipov O.L., Kuzhelev A.S., Smetanin S.N. Single-mode Laser . with Wave Front Self-Conjugation // Technical digest of The 9-th Laser Optics conference, St.Peterburg, June 1998.-p. 59.

14. Kravets A.N., Gavrilov A.V., Smetanin S.N. Phase conjugated YAG:Nd laser system and its applications // Technical digest of Optics for Industry and Medicine'97(international workshop), Shatura, Moscow region Russia, June, 1997-p.24.

15. Fedin A.V., Gavrilov A.V., Basiev T.T. et al. Single-Mode Nd:YAG laser with Wavefront Self-Conjugation // Technical digest of International Conference on Lasers'98, Tucson, Arizona, USA, December 1998-p.8.

16. Basiev T.T., Fedin A.V., Gavrilov A.V. et al. Increasing the Efficiency of Material Processing by Nd:YAG Laser with Scanning Passive Q-Switch // Technical digest of International Conference on Lasers'98, Tucson, Arizona, USA, December 1998 —p.8.

17. Basiev T.T., Fedin A.V., Gavrilov A.V. et al. Single-mode Lasers with Adaptive Cavity and Self-Phase Conjugation // Technical digest of International Forum on Advanced High-Power Lasers and Applications AHPLA'99, Osaca, Japan, 1-5 November 1999. - p.221.

18. Basiev T.T., Fedin A.V., Gavrilov A.V. et al. High Effective Laser Hole Drilling in Metals and Alloys // Technical digest of International Forum on Advanced High-Power Lasers and Applications AHPLA'99, Osaca, Japan, 1-5 November 1999. - p.163. 19. Basiev T.T., Fedin A.V.,

Gavrilov A.V., Kyalbieva S.A., Ruliov A.V., Smetanin S.N. Powerful Neo-dymium Lasers with the self-phase-conjugation.// International conference on LaserOptics '2000. St.Petersburg (Russia), 26-30 June, 2000. Technical Digest.-P. 55.

20. T.T. Basiev, A.V. Fedin, A.V. Gavrilov, S. N. Smetanin, // High-effective laser hole drilling in metals and alloys // Xiangli Chen, Tomoo Fu-jioka, Akira Matsunawa, Editors, Proceedings of SPIE. - 2000.- Vol. 3888.-pp. 685 -688.

21. T.T. Basiev, A.V. Fedin, A.V. Gavrilov, N. Kumar, S.A. Kyalbieva, A.V. Ruliov, S.N. Smetanin, I.I. Trifonov// Single-mode Nd lasers with adaptive cavity and self-phase-conjugation // Marek Osinski, Howard T. Powell, Koichi Toyoda, Editors, Proceedings of SPIE. - 2000.- Vol. 3889,-pp. 676-680.

22. T.T. Basiev, A.V. Fedin, A.V. Gavrilov, A.V. Ruliov, S.N. Smetanin, S.A. Kyalbieva. Powerful Neodymium Lasers with the self-phase-conjugation // CLEO/Europe - International Quantum Electronics Conference 2000, 10-15 September 2000. Conference digest.- P. 87.

23. Заявка №200117533 на изобретение от 13.07.2000 г. Способ прошивки прецизионных отверстий лазерным излучением / Басиев Т.Т., Гаврилов А.В., Осико В.В., Прохоров A.M., Сметанин С. Н., Федин А.В.

Заключение диссертации по теме «Лазерная физика», Гаврилов, Андрей Валентинович

Выводы:

1. Применение одномодовых ИАГ:Кс1-лазеров с самообращением волнового фронта и пассивной модуляцией добротности кристаллом LiFr/^V позволяет значительно усовершенствовать технологию лазерной обработки материалов; в 2 и более раз увеличить глубину прошивки отверстий малого диаметра, улучшить форму сверхглубоких отверстий, повысить эффективность и качество лазерной резки хрупких материалов.

