Пикосекундные Nd:YAG лазеры для прецизионной спутниковой локации тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Коваль Владислав Вячеславович

• Коваль Владислав Вячеславович
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Коваль Владислав Вячеславович

Оглавление

Реферат

Synopsis

Введение

ГЛАВА 1. Аналитический обзор

1.1 Современное состояние и перспективы развития высокоточной спутниковой лазерной дальнометрии

1.2 Источники излучения для спутниковых лазерных дальномеров

1.3 Методы и устройства генерации импульсов пикосекундной длительности

1.3.1 Лазеры с синхронизацией мод

1.3.2 Пикосекундные микрочип-лазеры

1.3.2 Пикосекундные диоды

1.4 Варианты построения усилителя пикосекундных импульсов для SLR

1.4.1 Примеры пикосекундных MOPA-лазеров

1.4.2 Примеры пикосекундных регенеративных усилителей

1.4.4 Основные проблемы усиления пикосекундных импульсов

1.5 Выводы по Главе

ГЛАВА 2. Разработка высокочастотного пикосекундного лазерного источника

2.1 Задающий генератор на основе микрочип лазера

2.1.1 Обоснование выбора задающего генератора

2.1.2 Оптическая схема и конструкция задающего генератора на основе микрочип-лазера

2.1.3 Исследование характеристик задающего генератора на основе микрочип-лазера

Выводы по п

2.2 Оценка основных параметров Nd:YAG усилителя с непрерывной торцевой диодной накачкой

2.2.1 Оценка коэффициента усиления и зависимости выходной мощности от входной

2.2.3 Оценка тепловыделения и выбор концентрации ионов Nd3+ в АЭ

2.2.4 Анализ возможности использования кондуктивного охлаждения АЭ .. 118 2.2.5. Анализ влияния перегрева АЭ на характеристики излучения

2.2.6 Оценка эффективности жидкостного охлаждения АЭ Nd:YAG и гидравлических характеристик квантрона

2.2.7 Оценка фокусного расстояния термически наведенной линзы в АЭ Nd:YAG

2.2.8 Оценка доли деполяризованной компоненты излучения в АЭ Nd:YAG127 Выводы по п

2.3 Nd:YAG усилитель с непрерывной торцевой диодной накачкой

2.3.1 Оптическая схема усилителя и основные технические решения

2.3.2 Исследование характеристик разработанного высокочастотного лазерного источника

Выводы по Главе

ГЛАВА 3. Разработка высокоэнергетического пикосекундного лазерного источника

3.1. Обоснование выбора задающего генератора

3.2 Принципы регенеративного усиления импульсов оптического излучения

3.3 Оценка основных параметров высокоэнергетического лазерного источника

3.3.1 Оценка энергетических параметров регенеративного усилителя

3.3.2 Оценка параметров моды РУ

6

3.3.3 Оценка эффективности генерации второй гармоники

Выводы по п

3.4 Оптическая схема регенеративного усилителя и основные технические решения

3.5 Алгоритм синхронизации и временные диаграммы работы лазера

3.6 Исследование основных характеристик высокоэнергетического лазерного источника

3.6.1 Энергетические характеристики

3.6.2 Временные характеристики

3.6.3 Пространственные характеристики излучения

3.6.4 Спектральные характеристики излучения

3.7 Исследование нелинейных эффектов, возникающих при регенеративном усилении

3.7.1 Измерение нелинейного показателя преломления электрооптических кристаллов

3.7.2 Исследование характеристик электрооптических затворов семейства КТР и ЯТР под воздействием интенсивного пикосекундного излучения

3.7.3 Метод компенсации эффекта уширения оптического спектра на основе использования ЭОЗ с отрицательным эффективным нелинейным показателем преломления

Выводы по п

3.8 Варианты конструктивного исполнения лазера

3.8.1 Лазер в модульном исполнении

3.8.2 Лазер в климатическом исполнении

3.8.3 Сравнение с аналогами

Выводы по Главе

7

Заключение

Список сокращений

Список условных обозначений

Список литературы

Приложение А. Список публикаций

Приложение Б. Акты внедрения

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Пикосекундные Nd:YAG лазеры для прецизионной спутниковой локации»

