Улучшение характеристик излучения твердотельных лазеров методом компенсации термических искажений резонатора с использованием высокоэффективных активных сред и систем накачки тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.05, кандидат физико-математических наук Микерин, Сергей Львович

• Микерин, Сергей Львович
• кандидат физико-математических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Микерин, Сергей Львович

Основные сокращения и обозначения

Введение

Актуальность темы.

1 Цели и задачи работы.

Научная новизна н практическая ценность работы.

Положения, выдвигаемые на защиту.

Апробация работы и публикации

Структура и объём диссертационной работы.1'

1 Мощные твердотельные лазеры с высокими пространственными параметрами излучения (обзор литературы)

1.1 Введение

1.2 Основные направления развития мощных твердотельных лазеров с высокими пространственными параметрами излучения.

1.2.1 Селекция мод по поперечному индексу.1С

1.2.2 Снижение величины термических искажении резонатора.

1.2.3 Компенсация термических искажений резонатора.

1.2.4 Высокоэффективные системы ламповой накачки и лазерные активные среды .2G

1.3 Схема компенсации термических искажении резонатора (CKTII).

1.4 Калнн-гадолшшевый вольфрамаг и патрий-лаитаиовый молибдат с неодимом.

1.5 Выводы: определение задач диссертации.

2 Мощный лазер с компенсацией термических искажений на кристаллах KGd(WO.i)2:NdH

2.1 Энергетические характеристики.

2.1.1 Полученные результаты.

2.1.2 Обсуждение результатов.

2.2 Пространственные характеристики.

2.2.1 Экспериментальная установка.

2.2.2 Полученные результаты.

2.2.3 Обсуждение результатов.

2.3 Поляризационные н спектралыю-кинетнческпе характеристики

2.3.1 Экспериментальная установка.

2.3.2 Поляризационные характеристики

2.3.3 Спектрально-кинетические характеристики.

2.4 Выводи.

3 Мощный лазер с СКТИ на кристаллах NaLa(Mo04)2:Nd3+

3.1 Экспериментальная установка.

3.2 Энергетические характеристики. 3.2.1 Обсуждение результатов.

3.3 Пространственные характеристики.

3.3.1 Обсуждение результатов.

3.4 Поляризационные и снсктралыю-кинетнческие характеристики

3.4.1 Обсуждение результатов.

3.5 Выводы.

4 Лазер с трубчатым активным элементом из КГВ в модели активной среды неограниченной апертуры

4.1 Экспериментальная установка и методика измерений.

4.2 Генерация лазера с трубчатым активным элементом в модели неограниченной апертуры.

4.2.1 Обсуждение результатов.

4.3 Термические искажения трубчатого активного элемента в модели неограниченной апертуры.

4.3.1 Измерение термической неоднородности с помощью Z-интсрфсрометра.

4.3.2 Визуализация термической неоднородности с помощью Т-нитерферометра.

4.3.3 Обсуждение результатов.

4.4 Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Улучшение характеристик излучения твердотельных лазеров методом компенсации термических искажений резонатора с использованием высокоэффективных активных сред и систем накачки»

В лазерах на основе твердотельной активной среды (твердотельных лазерах) используются диэлектрические оптически прозрачные материалы. Среди них известны стёкла, кристаллы и прозрачная керамика, которые, чаще всего, выступают в роли матрицы, содержащей небольшую химическую примесь (активатор, обычно — попы металлов). Энергетические уровни нрнмсси используются для создания инверсии и лазерной генерации. Необходимые уровни возбуждают оптическим излучением, резонансным соответствующим полосам поглощения активатора. Указанные факты определяют специфику мощных твердотельных лазеров, в частности, в отношении энергетических и пространственных характеристик генерации.

Актуальность темы

Лазерное излучение обладает рядом характеристик — спектральных, энергетических, пространственных н др., — которые делают лазеры уникальными для многих научных и практических приложений. Твердотельные лазеры сочетают в себе высокие энергетические параметры излучения с возможностью работать в различных режимах генерации, отличаются высокой надёжностью и долговечностью, относительно компактны. Поэтому в настоящее время они получили широкое применение в медицине, связи, научном приборостроении, промышленности, в научных исследованиях и др., где к характеристикам лазерного излучения предъявляются в каждом случае свои требования. Часто требуются высокие параметры пространственных и энергетических характеристик излучения — низкая угловая расходимость, близкая к минимально возможной (к дифракционному пределу) при условии низкого порога генерации, высокой энергии импульса излучения или большой мощности нмпульспо-нсриодпческого или непрерывного излучения.

Однако, для твердотельных лазеров одновременное достижение таких параметров является проблематичным. Твёрдое состояние активной среды, относительно высокий коэффициент усиления — качества, выгодно отличающие твердотельные лазеры, являются, в то же время, причиной затруднений. Высокое усиление способствует генерации большого числа мод с ненулевым значением поперечных индексов излучения. Из-за неоднородности распределения накачки по объёму п поглощения, медленной пространственной миграции возбуждения, конечной теплопроводности, одновременного действия нагрева и охлаждеппя в объёме активной среды возникает неоднородность распределения усиления и температуры. Температурная неоднородность приводит к различным термическим эффектам: локальному возмущению показателя преломления среды, наведённому двулучеиреломле-нию, искажению формы активного -элемента и др. Все эти факторы приводят к увеличению расходимости, ухудшению однородности раснрсдслспня интенсивности в пучке и к ограничению энергетических характеристик. Из указанных факторов неоднородность показателя преломления играет существенную роль в искажении реального резонатора и ухудшении пространственных характеристик излучения мощных твердотельных лазеров.

Энергетические, пространственные характеристики излучения, искажение активной среды в твердотельных лазерах тесно связаны с системой накачки. Лампы газового разряда традиционно являются одним из основных мощных источников излучения для накачки. Их главный недостаток состоит в низкой мощности в нужных спектральных полосах поглощения активной среды по сравнению с мощностью всего спектра излучения. Этот фактор играет определяющую роль в образовании термической неоднородности активного элемента, т.к. приводит к большому тепловыделению в его объёме. Накачка с помощью полупроводниковых лазеров (полупроводниковая накачка) является большим шагом вперёд в плане спектральной согласованности, высокого КПД и низкого тепловыделения в активном элементе. Однако, одной из основных трудностей при орагипза-цпн полупроводниковой накачки мощных лазеров является образование неоднородности сё распределения в активной среде из-за высокой спектральной плотности, что обычно приводит к ограничению энергетических или ухудшению пространственных характеристик излучения генерации. К тому же снижение уровня тепловыделения, по сравнению с ламповой накачкой, полностью не избавляет от влияния термических искажений.