2. Предложен метод повышения эффективности лазерного сверления глубоких отверстий, заключающийся в плавном изменении параметров излучения по мере заглубления отверстия за счет изменения режима модуляции добротности резонатора.

3. Разработано лазерное устройство для сверления глубоких отверстий, в котором осуществляется плавное управление режимом генерации от свободной генерации до генерации цугов гигантских импульсов с пиковой мощностью до 4 МВт.

4. Разработана эффективная технология лазерного сверления сверхглубоких отверстий диаметром порядка 100 мкм и глубиной до 20 мм.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Сформулируем основные результаты проведенных исследований:

1. Экспериментально показано, что применение ИС в качестве концевого отражателя неустойчивых резонаторов мощных технологических лазеров с импульсно-периодической накачкой и пассивной модуляцией добротности кристаллами LiF:Ff позволяет не только значительно улучшить пространственные параметры излучения, но и получить достаточно высокий КПД генерации модулированного излучения, достигающий 1,5-1,9%.

2. Установлено, что при размещении ПЛЗ на кристалле LiF:/7?' в ИС обеспечивается высокая эффективность модуляции (до 90 %), обусловленная малыми остаточными потерями излучения в ПЛЗ и френе-левскими потерями на торцах кристалла LiF:F2~, вследствие того, что при двойном обходе резонатора излучение проходит через ПЛЗ в два раза меньше. При этом значительно снижаются оптические и тепловые нагрузки на ПЛЗ, что позволяет уменьшить длину кристалла LiF:F2~ в два раза,

3. Исследования генерационно-усилительного устройства на базе двух квантронов показали, что применение ИС в качестве концевого отражателя с установленным в нем ПЛЗ позволяет получить значительно большие среднюю мощность излучения, энергию отдельного импульса и его пиковую мощность, чем при использовании трехзер-кального резонатора, в котором снижение тепловых нагрузок на ПЛЗ достигается путем размещения кристалла LiF:F2~ в отдельном плече.

4. Разработан импульсно-периодические лазер с линейным свя-занцым резонатором телескопического типа.и ИС, позволивший реализовать одномодовый режим генерации со средней мощностью модулированного излучения 120 Вт, энергией отдельного импульса 65 мДж и его пиковой мощностью 1,6 МВт при расходимости излучения 2 мрад. Пространственная яркость излучения составила 68 ГВт/см2-ср, что в 2,5 раза превышает пространственную яркость излучения лазера с линейным трехзеркальным резонатром. Длина когерентности увеличилась с 17 до 30 см, что соответствует ширине спектра 3,8 пм.

5. Впервые предложена и реализована схема одномодового им-пульсно-периодического MAr:Nd—лазера с фазово-сопряженным многопетлевым резонатором, где в качестве концевого отражателя использован интерферометр Саньяка, а параметрическая обратная связь осуществлена самонакачивающимися ОВФ—зеркалами, образованными динамическими голографическими решетками в активных элементах. Установлено, что в отличие от лазера с линейной схемой резонатора роль интерферометра Саньяка, как полно аппертурного мягкого углового селектора излучения, в данной схеме резонатора повышается вследствие прямой зависимости коэффициента отражения самонакачивающегося ОВФ-зеркала от коэффициента отражения интерферометра Саньяка. Установлено существование в данной схеме пассивной модуляции добротности резонатора самонакачивающимся ОВФ-зеркалом в АЭ.

6. Экспериментально показано, что при установке кристалла LiF:F?~ в область пересечения внутрирезонаторных пучков увеличивается эффективность модуляции. Отмечено, что при оптимальном положении ПЛЗ средняя мощность модулированного излучения, составляющая 55 Вт, может превышать на 12% среднюю мощность излучения в режиме свободной генерации без ПЛЗ. Повышение средней мощности излучения может быть обусловлено как образованием дополнительного ОВФ зеркала в самом кристалле LiF:F2~ так ц повышением эффективности процесса ОВФ в ИАГ:№—АЭ, связанным с увеличением интенсивности взаимодействующих пучков, сужением спектра генерации, а так же увеличением инверсной населенности и большей глубиной модуляции показателя преломления.