Реферат

Общая характеристика диссертации

Актуальность темы. Пикосекундные лазеры широко используются в различных промышленных и научных приложениях. Диапазон их применения варьируется от лазерной микрообработки материалов [1] и медицинских приложений [2] до научных задач, таких как накачка параметрических усилителей [3], атомная и молекулярная спектроскопия [4], диагностика плазмы [5, 6]. Актуальным приложением лазеров с пикосекундной длительностью импульсов является прецизионная спутниковая лазерная дальнометрия (SLR, Satellite Laser Ranging). SLR используется сегодня для решения задач фундаментальных исследований общей теории относительности [7], в геофизических и геодезических измерениях [8], измерениях расстояния до Луны и спутников Земли, для получения детальных изображений космических летательных аппаратов, детектирования космического мусора [9], космической связи [10] и пр.

Один из первых экспериментов по спутниковой локации был проведен в 1964 году с использованием рубинового лазера с ламповой накачкой и модуляцией добротности. Используемый лазер обладал энергией в импульсе ~0,8 Дж, длительностью импульса до ~2 мкс и частотой следования импульсов 1 Гц [11]. Позже стали применяться более компактные и эффективные Nd:YAG лазеры с длительностью импульса <10 нс [12]. Значительный прорыв в точности измерений SLR был обеспечен за счет использования Nd:YAG лазеров, работающих в режиме синхронизации мод и генерирующих импульсы с длительностью ~30 пс. Эти лазеры все еще имели низкую частоту следования импульсов (~10 Гц), что было обусловлено использованием ламповой накачки, а длительность импульса в экспериментах по SLR часто увеличивалась до ~200 пс для снижения рисков повреждения оптических элементов. Однако, точность измерений была в основном ограничена тем, что применяемые фотоэлектронные умножители с высоким коэффициентом усиления обладали довольно большим импульсным откликом (~450 пс) [13]. В сети российских

SLR-станций приоритет отдавался простым и надежным лазерным системам с пассивной модуляцией добротности, длительностью импульса 300 - 400 пс и частотой следования импульсов 300 Гц [14].

В дальнейшем, с развитием компонентной базы, все большее количество SLR станций переходило на использование лазерных источников с частотой следования импульсов 1 5 кГц [14-16]. Использование таких источников позволяет сократить время измерений, повышает точность, а также делает SLR-станцию более гибкой и способной поддерживать большее количество целей. В 2019 году SLR-станция в г. Матера, Италия успешно отследила несколько высокоорбитальных спутников в ночное время, используя лазер с частотой следования импульсов 100 кГц, длительностью импульсов 9 пс и энергией в импульсе ~100 мкДж [17]. В 2021 г. на SLR-станции в г. Граз, Австрия была продемонстрирована локация низкоорбитальных спутников в ночное и дневное время при использовании лазера, работающего на частоте следования импульсов 1 МГц с энергией в импульсе ~10 мкДж [18].

Таким образом, на современном этапе развития SLR используется два подхода в применении пикосекундных лазеров: первый основан на использовании лазеров с высокой энергией в импульсе (1 - 5 мДж), работающих на частоте следования импульсов 1 - 5 кГц, а второй - на использовании высокочастотных лазеров (100 кГц - 1 МГц) с меньшей энергией в импульсе (10 - 100 мкДж). При этом средний уровень мощности разрабатываемых систем составляет ~10 Вт, а длительность импульса не превышает 100 пс.

Целью диссертационной работы является разработка пикосекундных Nd:YAG лазеров с уровнем средней мощности ~10 Вт, покрывающих потребности спутниковой локации в высокочастотных и высокоэнергетических лазерных источниках.

Для достижения данной цели в рамках диссертации были поставлены и решены следующие задачи:

1. Анализ методов генерации и усиления лазерных импульсов пикосе-кундной длительности.

2. Разработка высокочастотного пикосекундного Nd:YAG лазера, построенного по схеме «задающий генератор усилитель мощности» (Master Oscillator - Power Amplifier, MOPA) и обеспечивающего генерацию излучения со средней мощностью не менее 10 Вт на длине волны 1064 нм при частоте следования импульсов до 1 МГц.