Таким образом, основной путь достижения высоких параметров как энергетических, так и пространственных характеристик заключается в одновременном применении следующих ключевых подходов: избавления от влияния неоднородности, наведённой в активном элементе, и принципиального повышения энергетических характеристик путём повышения КПД системы накачки и использования новых более эффективных лазерных сред.

Предложено много решений, направленных на борьбу с термической неоднородностью активной среды в мощных твердотельных лазерах. Их можно сгруппировать в два класса: методы уменьшения величины неоднородности и методы компенсации их влияния на генерацию. Так как первые не обеспечивают полного устранения неоднородности при любой мощности накачки, то вторые позволяют дальше отодвинуть ограничение энергетических характеристик. Одним из наиболее удачных схемных решений из второго класса является схема с зигзагообразным проходом излучения генерации сквозь пластинчатый активный элемент (зигзаг-схема). В активном элементе под действием накачки создается температурный градиент, перпендикулярный к широким граням пластины, от которых излучение генерации испытывает полное отражение. В результате многократных прохождений излучения вдоль направления градиента и против пего искажения волнового фронта компенсируются. Таким образом, в этой и подобных схемах, несмотря на наличие неоднородности активного элемента, волной фронт генерации остаётся близким к плоскому, п термические искажения реального резонатора компенсируются.

К существенным недостаткам зигзаг-схемы относят то, что грани, па которых генерация испытывает полное отражение, являются элементами резонатора. Это предъявляет высокие требования к качеству и обеспечению чистоты этих поверхностей, повышает стоимость готового активного элемента н системы его охлаждения. Искажение формы активного элемента от воздействия мощной накачки не позволяет полностью избавиться от аберраций волнового фронта. Жидкостное охлаждение активного элемента усложняет организацию как можно большего числа отражении внутри пего с целью достижения эффективной компенсации. Поэтому поиск новых схемных решении без указанных недостатков, сравнимых по эффективности компенсации с зигзаг-схемой, является актуальным для развития мощных твердотельных лазеров.

Повышение эффективности системы оптической накачки мощных твердотельных лазеров сопряжено, в основном, с решением двух ключевых задач: повышения эффективности источника нзлучепня накачки н повышения эффективности преобразования энергии этого нзлучепня в энергию возбуждения верхнего лазерного уровня активатора. Развитие полупроводниковой накачки существенно продвинуло их решение. Однако, во-первых, термические искажения активного элемента снижаются, но остаются. Во-вторых, сегодня полупроводниковый лазерный диод пе обеспечивает высокую энергию импульсного излучения, а применение набора (матрицы) лазерных диодов на порядки повышает стоимость единицы мощности излучения но сравнению с ламповой накачкой. Поэтому ламповая накачка в мощных лазерах сегодня остаётся широко распространённой, а исследования, направленные на повышение её КПД, пе теряют актуальности.

Для повышения КПД системы ламповой накачки предложена концепция „светового котла". Она предусматривает преобразование спектра излучения накачки для лучшего согласования с поглощением активатора, а также применение таких конфигураций активной среды, источника накачки и отражателя осветительной системы, при которых как можно большая часть потока излучения накачки как можно дольше задерживается в активной среде. Рядом исследований было установлено, что КПД лазера с активной средой в виде цилиндрического слоя вокруг линейного источника накачки (трубчатый активный элемент) может на порядок превышать КПД эквивалентного лазера с активным элементом из того же материала, по в виде круглого стержня в осветителе эллиптического сечения (стандартная конфигурация). Среди других известных конфигураций система из двух пластинчатых активных элементов с лампами накачки между ними н компактного отражателя максимально приближается по КПД к трубчатой конфигурации.

Предложенная в пашей лаборатории схема резонатора и системы накачки могц-I них твердотельных лазеров представляет собой удачную комбинацию метода компенсации термических искажений резонатора и высокоэффективной конфигурации системы ламповой накачки. Компенсация искажений в ней происходит за счёт симметрии распределений градиентов температуры в двух пластинчатых активных элементах. Боковые поверхности пластин не являются элементами резонатора, могут быть матовыми, что делает предложенную схему свободной от основных недостатков зигзаг-схемы. Использование двух пластин активных элементов даёт возможность применить одну из самых эффективных конфигураций ламповой накачки. В дальнейшем для определённости и краткости ссылаясь па эту схему будем использовать сокращение СКТИ (схема компенсации термических искажений).

Широкое применение в мощных твердотельных лазерах новых высокоэффективных лазерных сред ограничивается тем, па сколько решена технологическая задача выращивания оптически однородных образцов достаточно больших размеров, на сколько их производство технологично и не дорогое. Число таких активных сред невелико. Большое значение для энергетических характеристик имеет также возможность получения высокой концентрации активатора в матрице, которая обычно ограничивается концентрационным тушением люминесценции и ухудшением оптических и механических свойств. Совокупность требующихся от активных сред характеристик сильно ограничивают их выбор. Поэтому сегодня остаётся актуальным исследование перспективных в данном отношении лазерных материалов.

Принято считать, что для применения в мощных твердотельных лазерах мало пригодны активные среды с относительно низкой теплопроводностью. Это вполне обосновано величиной градиентов температуры, возникающих в такой активной среде, из-за кото рых ухудшаются характеристики лазера и может разрушится активный элемент. По этой причине ряд известных многообещающих по энергетическим н технологическим характеристикам лазерных сред имеют ограниченное применение или вообще не применяются в мощных лазерах, их относят к активным средам для высокоэффективных лазеров малого диапазона мощности и энергии излучения.

С одной стороны, применение таких активных сред в мощных лазерах совместно с методами компенсации искажений, в частности, совместно с СКТИ, может отодвинуть это ограничение и способствовать широкому распространению мощных лазеров с высокими энергетическими и пространственными характеристиками излучения.