7. Предложен и реализован способ повышения эффективности генерации петлевого лазера путем установки в ИС полуволновой пластины, позволяющий повысить КПД лазерной генерации в 1,2-2 раза как в режиме СГ, так и модулированной добротности. Применение полуволновой пластины позволяет перераспределить вклады, различных голографических решеток в процесс формирования поля внутри резонатора, устранить пространственное выгорание инверсии и межмодо-вые биения, частично компенсировать поляризационные искажения- в АЭ.

8. Показано, что применение дополнительного квантрона'в качестве усилителя позволяет увеличить в 1,7 раза среднюю мощность излучения и в 1,4 раза эффективность генерации петлевого лазера с ИС. Экспериментально реализованный для излучения со средней мощностью 120 Вт и пиковой мощностью отдельного импульса 6,9 МВт КПД генерации составил 2 % при расходимости излучения 0,5 мрад и проin ^ странственнои яркости 1-10 Вт/(см -ср).

9. Обнаружено, что применение одномодовых ИАГ:Нс1-лазеров на самообращении волнового фронта с пассивной модуляцией добротности кристаллом Lir:rV позволяет значительно \ созор:.::ег: отвовап. технологию лазерной обработки мсиерис-ыои: в и uu.ia . . глубину прошивки отверстий малого диаметра, улучшить форму сверхглубоких отверстий, повысить эффективность и качество лазерной резки хрупких материалов.

10. Предложен метод повышения эффективности лазерного сверления глубоких отверстий, заключающийся в плавном изменении параметров излучения по мере заглубления отверстия за счет измене

- 153 ния режима модуляции добротности резонатора.

11. Разработано лазерное устройство для сверления глубоких отверстий, в котором осуществляется плавное управляемое изменение режима генерации от свободной генерации до генерации цугов гигантских импульсов с пиковой мощностью до 4 МВт. На базе данного лазера разработана эффективная технология лазерного сверления сверхглубоких отверстий диаметром порядка 100 мкм глубиной до 20 мм.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Гаврилов, Андрей Валентинович, 2001 год

1. Прохоров A.M. Новое поколение твердотельных лазеров // УФН. 1986. - 148, вып. 1.- С. 7-33.

2. Осико В.В. Активные Среды твердотельных лазеров // Известия АН СССР. Сер. Физ. 1987. - 5 1, N8. - С. 128.5-1294.

3. Щербаков И.А., Загуменный А.И. Новые концепции мощных твердотельных лазеров // Программа и сборник аннотаций докладов VI Международной конференции «Лазерные технологии' 98», Шатура, НИЦТЛ РАН. 1998. - С. 35.

4. Kravets A.N., Basiev Т.Т., Mirov S.B., Fedin A.V. Technological Nd-lasers with passive Q-switches based on LiF: F? crystal // Proceeding of SPIE.-1991.-vol. 1839.-p.p. 2-11.

5. Kravets A.N., Kompanets I.N., Trifonova S.I. Technological Nd -lasers with Q-switching and their applications // Proceeding of SPIE — 1993,-vol. 2062. -p.p. 159-166.

6. Патент № 1799526 СССР МКИ H 01 S 3/11. Лазерное генера-торно-усилительное устройство / Басиев Т.Т., Кравец А.Н., Миров С.Б., Федин А.В.

7. Воронцов М.А., Корябин А.В., Полежаев В.И., Шмальгау-зенВ.И. Адаптивное внутрирезонаторное управление модовым составом излучения твердотельного лазера // Квантовая электроника. -1991,- 18, №8. -С. 94-95.

8. Вдовин Г.В., Четкин С.А. Активная коррекция тепловой линзы твердотельного лазера. II. Использование резонатора управляемой конфигурации//Квантовая электроника. — М.,1993, —20, №2. — С. 167— 171.