3. Разработка высокоэнергетического пикосекундного Nd:YAG лазера, построенного по схеме регенеративного усиления излучения задающего генератора и дальнейшей генерации второй гармоники и обеспечивающего генерацию импульсов с энергией не менее 2,5 мДж на длине волны 532 нм при частоте следования импульсов 500 Гц.

4. Исследование проблем, возникающих при усилении пикосекундных лазерных импульсов в активной среде Nd:YAG (термически наведенная линза и двулучепреломление; крупномасштабная самофокусировка; фазовая самомодуляция).

5. Исследование основных характеристик разработанных лазеров: энергетических (энергия в импульсе, средняя и пиковая мощность излучения, эффективность преобразования во вторую гармонику, эффективность энергосъема), временных (частота следования импульсов, временной джиттер, длительность и форма импульса), спектральных (длина волны излучения, ширина спектра излучения) и пространственных (расходимость излучения, параметр М2).

Методы исследования. В диссертации применялись следующие методы исследования:

• положения геометрической, волновой, матричной и нелинейной оптики;

• положения теории вынужденного усиления света;

• положения теории гидродинамики;

• стандартизованные экспериментальные методы измерений и исследований основных характеристик лазерного излучения.

Достоверность полученных результатов подтверждается соответствием экспериментальных данных теоретическим оценкам, полученным с использованием общепринятых моделей. Математическое моделирование, теоретические оценки и обработка полученных экспериментальных данных осуществлялись при помощи программ MathCad, OriginPRO и Zemax. 3D-моделирование конструкции лазерных излучателей проведено в системе автоматизированного проектирования SolidWorks. В экспериментах использовались поверенные и аттестованные средства измерений и оборудование.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Излучение пикосекундного Nd:YVO4 микрочип-лазера, работающего в режиме пассивной модуляции добротности, может быть усилено с коэффициентом усиления G ~ 1000 в двухпроходовом Nd:YAG усилителе путем оптимизации схемы двухсторонней торцевой диодной накачки для достижения уровня средней мощности ~10 Вт в высокочастотном режиме работы. Высокочастотный лазерный источник обеспечивает генерацию импульсов длительностью 75-95 пс на длине волны 1064 нм со средней мощностью до 11,8 Вт при частоте следования импульсов до 1 МГц и высоком качестве выходного излучения М2 = 1,27.

2. Излучение пикосекундного лазерного диода с распределенной обратной связью, работающего в режиме модуляции усиления, может быть усилено с коэффициентом усиления G ~ 5 109 в Nd:YAG регенеративном усилителе с торцевой диодной накачкой путем оптимизации оптической схемы регенеративного усилителя и преобразовано во вторую гармонику в кристалле LBO для достижения высокой энергии в импульсе второй гармоники ~3 мДж в низкочастотном режиме работы. Высокоэнергетический лазерный источник обеспечивает генерацию импульсов длительностью 35 пс на длине волны 532 нм, с энергией в импульсе до 3,2 мДж и частотой следования импульсов до 1000 Гц при высоком качестве выходного излучения М2 = 1,4.

3. Применение в Nd:YAG регенеративном усилителе с длительностью импульса 35 пс электрооптического затвора на основе кристаллов KTP X-среза

12

с отрицательным эффективным нелинейным показателем преломления позволяет компенсировать уширение спектра усиливаемого излучения, обусловленное нелинейным эффектом фазовой самомодуляции. Научная новизна диссертации отражена в следующих пунктах:

1. Предложена и экспериментально реализована схема лазера на основе прямого усиления излучения №:УУ04 микрочип-лазера в Кё:УЛО усилителе с торцевой диодной накачкой. Лазер обеспечивает генерацию импульсов длительностью 75-95 пс на длине волны 1064 нм, со средней мощностью до 11,8 Вт на частоте следования импульсов до 1 МГц при высоком качестве выходного излучения М2 = 1,27.

2. Предложена и экспериментально реализована схема лазера на основе регенеративного усиления излучения пикосекундного лазерного диода с распределенной обратной связью в Кё:УЛО усилителе с торцевой диодной накачкой. Лазер обеспечивает генерацию импульсов длительностью 35 пс на длине волны 532 нм, с энергией в импульсе до 3,2 мДж на частоте следования импульсов до 1000 Гц при высоком качестве выходного излучения М2 = 1,4. Лазер разработан в модульном и климатическом исполнении.