С другой стороны, искажения резонатора определяются не столько величиной градиента температуры, сколько термооптическими и упругооптпчеекпмн (фотоупруги-мн) свойствами среды. Эти свойства могут быть противоположными друг другу, приводя к уменьшению искажения резонатора при большой величине градиентов температуры. Поэтому исследование термооптических свойств новых высокоэффективных активных сред может расширить их применение в мощных твердотельных лазерах.

В связи с этим интересными представляются относительно новые и недостаточно изученные такие кристаллические лазерные среды как калнй-гадолшшевый вольфрамаг

КГВ) и патрнй-лантаиовый молибдат (НЛМ), активированные трёхвалентными нонами неодима. Эти кристаллы обладают комплексом положительных качеств дли использования в мощных лазерах: в сравнении с широко распространённым кристаллом иттрин-алюмипиевого граната с неодимом (ИАГ) они обладают более высокой лазерной эффективностью, лучшим усвоением излучения при ламповой накачке, более высокой концентрацией активатора, почти вдвое более низкой температурой плавления. Для этих кристаллов решена проблема синтеза крупных образцов с высоким оптическим качеством. Основным недостатком КГВ и НЛМ является относительно низкая теплопроводность, которая в ~ 4 раза меньше, чем у НАГ (« 112 мВт/см-К). Величина градиентов температуры в них, может быть в несколько раз больше, чем в НАГ в аналогичных условиях. Однако, например, у КГВ термическое изменение показателя преломления в несколько раз меньше, чем у НАГ. Упругоонтичсские свойства КГВ и НЛМ в настоящее время недостаточно исследованы и не известны.

Таким образом, представляет научный и практический интерес возможность одновременной реализации всех описанных принципов повышения пространственных и энергетических параметров излучения, т.е. применение высокоэффективного лазерного кристалла, такого как, например, КГВ, высокоэффективной конфигурации ламповой накачки и СКТИ. Однако, в частности, применение трубчатой конфигурации ламповой накачки требует предварительных исследований из-за анизотропии и недостаточной изученности термооптических свойств КГВ. Для последовательного решения этой задачи на первом этапе с целыо упрощения явлений целесообразно исследовать лазер с трубчатым активным элементом из КГВ, у которого толщина стенки много больше размера области апертуры, где возникает инверсия (модель активной среды неограниченной апертуры).

Проведённые в диссертационной работе исследования направлены, во-первых, па изучение генерации .мощных лазеров с СКТИ на кристаллах КГВ и НЛМ, во-вторых, па изучение генерации и термических искажений в лазере с трубчатым активным элементом из КГВ в модели активной среды неограниченной апертуры.

Цели и задачи работы

1. Исследовать динамику генерации мощных твердотельных лазеров с применением метода компенсации термических искажений активной среды (СКТИ). В частности исследовать степень компенсации термической неоднородности активной среды путём сравнения характеристик излучения лазеров с СКТИ п без неё.

2. Исследовать характеристики излучения лазеров с СКТИ па кристаллах КГВ и НЛМ с неодимом и изучить влияние СКТИ па параметры этих лазеров.

3. Исследовать возможность применения кристаллов КГВ в лазере с трубчатой конфигурацией активного элемента с целыо повышения энергетических характеристик н исследовать термические искажения в нём.

Научная новизна и практическая ценность работы

1. Получено мощное излучение (энергия импульса ~ '10 Дж) высокого качества (однородность в сечении пучка, расходимость, близкая к дифракционной) в лазере с СКТИ на основе кристаллов IIЛМ, ранее не использовавшихся как активная среда мощных лазеров.

2. Проведены подробные исследования генерации мощного лазера с СКТИ на основе кристаллов КГВ при различных длительности, форме импульса и уровне накачки в сравнении с лазером без CKTII в аналогичных экспериментальных условиях.

3. Показана возможность использования высокоэффективных лазерных кристаллов с относительно низкой теплопроводностью в мощных твердотельных лазерах без ухудшения пространственных и энергетических характеристик их излучения за счёт применения методов компенсации термических искажений и эффективных систем ламповой накачки. Это открывает перспективу широкого распространения мощных твердотельных лазеров с высокими пространственными и энергетическими параметрами излучения.

•1. Исследованы генерация и термическая неоднородность в лазере с трубчатой конфигурацией ламповой накачки и активного элемента из КГВ в модели активной среды неограниченной апертуры. Интерференционным методом установлено, что для излучения с направлением и поляризацией, характерными для лазеров на КГВ, унру-гооптический эффект при градиенте температуры с направлением вдоль [001J и величиной > 1 К/мм превышает по абсолютной величине суммарное термическое изменение показателя преломления и длины кристалла и противоположен ему по знаку. На основе моделирования термической неоднородности установлено, что термический коэффициент показателя преломления КГВ при постоянных деформациях ~ Ю-7 К'1 для направления и поляризации излучения, типичных для лазеров па КГВ.

Положения, выдвигаемые на защиту

1. С применением СКТИ в мощных лазерах распределение интенсивности в пучке излучения становится равномерным, расходимость уменьшается в 2 раза, энергия импульса генерации возрастает в 2.5 раза, КПД лазера возрастает в 2 раза по сравнению с лазером без СКТИ в аналогичных условиях.

2. Мощные лазеры с СКТИ па кристаллах КГВ и HJIM сравнимы по энергии и КПД, по обладают в 4-5 раз меньшей расходимостью излучения но сравнению с типичными мощными лазерами-генераторами с зигзаг-схемой компенсации термической неоднородности па пластинчатых активных элементах из кристаллов гранатов с теплопроводностью в несколько раз большей, чем у КГВ и НЛМ.

3. В мощном лазере с СКТН па кристаллах КГВ с увеличением длительности и мощности импульса накачки убывает отношение амплитуды пульсаций к постоянной составляющей интенсивности генерации, выравнивается распределение интенсивности в спектре генерации.

4. В лазере ламповой накачкой, плоским резонатором и трубчатой конфигурацией активной среды на основе кристаллов КГВ в модели неограниченной апертуры порог генерации при параллельных зеркалах в 2 раза больше порога при отклонённом выходном зеркале.