9. Бельдюгин И.М., Галушкин М.Г., Земсков Е.М. Обращение волнового фронта светового излучения с использованием обратнойсвязи при четырехволновом взаимодействии // Квантовая электроника. -М.Д984. 11, №5.-С. 887-892.

10. Обращение волнового фронта лазерного излучения //Труды ФИАН, т. 172,-М.; Наука, 1986.

11. Андреев И.Ф., Палашов О.В., Пасманник Г.А., Хазанов Е.А. Четырехпроходная лазерная система на YAG:Nd с компенсацией абе-рационных и поляризационных искажений волнового фронта // Квантовая электроника. М., 1996. - 23, №1. - С. 21-24.

12. Воскобойник Э.В., Кирьянов А.В., Пашинин П.П., Сидорин B.C., Туморин В.В., Шкловский Е.И. Импульсно-периодический ИАГ:Кё-лазер с ВРМБ-зеркалом // Квантовая электроника — М.,1996. -22, №1.С.ЗЗ.

13. Damzen M.J., Green R.P.M., and Syed K.S. Self-adaptive solid-state laser oscillator formed by dynamic gain-grating holograms // Optics Letters. 1995.-20. №16.-pp. 1704-1706.

14. Безродный В.И., Прохоренко В.П., Тихонов Е.А., Шпак М.Т., Яцкив Д.Я. Лазеры УКИ на основе интерферометра Саньяка // Квантовая электроника, Киев, Наукова Думка. 1988.- Вып.№35. - С. 6-13.

15. Басиев Т.Т., Зверев П.Г., Миров С.Б., Пак С. Обращение волнового фронта в кристаллах LiF и NaF с центрами окраски // II konf. "Phase conjugation of laser beam in nonline medium", (Minsk, USSR), p. 21. 1990. -C.21-26.

16. Kortz H.P., Ifflander R., Weber H. Stability and beam divergence of multi-mode lasers internal variable lenses //Appl. Opt. 1981.- 20, №23,-pp. 4124-4134.

17. Osterink L.M., Foster J.D. Thermal effects and transverse mode control in a Nd:YAG laser // Appl. Phys. Lett. 1968,- 12, № 4.- pp. 128131.

18. Kogelnik H. Imaging of Optical Modes Resonators with internal Lenses // Bell. Syst. Tech. J. - 1965. - 44, №6.- pp. 455 - 494.

19. Браславский Е.Ц., Ляшенко А.И., Румянцев М.И., Хитро Е.Л. Импульсный лазер на алюмо-иттриевом гранате с малой угловой расходимостью излучения и его использование для технологических применений // Квантовая электроника. М.,1975.- 2, № 6- С. 1296 - 1301.

20. Driedger K.R., Ifflander R., Weber H. Multirod Resonators for High-Power Solid-State Lasers with Improved Beam Quality // IEEE Journal of Quantum Electronics. 1988,- 24, № 4. - p.p. 665 - 673.

21. Патент № 2038666 России RU 6 H 01 S 3/11. Лазерное гене-раторно-усилительное устройство одномодового излучения / Баси-ев Т.Т., Кравец А.Н., Федин А.В.

22. Басиев Т.Т., Кравец А.Н., Федин А.В. Пассивная модуляция добротности кристаллами LiF:F2~ технологических Nd—лазеров с импульсной накачкой// Квантовая электроника. М.,1993.- 20, № 6.— С. 594-596.

23. Зверев Т.Н., Голяев Ю.Д., Шалаев Е.А. Шокин А.А. Лазеры на алюмоиттриевом гранате с неодимом. -М.: Радио и связь, 1985.144 с.

24. Scott W.C., М. de Witt // Appl. Phys. Lett. 1971. - Vol. 18.p.3.

25. Lii, Q., et. al. A novel apporoach for compensation of birefre-gence in Nd:YAG-rods // OQE- 1996.- Vol. 28.- p. 57.

26. Seidel S., Schirrmacher A., Mann G., Nursianni, Riesbeck T. Optimized resonators for high-average pover, high-brightness Nd:YAG lasers with birefringence compensation// Proceeding of SPIE. — 1998,— vol. 3267,-p.p. 214-225.