3. Продемонстрировано, что применение в пикосекундном Nd:YAG регенеративном усилителе электрооптического затвора на основе кристаллов КТР X-среза с отрицательным эффективным нелинейным показателем преломления позволяет компенсировать уширение спектра усиливаемого излучения, обусловленное нелинейным эффектом фазовой самомодуляции. Внедрение результатов работы. Результаты диссертационного исследования представляют практический интерес и внедрены в деятельность АО «Научно-производственная корпорация «Системы прецизионного приборостроения» (АО «НПК «СПП») и Института прикладной астрономии РАН (ИПА РАН). Результаты диссертационной работы использованы в разработках АО «НПК «СПП» в следующем виде:

- - проведенные в диссертационной работе расчетные и экспериментальные исследования регенеративного усилителя использованы при создании высокочастотных пикосекундных лазерных передатчиков в модульном исполнении в АО «НПК «СПП» для оснащения квантово-оп-тических станций нового поколения;

- - исследования и расчет теплофизических характеристик лазерных модулей используются при разработке высокочастотного лазерного передатчика в климатическом исполнении в рамках ОКР «Лазер-Ресурс».

Пикосекундный Nd:YAG лазер в климатическом исполнении, созданный по результатам диссертационной работы автора, введен в состав штатного оборудования лазерного спутникового дальномера «Сажень-ТМ БИС» радиоастрономической обсерватории «Светлое» (Ленинградская область, Российская Федерация). Результаты испытаний и эксплуатации дальномера показали более чем двукратное увеличение точности измерения расстояния до спутника LAGEOS по сравнению с ранее используемым лазерным источником за счет уменьшения длительности лазерного импульса. Внедрение результатов работы подтверждается актами АО «НПК «СПП» и ИПА РАН.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы были представлены в виде устных и стендовых докладов на следующих конференциях и выставках:

• XVIII международная научная конференция "International Conference on Laser Optics. ICLO 2018";

• XLVIII научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО;

• Восьмая Всероссийская конференция «Фундаментальное и прикладное координатно-временное и навигационное обеспечение», КВН0-2019;

• VIII Всероссийский конгресс молодых ученых (КМУ-2019);

• XLIX научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО 2020;

• IX Всероссийский конгресс молодых ученых (КМУ-2020);

• XIX международная научная конференция "International Conference on Laser Optics. ICLO 2020";

• L научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО 2021;

• X Конгресс молодых ученых (КМУ-2021);

• Девятая Всероссийская конференция с международным участием «Фундаментальное и прикладное координатно-временное и навигационное обеспечение» (КВН0-2021);

• VI научно-техническая конференция для специалистов организаций, входящих в АО «Концерн ВКО «Алмаз-Антей», профильных организаций, НИИ и вузов «Математическое моделирование, инженерные расчеты и программное обеспечение для решения задач ВКО»;

• Пятьдесят первая (LI) научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО;

• XI Конгресс молодых ученых (КМУ-2022);

• XX международная научная конференция "International Conference on Laser Optics. ICLO 2022".

Личный вклад автора.

Представленная диссертация является законченным научным исследованием и написана лично автором. Аналитический обзор литературных источников подготовлен лично автором. Формулировка целей и задач исследования осуществлялись совместно с научным руководителем. Представленные в работе теоретические оценки и экспериментальные результаты, а также выбор технических решений, обеспечивающих характеристики разработанных лазеров, осуществлены лично автором или при его непосредственном участии. Анализ результатов и формулировка выводов проведены автором лично. Подготовка публикаций по результатам научной деятельности проводилась совместно с научным руководителем и соавторами

при основополагающем вкладе автора. Основное содержание диссертации и защищаемые положения отражают непосредственный вклад автора.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав и заключения. Работа изложена на 239 страницах, содержит 62 рисунка, 5 таблиц, список использованной литературы, включающий 100 наименований.