5. Уиругооитический эффект в лазерном кристалле КГВ трубчатой конфигурации дают отрицательный вклад в показатель преломления для направления и поляризации излучения, типичных для лазеров иа КГВ. При градиенте температуры > 1 К/мм этот вклад приводит к уменьшению показателя преломления.

Апробация работы и публикации

Основные результаты диссертационной работы докладывались па следующих международных конференциях и научных мероприятиях:

32-я .Международная студенческая конференция „Студент и научпо-техппческпй прогресс" (1994 г. Новосибирск, Россия)

5-th International Conference on Industrial Lasers and Laser Applications (1995 г. Шатура, Россия)

Научная сессия-96 Объединённого института автоматики и электрометрии СО РАН (199G г. Новосибирск, Россия)

34-я Международная студенческая конференция „Студент и научно-технический прогресс1' (199G г. Новосибирск, Россия)

11-я Международная Вавнловская конференция по нелинейной оптике (1997 г. Но' восибпрск, Россия)

30-я Международная студенческая конференция „Студент н научно-технический прогресс'1 (1998 г. Новосибирск, Россия)

4-я Международная конференция „Актуальные проблемы электронного приборостроения" (1998 г. Новосибирск, Россия)

International Symposia "Photonics West": Conference on Solid State Lasers VIII (1999 r. 5 Калифорния, CILIA)

7-th International Conference on Laser Metrology Applied to Science, Industry and Everyday Life (2002 г. Новосибирск, Россия)

19-tli Congress of the International Commission for Optics: Optics for the Quality of Life (2002 г. Флоренция, Италия)

Всего по теме диссертации соискателем в соавторстве опубликовано 15 печатных работ. Основные результаты исследований соискателем в соавторстве опубликованы в 5 печатных работах в отечественных журналах н в материалах названных конференций. С некоторыми результатами соискатель принимал участие в Конкурсах молодых учёных ИАнЭ СО РАН (третья премия 2001-го и 2002-го гг.).

Структура и объём диссертационной работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, приложений, списка цитируемой литературы (113 наименований). Общий объём диссертации составляет 123 страницы, включая 9 таблиц и 39 рисунков.

Заключение диссертации по теме «Оптика», Микерин, Сергей Львович

4.4 Выводы

Проведённые исследования генерации и термических искажений резонатора лазера с трубчатым активным элементом из КГВ в модели неограниченной апертуры позволяют сделать следующие выводы:

1. Порог генерации лазера с параллельными плоскими зеркалами в ~ 2 раза выше, чем при отклонённом выходном зеркале, что определяется термическими искажениями и сильной неоднородностью распределения усиления: наличие скачка радиальной зашк'нмостн (отверстие) в центре симметрии распределения и быстрое затухание на периферии. Минимальная пороговая энергия достигается при угле отклонения выходного зеркала от плоскости, параллельной второму зеркалу, 50 ± 10" в сечении резонатора, проходящем через ось отверстия в активном элементе и перпендикулярно направлению [100] в кристалле.

2. Генерация в лазере с отклонённым зеркалом наблюдается с противоположно!! стороны относительно отверстия в активном элементе от тон, где сближаются края зеркал резонатора, т.е. термические искажения носят характер положительной линзы. Показатель преломления п вблизи отверстия больше, чем па периферии на величину ~ 10~'\ что расходится по знаку и величине с оценкой на основе известных данных об изменении и в КГВ при неоднородном нагреве цилиндрических активных элементов. Это говорит о существенном различии распределения напряжений в трубчатом и цилиндрическом активных элементах, приводящем к разным упругооитпческим вкладам в п.

3. Компенсация термических искажений резонатора и улучшение характеристик излучения мощных лазеров на КГВ, продемонстрированные в гл. 2 данной работы, позволяют надеяться па преодоление обнаруженных отрицательных особенностей генерации лазера с трубчатым активным элементом из КГВ и на создание па их основе мощных лазеров с ламповой накачкой и высоким КПД путём развития схем компенсации термических искажений в трубчатых активных элементах.

4. Кинетика интенсивности лазера с трубчатым активным элементом отличается от кинетики, характерной для лазеров с цилиндрическим активным элементом из КГВ, тем, что характерные стадии генерации наблюдаются числом более одного, что требует дополнительного исследования.

5. Измерение термической неоднородности трубчатого активного элемента в области апертуры, где наблюдалась наиболее интенсивная генерация, показало, что па большей части толщины стопки наблюдается положительная линза с амплитудой изменения показателя преломления ~ 2 • 10"°, что хорошо соответствует опенке из наблюдений лазерной генерации. На меньшей части (« 13% толщины стопки) вблизи края отверстия, термическая линза оказывается отрицательной.

G. Характер измеренного распределения термической неоднородности, характер её кинетики, согласие расчётной модели с измерением, позволяет заключить, что в трубчатом активном элементе из КГВ в модели неограниченной апертуры для поляризации излучения параллельной оси индикатрисы Nm а) вклад упругооптического эффекта в изменение п отрицательный при градиенте температуры ~ 1 К/мм и более; б) вклад, унругооитического эффекта в фазовый набег в активном элементе превышает но величине суммарный вклад термического изменения п п геометрической длины кристалла, и п меньше нсвозмущёпного значения nj)ii градиенте температуры ~ 1 К/мм н более; в) с использованием модельного распределения термической неоднородности установлено, что термический коэффициент показателя преломления для поляризации излучения вдоль Nm при постоянных деформациях (0п/0Т)е положительный и (да/дТ)£ ~ Ю-7 К~\

7. Сопоставление распределений интенсивности в блпжпей зоне излучения лазеров па КГВ, исследованных в данной работе, с распределен нем собственной неоднородности кристаллов КГВ, выявленных в интерференционных исследованиях, приводит к выводу о наличии в применённых памп кристаллах неоднородности концентрации неодима, возникшей в процессе их роста. Эта неоднородность имеет вид тонких слоёв параллельных направлениям в кристалле [100] и [010], толщину ~ 0.1 лаг, и приводят к вариации показателя преломления ~ 10~5.