27. Ананьев Ю.А. Оптические резонаторы и лазерные пучки. — М.: Наука, 1990.-264 с.

28. Воронцов М.А., Шмальгаузен В.И. Принципы адаптивной оптики. — М.: Наука, 1985. — 335 с.

29. Тараненко В.Г., Шанин О.И. Адаптивная оптика. -М.: Радио и связь, 1990. 110 с.

30. Икрамов А.В., Рощупкин И.М., Сафронов А.Г. Охлаждаемые биморфные адаптивные зеркала для лазерной оптики // Квантовая электроника. М., 1994-21, №7. - С. 665 -669.

31. Bragg W.L. Mikroskopy ori the base of ware front reconstruction//Nature. 1950,- 1966.-№ 4218.-P. 399-400.

32. Борн M., Вольф Э. Основы оптики,- M.: Наука, 1970. 380 с.

33. Pat.2770166 (US). Publ. 06.07.1951.11р. /GaborD.

34. Денисюк Ю.Н. Об отражении оптических свойств объекта в волновом поле рассеянного им излучения // Оптика и спектроскопия.-1963. 15, №4. - с.522 - 532.

35. Pat. 3449577 (US). Publ. 23.10.1965. Controlled transmission of waves through inhomogeneous media / Kogelnik H.W.

36. Степанов Б.И., Ивакин E.B., Рубанов А.С. О регистрации плоских и объемных динамических голограмм' в просветляющихся веществах // Доклады АН СССР,- 1971.- 196, №3. с. 567-569.

37. Алексеев В.А., Собельман И.И. О преобразовании лазерного излучения при вынужденном комбинационном рассеянии // —ЖЭТФ-1968. 54.-С.1834- 1843. - . ■

38. Зельдович Б.Я., Поповичев В.И., Рагульский В.В. и др. О связи между волновыми фронтами отраженного и возбуждающего света при вынужденном рассеянии Мандельштама Бриллюэна // Письма вЖТФ.- 1972.- 15, №3.-с. 160- 164.

39. Wynne J.J. //Phys. Rev. A. 1965. - 178. - p. 1295.

40. Зельдович Б.Я., Табирян H.B. Ориентационная оптическая нелинейность жидких кристаллов // УФН. — 1985. — 147, вып. 4 -С.763 765.

41. Smith P.W., Ashkin A., Tomlinson W.J. // Opt. Lett. 1981. - 6. -P. 284.

42. Васильев Л.А., Галушкин М.Г., Серегин A.M., Чебуркин H.B. Обращение волнового фронта при четырехволновом взаимодействии в среде с тепловой нелинейностью //Квантовая электроника. — М.,1982. -9, №8.-С. 1571 1575.

43. Ергаков К.В., Яровой В.В. Энергетическая оптимизация ЧВ ОС-генератора на YAG:Nd и исследование его адаптивных свойств в импульсно-периодическом режиме // Квантовая электроника. 1996. -23, № 5. - С. 339-404.

44. Басов Н.Г., Ковалев В.И., Мусаев М.А., Файзуллов Ф.С. Обращение волнового фронта импульсного С02 лазера // Труды ФИАН -М.; Наука, - 1986. - Т. 172. - С. 116-179.

45. Ерохин А.И., Ковалев В.И., Файзуллов Ф.С.// Квантовая электроника. М., 1986. - 13, № 5. - С. 1328.

46. Miller D.A.B., Harrison R.G., Johnston A.M., Seaton C.T., Smith S.D.// Opt. Commun.- 1980. 32. - P. 478.

47. Abrams R.L., Lind R.C. Degenerate four-wave mixing in absorbing media // Opt. Letters 1978. - 2, № 4. - P. 94 - 96.

48. Tomita A. Phase conjugation using gain saturation of a Nd:YAG .laser // Appl. Phys. Lett. 1979. - 34, № 7.,- P. 463 - 464.