Заключение диссертации по теме «Другие cпециальности», Коваль Владислав Вячеславович

Заключение

В работе представлена разработка компактного пикосекундного \с1;УАС лазера, главной особенностью которого является возможность работы в широком температурном диапазоне от -40 до +40°С. Максимальная энергия в импульсе на длине волны 532 нм составила 3.2 мДж при эффективности преобразования 65 % и стабильности < 2 % (СКО). Длительность импульса на выходе лазера составила -35 пс при стабильности 1.5% (СКО). Частота следования импульсов — 300 Гц, возможна работа на частоте до 1000 Гц. Расходимость излучения — 0.3 мрад по уровню интенсивности 1/е2 при диаметре пучка на выходе лазера 3.4 мм.

Короткая длительность импульса, высокая стабильность формы импульса и энергии импульса, а также возможность работы в широком диапа-

зоне температур окружающей среды делают этот лазер востребованным инструментом для СЛД.

Авторы выражают глубокую благодарность Смоленцеву С. Г., Ипатову А. В., Иванову Д. В., Рахимову И. А. и всему коллективу обсерватории «Светлое» за оказанную поддержку.

Cheng -J., Perrie №'., Sharp M„ Edwardson S. P., Semaltianos X. G., Dearden G., Watkins K. G. Single-pulse drilling study on Au, A1 and Ti alloy by using a picosecond laser//Appl. Phys. A. 2009. Vol. 95, no. 3. P. 739-746.

Hsu V. M„ Aldahan A. S„ Miocker S., Shah V. V., Xouri K. The picosecond laser for tattoo removal // Las. med. sc. 2016. Vol. 31, no. 8. P. 1733-1737.

Hong K. H., Huang S. №'., Moses J., et al. High-energy, phase-stable, ultrabroadband kHz OPCPA at 2.1 pm pumped by a picosecond cryogenic Yb: YAG loser II Opt. exp. 2016. Vol. 19, no. 16. P. 15538-15548.

Ycmey P. P., Kliner D. A., Schroder P. £'.. Farrow R. L. Distributed-feeaback dye laser for picosecond ultraviolet and visible spectroscopy // Rev. Sc. Instr. 2000. Vol. 71, no. 3. P. 1296-1305.

Vogel .V. Diagnostics of picosecond laser pulse absorption in preformed piasma >'/ Appl. surf. sc. 2006. Vol. 252, no. 13. P. 4850-4856.

Kornev A. F. et al., Nd:YAG lasers for ITER divertor Thomson scattering // Fus. Eng. and Design. 2019. Vol. 146. P. 1019-1022.

Tapley B. D., SchutzB.E., EanesR.-J., Ries-J.C., Watkins M. M Lageos laser ranging contributions to geo-dynamics, geodesy, and orbital dynamics ,'/ Contr. of sp. good, to geodyn.: earth dvn. 1993. Vol. 24. P. 147-174.

Cheng M., Ries -J. C., Tapley B. D. Variations of the Earth's figure axis from satellite laser ranging and GRACE H i. Geophvs. Res.: Sol. Earth. 2011. Vol.116, no. Bl. P. 1-14.

Plotkin H. H., ,Johnson T. S„ Spadin P., Moye J. Reflection of ruby laser radiation from Explorer XXIIII Proc. IEEE. 1965. Vol. 53, no. 3. P. 301-302.

Forrester, P. Hulme K. Laser rangefinders // Opt. Quant. El. 1981. Vol. 13, no. 4. P. 259-293.

Degnan J. J. Satellite laser ranging: current status and future prospects // IEEE Trans. Geosc. Rem. Sens. 1985. Vol. GE-23. no. 4. P. 398-413.

Wilkinson M. et al. The next generation of satellite laser ranging systems II J. Geod. 2019. Vol. 93, no. 11. P. 2227-2247.

Haifeng Z. et al, Overview of Satellite Laser Ranging for BeiDou Navigation Satellite System // Aerosp. Ch. 2020. Vol. 21, no. 4. P. 31-41.

McGarry J. et al. NASA's satellite laser ranging systems for the twenty-first century' H J- Geod. 2019. Vol. 93, no. 11. P. 2249-2262.

Kornev A F. et al. 0.43 J/100 ps Nd:YAG laser with adaptive compensation of thermally induced lens // Opt. lett. 2018. Vol. 43, no. 18. P. 4394-4397.

Koechner IV. Solid-state laser engineering. Vol. 1. 2013: Springer.