Заключение

Представленные в диссертационной работе результаты экспериментального исследования мощных лазеров со схемой компенсации термических искажений с пластинчатыми активными элементами из кристаллов КГВ и НЛМ с неодимом, а также лазера с трубчатым активным элементом из КГВ, моделирующим активную среду неограниченной апертуры, позволяют сделать следующие основные выводы:

1. Показана высокая эффективность рапсе предложенного метода компенсации искажений резонатора (СКТИ) мощных твердотельных лазеров, позволяющая улучшить пространственные и энергетические характеристики мощных лазеров, а также расширить область применения в мощных лазерах активных сред с относительно низкой теплопроводностью.

2. В мощных лазерах с СКТИ достигнута энергия выходного излучения СО Дж с КПД 3.9% (па основе кристаллов КГВ) и 40 Дж с КПД 2.3% (па основе кристаллов НЛМ) при высоких пространственных характеристиках излучения (М2 < 2) и частоте следования импульсов 2 Гц. Мощные лазеры с СКТИ на кристаллах КГВ и НЛМ сравнимы но КПД, энергии и средней мощности излучения с типичными мощными лазерами па гранатах с теплопроводностью в несколько раз большей и обладают в несколько раз меньшей расходимостью.

3. В мощном лазере с СКТИ на кристаллах КГВ амплитуда пульсаций интенсивности излучения уменьшается по сравнению с постоянной составляющей, распределение энергии в спектре излучения становится более однородным при увеличении длительности и мощности импульса накачки.

4. В лазере с плоским резонатором п трубчатым активным элементом из кристалла КГВ в модели активной среды неограниченной апертуры порог генерации при параллельных зеркалах в ~ 2 раза выше, чем при отклонённом выходном зеркале, что определяется термическими искажениями и сильной неоднородностью распределения усиления в данных условиях.

5. Упругоонтнческне эффекты в лазерном кристалле КГВ трубчатой конфигурации дают отрицательный вклад в показатель преломления для направления и поляризации излучения, типичных для лазеров на КГВ. При градиенте температуры ~ 1 К/мм и более этот вклад превышает термическое изменение показателя преломления is отсутствии напряжений, т.е. показатель преломления уменьшается.

G. С использованием модельного распределения термической неоднородности трубчатого активного элемента в модели неограниченной апертуры установлено, что термический коэффициент показателя преломления КГВ при постоянных деформациях положительный и составляет по величине ~ Ю-7 К~] для направления и поляризации излучения, типичных для лазеров па КГВ.

7. На основе сопоставления распределений интенсивности в ближней зоне излучения лазеров на КГВ, исследованных в данной работе, с распределением собственной неоднородности кристаллов КГВ, выявленных в интерференционных исследованиях, установлено наличие в них неоднородности концентрации неодима, возникшей в процессе роста, в виде слоев толщиной ~ 0.1 мм, параллельных кристаллографическим направлениям [100] и [010], в которых наблюдаются повышенные значения, но сравнению с остальной областью, коэффициента усиления лазерного излучения и показателя преломления (на величину ~ Ю-5).

Таким образом, поставленные в начале дайной работы задачи, выполнены.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Микерин, Сергей Львович, 2006 год

1..В. Основные тенденции развития твердотельных лазеров с полупроводниковой накачкой. — Квантовая электроника, 31, No. 8 (2001). — С. GG1-677

2. Ананьев 10.А. Оптические резонаторы и проблема расходимости лазерного излучения. М.: Наука, 1979. - 328 с.

3. Yosliida K., Yoshida H., Kato Y. Characterization of high average power Nd:GGG slab-lasers. — IEEE J. of Quant. Electr., QE-24, No. 6 (1988). — P. 1188-1192

4. GJ Lii Q., Doug S., Weber H. A compact resonator design for high power slab laser. — Optics Communications, 99, No. 3-4 (1993). — P. 201 206

5. Методы расчёта оптических квантовых генераторов. — под ред. Б.II. Степанова, в 3-х т. — Минск: Наука и техника, 1968. — Т. 2. — 45G с.

6. Мак А.А., Соме Л.Н., Фромзель В.А., Яшин В.Е. Лазеры па неодимовом стекле. — Под род. А.А. Мака. М.: Наука, 1990. - 288 с.

7. Conrad H.D. Optical solid body light amplifier. -Germany Patent No. 1 514 349 (1970); US Patent No. 3 560872 (1970)

8. Basil S., Kane T.J., Byer R.L. A proposed 1 kW average power moving slab Nd:glass laser. ■•-- IEEE J. of Quant Electr., 22, No. 10 (1986). — P. 2052 2057

9. Мочалов И.В. Нелинейная оптика лазерного кристалла калнн-гадолипневого воль-фрамата, активированного неодимом KGd(WOj)2.'Nd3+. — Оптический журнал, 1995, No. 11. С. 4-15

10. Scgre J. Slab laser system with means to overcome the positive lens effect caused by the thermal gradient in the laser rod. — US Patent No. 3 798571 (1974)

11. Michael I.C.L., Graham B. High power laser. — European Patent No. 0 274 223 (1987); Изобретения стран Мира, 1989, Вып. 129, No. 3

12. Корчагин А.А., Сапрыкин Л.Г. Лазер. — Авторское евнд-во СССР No. 1568843 (1988)

13. Chenioeh J.P. Laser device. — US Patent No. 3466569 (1969)

14. Almasi J.C., Martin W.S. Face-pumped, face-coolecl laser device. — US Patent No. 3631362 (1971)

15. Swain Л.Е., Kidder R.E., Pettipiece K., Rainer F., Baird E.D., Loth B. Large-aperture glass disk laser system. — ,/. of Appi Phys., 40, No. 10 (1969). — P. 3973-3977

16. Almasi J.C., Martin W.S. Face-pumped laser device with laterally positioned pumping means. US Patent No. 3679996 (1972)

17. Бучепков В.А., Мак А.А., Матнннн Б.Г., Соме Л.Н., Степанов А.И. Исследование ОКГ с дисковым активным элементом в периодическом режиме работы. — Квантовая электроника, 2, No. 9 (1975). — С. 2037-2040

18. Tomiyasu К., Almasi J.C. Brewster angle oriented end surface pamped multiple disk laser device. — US Patent No. 3500231 (1970)

19. Вашоков М.П., Исаспко В.И., Серебряков В.А. Исследование направленности излучении оптического квантового генератора. — ЖЭТФ, 44, Вып. 5 (1963). — С. 14931496

20. Мнкаэлян А.Л., Дьяченко В.В. Явление сохранения волнового фронта в сильно деформированных твёрдых средах. — Письма в ЖЭТФ, 16, Выи. 1 (1972). — С. 25-29

21. Мнкаэлян А.Л., Дьяченко В.В. Оптические резонаторы волиоводпого типа. — В сб.: Квантовая электроника, под ред. Н.Г. Басова. — М.: Советское радио, 1972.- No. 5(11). С. 97-99

22. Martin W.S., Chernoeli J.P. Multiple internal reflection face-pumped laser. — US Patent No. 3G3312G (1972)

23. Бродов M.E., Гаврнлов Н.И., Ивашкин П.И., Коробкии В.В., Овчинников В.М., Пирогов 10.А., Прохоров A.M., Серов Р.В. Усилитель лазерного излучения. — Автор-скос свид-во СССР No. 711978 (1978); Бюллетень изобретений, 1981, No. 29

24. Jones W.B. Jr. Face-pumped laser with diffraction-limited output beam. — US Patent No. 4214216 (1980); Изобретения в СССР и за рубежом, 1981, Вып. 112, No. G

25. Kane T.J., Eckardt R.C., Dyer R.L. Reduced thermal focusing and birefringence; in zigzag slab geometry crystalline lasers. IEEE J. of Quant. Elcctr., QE-19, No. 9 (1983).1. P. 1351-1354

26. Eggleston J.M., Kane T.J., Kuhn E., Unternahrer J., Byer R.L. The slab geometry lasers -- Part I: Theory. — IEEE J. of Quant. Elcctr., QE-20, No. 3 (1984). — P. 289-301

27. Koechner \V. Solid state laser engineering. — 4th ed. Berlin, Heidelberg, New York: Springer-Verlag, 197G. — Springer Ser. in Opt. Sci. -.- V. 1. G20 p.

28. Данилов А.А., Никнруй Э.Я., Оснко В.В., Полушкип В.Г., Сорокин С.Н., Тимошеч-кнн М.И. Эффективный лазер с прямоугольным активным элементом. — Квантовая электроника, 18, No.3 (1991). С. 296-297

29. Eggleston J.M., Albreclit G.F. Slab laser development at MSNW: The Gemini and Centurion Systems. — in The NASA Conference "Tunable solid state laser for remote sensing",

30. R.L. Byer, E.K. Gnstafson and R. Trebino cds. — Springer Series in Optical Sci., 51. Berlin, Heidelberg, New-York, Tokyo: Springer-vcrlag, 1985. — P. 101-105

31. Kulin K.J. Method and apparatus for cooling a slab laser. — US Patent. No. 4 503763 (1986); Изобретения стран мира, 1986, Вып. 122, No. 21

32. Ананьев Ю.А., Давыдов С.Ф., Колпакова И.Б., Мак А.А., Яковлев С.А. Дуговые разряды в нарах щелочных металлов как перспективные источники накачки лазеров на ИАГ:Кс13+. Ж. прикл. спектр., 30, Вып. 4 (1979). - С. 628-632

33. Антипенко В.М., Мак А.А. Твердотельные лазеры: современные проблемы спектроскопии. — В сб.: Спектроскопия кристаллов, отв. ред. А.А. Канлинский. — Д.: Наука, 1985. С. 5-21

34. Градов В.М., Жильцов В.Н., Зверев В.М., Константинов Б.А., Кромский Г.Н., Мак

35. A.А., Щербаков А.А. Лазер. Авторское свид-во СССР No. 1083874 (1982)

36. Мак А.А., Фро.мзель В.А., Щербаков А.А., Волыикнп В.М., Гаврилов В.Е., Герасимов

37. B.А., Градов В.М., Жильцов В.II., Кромский Г.И., Мурзип А.Г., Сухарева Л.К. Влияние свойств „светового котла" па эффективность лазеров. — Оптико-механическая промышленность, 1983, No. 1. — С. 58.

38. Мак А.А., Фро.мзель В.А., Щербаков И.А. Состояние и перспективы повышения эффективности твердотельных лазеров. — Изв. АН СССР, Сер. Фнзич., 48, No. 8 (1984). С. 1466-1476

39. Бучепков В.А., Винокуров Г.Н., Мак А.А., Миронов Е.П., Мурзип А.Г., Степанов

40. A.II., Фро.мзель В.А., Ширяев В.А., Шумилин В.В. Исследование эффективности накопления энергии в трубчатых активных элементах из пеодимосодержащих сред. — Квантовая электроника, 12, No. 8 (1985). — С. 1702-1704

41. Бученков В.А., Винокуров Г.Н., Малнпип Б.Г., Фро.мзель В.А., Шумилин В.В. Исследование особенностей запасания и съёма энергии в лазерах с несколькими активными элементами. Изв. АН СССР, Сер. Физнч., 52, No. 2 (1988). - С. 281-285

42. Грацнаиов К.В., Малипин Б.Г., Панков В.Г., Петров А.А., Рубанов А.Д., Фромзель

43. B.А., Шумилин В.В. Энергетические возможности иеодимовых лазеров с высокоэффективными системами накачки. — Электронная техника, Сер. 11: Лазсрн. техн. и оптоэлектрон., 1990, Вып. 2(54). С. 18-19

44. Исаев М.П., Кушнир В.Р., Новиков С.Г. О выборе оптимального осветителя лазера па ГСГГ. — Эле?строг1ная техника, Сер. 11: Лазерн. техн. и оптоэлектрон., 1991, Вып. 1(57). С. 33-36

45. Kolineder С., Langhaus L. The new concept for solid-state; lasers: ES-laser. — Laser und Optoclekronic, 2G, No. 1 (1994). P. 179 211

46. Каминский А.А. Лазерные кристаллы. — M.: Наука, 1975. — 250 с.

47. Физика и спектроскопия лазерных кристаллов. — Отв. ред. д.ф.-м.и. А.А. Каминский. М.: Наука, 198G. - 272 с.

48. Технологические лазеры: справочник. — В 2 т. под ред. д.т.н. Г.А. Абнльсиитова. — М.: Машиностроение, 1991. — Т. 1. — 544 с.

49. Жариков Е.В., Оснко В.В., Прохоров A.M., Щербаков И.А. Кристаллы редкоземельных галлиевых гранатов с хромом как активные среды твердотельных лазеров. — Изв. АН СССР, Сер. Физич., 48, No. 7 (1984). С. 1330-1342

50. Nicolaie P., Takunori Т., Mitsuyoshi F. High-efficiency longitudinally-pumped miniature Nd:YV04 laser. — Optics & Laser TeclinoL, 30 (1998). — P. 275-280

51. Сычугов В.А., Михайлов B.A., Кондратюк B.A., Лындии Н.М., Фрам 10., Загуменный А.И., Заварцев Ю.Д., Студепикнн П.А. Коротковолновый (А = 914 им) микролазер на кристалле YVO^Nd3"1". — Квантовая электроника, 30, No. 1 (2000). — С.13-11

52. Власов В.П., Заварцев Ю.Д., Загуменный А.П., Студепикнн П.А., Щербаков II.А., Висс X., Люти В., Вебер Х.П. Микрочип-лазер на основе кристалла GdVO.i:Nd'i+. — Квантовая электроника, 27, No. 1 (1999). — С. 19-20

53. Най Дж. Физические свойства кристаллов и их описание при помощи тензоров и матриц. — М.: Изд-во иностранной литературы, 1960. — 385 с.

54. Gulev V.S., Pavlyuk A.A., Kozccva L.P., Ncstcrciiko V.F. Lasers on the basis of double molybdatcs and tungstatcs. — in Solid State Lasers, G. Dubc eds. — Proc. SPIE 1223 (1990). — P. 103-114

55. Гулсв B.C. Мощный твердотельный лазер. — Патент РФ No. 2100881 (1997); приоритет от 06.03.1995

56. Yoshida К., Yoshiaki К., Sadao N., Kioslii Т., Tomoyasn N., Hiroshi О. Solid laser oscillator. — Japanese Patent No. 6268292 (1997); приоритет от 10.03.1993

57. Клевцов II.В., Казеева Л.П. Синтез, рентгеновское н термографическое изучение калин-редкоземельных вольфраматов KLh(WO,i)2, L11 — Р.З.Э. — Докл. АН СССР, 185, Вып. 3 (1969). С. 571-574

58. Каминский А.А., Колодный Г.Я., Сергеева Н.Н. Оптический квантовый генератор непрерывного действия па основе кристаллов NaLa(MoOi)2:Nd,i+, работающий при 300 К. Ж. прикл. спектр., 9, Вып. 5 (1908). - С. 884-886

59. Каминский А.А., Клевцов П.В., Ли Л., Павлюк А.А. Спектроскопические и генерационные исследования нового лазерного кристалла KY(WO.i)2~Nd3+. — Изв. АН СССР, Сер. Неоргапич. материалы, 12, No. 2 (1972). С. 2153-2163

60. Каминский А.А., Саркнсов С.Э. Исследование стимулированного излучения ионов Nd3+ в кристаллах па переходе 4F;j/2 —11з/2- Часть IV. — Квантовая электроника, 3, No. 15 (1973). С. 106-108

61. Esmeria J.M., Jr., Ishii Н., Sato М., Ito Н. Efficient continuous-wave lasing operation of Nd:KGd(\VOj)2 at 1.067 /tm with diode and Ti:sapphire laser pumping. — Optics Letter's, 20, No. 14 (1995). — P. 1538-1540

62. Прохоров A.M. Новое поколение твердотельных лазеров. — Успехи физических наук, 148, Вып. 1 (1986). С. 7-33

63. Оснко В.В. Активные среды твердотельных лазеров. — Изв. АН СССР, Сер. Фпзич., 51, No. 8 (1987). С. 1285-1294

64. Петровский Г.Т., Бороздин С.Н., Демидсико В.А., Мальцев М.В., Миронов II.А., Мусатов М.И., Письменный В.А., Шатилов А.В. Оптические кристаллы и поликристаллы. — Оптический журнал, 1993, No. 11. — С. 77-93

65. Ананьева Г.В., Афанасьев ПЛ., Васильева В.И., Глазов A.II., Мамонтов И.Я., Мер-куляева Т.П. Структурные, морфологические и оптические характеристики кристаллов калий-гадолипневого вольфрамата. — Оптико-механическая промышленность, 1983, No. 8. С. 35-36

66. Жплёппс А.А., Малдутис Э.К., Гульбнпас И.А., Мочалов И.В., Сакалаускас С.В. Термоонтнчсскнс свойства кристаллов КГВ. — В сб.: Лазеры и Оптическая нелинейность, под ред. д.ф.м.-п. Э.К. Малдутпса. — Вильпуе: ИФАН ЛнтССР, 1987. — С. 340-342

67. Устимелко Н.С., Гулил А.В. Новые ВКР-лазсры на кристалле KGd(\V0.1)2'-Nds+ с самопреобразованием частоты излучения. — Квантовая электропика, 32, No. 3 (2002). С. 229-231

68. Каминский А.А., Саркисов С.Э., Павлюк А.А., Любчепко В.В. Анизотропии люминесцентных свойств лазерных кристаллов KGd(\V0,1)2 и KY(WOi)a с ионами Ndi+.- Изв. АН СССР, Сер. Неорганические материалы, 16, No. 4 (1980). С. 720-728

69. Каминский А.А., Аитипчепко Б.М. Многоуровиспвыс функциональные схемы кристаллических лазеров. — М.: Наука, 1989. — 270 с.

70. Васильев А.Е., Мочалов И.В. Изучение и оптимизация спектралыю-гспсрацноппых параметров кристаллов KG(1(W04)2, активированных неодимом. — Труди IV киро-воканской научно-технической конференции но синтетическим корундом. — Киро-вокаи, 1981. С. 34-37

71. Kushavvaha V., Banerjee A., Major L. High-efficiency flashlainp-pumped NcV.KGW laser.

72. J. of Appl. Phys. B, 56 (1993). — P. 239-242

73. Гулев B.C., Пивцов B.C., Фолин К.Г. Различия динамики свободной генерации рубинового и неодимовых лазеров. — Радиотехн. и электрон., 25, No. 3 (1980). — С. 573583

74. Гулев B.C., Павлюк А.А., Пивцов B.C., Фолии К.Г. Особенности динамики свободной генерации лазера на KGd(W0.i)2:Nd3+. — Ж. прикл. спектр., 32, Вып. 2 (1980). — С. 241-245

75. Комаров А.К., Комаров К.П., Кучьянов А.С. Самосинхронизация мод в YAG:Nd:j+-лазерс. — Квантовая электроника, 33, No. 2 (2003). — С. 163-164

76. Аюпов Б.М., Протасова В.И., Павлюк А.А., Харчепко Л.ГО. Оптические свойства некоторых двойных щёлочио-редкоземельпых вольфраматов со структурой о-КУ(\У01)2. Изв. АН СССР, Сер. Неорганические материалы, 22, No. 7 (1986). -С. 1156-1160

77. Беляев В.Д., Романова Г.И. Теплопроводность и тепловое расширение кристаллов КГВ. — Труды IV кировоканской научпо-тсхничести конференции по синтетическим корундам. — Кировокаи, 1981. — С. 28-33

78. Graf Т., Balnier J.E. basing properties of diodc-lascr-pmnped Nd:KGW. Optical Engineering, 34, No. 8 (1995). — P. 2349-2352

79. Kalisky Y., Kravchik L., Labbe C. Repetitive modulation and passively Q-svvi(ching of diode-pumped Nd-KGW laser. — Optica Communications, 189 (2001). — P. 113-125

80. Берспберг В.А., Болдырев С.А., Леонов Г.С., Нестереико В.Ф., Павлюк А.А., Терпугов B.C. Твердотельные микролазеры с пакачкоИ миниатюрными импульсными лампами. — Квантовая электроника, 12, No. 2 (1985). — С. 375-377

81. Grabtchikov A.S., Kuzinin A.N., Lisinetskii V.A., Ryabtsev G.I., Orlovich V.A., Demi-dovich A.A. Stimulated Raman scttering in Nd:KGW laser with diode pumping. — J. of Alloys and Compounds, 300-301 (2000). — P. 300-302

82. Tu C., Qiu i\l., Li J., Liao II. The study of 1.06 /ли laser eharachteristics of Nd:i+:KGd(W04)2 crystal. — Optical Materials, 16 (2001). — P. 431-436

83. Зверев Г.М., Колодный Г.Я. Индуцированное излучение и спектроскопические исследования монокристаллов двойного молибдата лантана-натрия с иримесыо неодима. ЖЭТФ, 52, Выи. 2 (1967). - С. 337-341

84. Гулсв B.C., Мнкерин С.Л., Павлюк A.A., Юркии A.M. Мощные твердотельные лазеры с равномерным поперечным распределением интенсивности и малой расходимостью излучения. — Автометрия, 1999, No. 4. — С. 104-113

85. Гулсв B.C., Мнкерин С.Л., Павлюк А.А., Юркни A.M. Твердотельный лазер с боль-шоп средней мощностью излучения и компенсацией оптических иеодпородпостей активной среды. — Квантовая электроника, 29, No. 1 (1999). — С. 19-20

86. Павлова II.А., Жукова Е.М., Прохорова Т.Н. Отражатели из керспла для оптических систем накачки лазеров. — Электронная техника, Сер. 11: Лазерп. техн. и оптоэлектрон., 1990, Вып. 3(55). С. 108-109

87. Чмель А.Е., Куксепко К.П., Савлова И.А., Хотпмчепко B.C. ИК-спектр отражения керсила. — Ж. прикл. спектр., 48, Вып. 1 (1998). — С. 581-143

88. Импульсные источники света. — Под общей ред. И.С. Маршака. — М.: Энергия, 1978.- 472 с.

89. Конюхов В.А., Кулевский Л.А., Прохоров A.M. Энергетические и спектральные характеристики импульсной ксепоповой лампы ИФП-15000. — Ж. прикл. спектр., 1, Вып. 1 (1901). С. 51-50

90. Климков Ю.М. Прикладная лазерная оптика. — М.: Машиностроение, 1985. — 128 с.

91. Мейтленд А., Данн М. Введение в физику лазеров. — М.: Наука, 1978. — 407 с.

92. Бори М., Вольф Э. Основы оптики. — М.: Наука, 1970. — 855 с.

93. Войтович А.П., Севериков В.Н. Лазеры с анизотропными резонаторами. — Минск: Наука и техника, 1988. — 271 с.

94. Фолин К.Г., Гайнер А.В. Динамика свободной генерации твердотельных лазеров. — Новосибирск: Наука, 1979. — 204 с.

95. Звелто О. Физика лазеров. М.: Мир, 1979. - 373 с.

96. Гулсв B.C., Ключников А.А., Мнкерин С.Л., Угожаев В.Д., Нестеренко В.Ф., Юркни A.M. Генерация лазера с трубчатым активным элементом из кристалла калий-гадолппневого вольфрамата с неодимом. — Квантовая электроника, 31, No. 10 (2001). С. 867-809

97. Мнкерпп С.Л., Пальчпкова II.Г., Угожаев В.Д. Визуализация и измерение оптических неодиородностей в лазерном активном элементе KGd(\V0.4)2 с помощью интерферометров на зонных пластинках. — Автометрия, 41, Ко. 1 (2005). — С. 71-87

98. Мезспов А.В., Соме Л.Н., Степанов А.И. Тсрмооитика твердотельных лазеров. — Л.: Машиностроение, 1986. — 237 с.

99. Микерии С.Л., Пальчпкова И.Г., Шевцова Т.В., Угожаев В.Д. Дифракционные интерферометры на основе зонных пластинок. Часть I. — В сб.: Компьютеры, оптика, иод ред. акад. Ю.И. Журавлёва. М.: МЦНТИ, 2004. - Вып. 26. - С. 27-36

100. Клаассеи К.Б. Основы измерений. Электронные методы и приборы в измерительной технике. — М.: Постмаркет, 2000. — 352 с.