39551

Разработка компактного неодимового лазера с диодной накачкой и волоконным выходом

Дипломная

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

В рабочем теле лазера путём накачки создаётся избыточное количество атомов в верхнем энергетическом состоянии. рис1 Вынужденное испускание фотона Классическая трёхуровневая система накачки рабочей среды используется например в рубиновом лазере. Именно это делает возможным использование немонохроматического излучения в качестве накачки. Следует отметить что создать инверсию населённостей атомов хрома Cr с помощью накачки непосредственно с уровня E0 на уровень E1 нельзя.

Русский

2013-10-07

17.44 MB

167 чел.

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

Кафедра лазерной физики и спектроскопии

Разработка компактного неодимового лазера с диодной накачкой и волоконным выходом

Дипломная работа

студента 5 курса

Кульбицкого Р. Н.

Научный руководитель  – доцент

кафедры лазерной

физики и спектроскопии

Серафимович А.И.

Минск  2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение………………………………………………….

  1.  Физические принципы получения вынужденого излучения. Неодимовый лазер.

I.1 Физические принципы получения вынужденого излучения. …….

I.2 Неодимовый лазер………………………………

I.3 Источники света применяемые в твердотельных лазерах..

I.3.1 Полупроводниковые лазеры………………..

I.3.2 Диодная накачка неодимовых лазеров……………………………

I.4 Линейные чип-лазеры…………………………………………………

II. Разработка и изготовления компактного неодимового лазера с диодной накачкой и волоконным выходом….

II.1 Разработка принципиальной схемы с диодной накачкой и волоконным выходом

II.2 Оптические и физикотехнические характеристики основных узлов лазера.

II.3 Технические требования к узлам лазера. Сопряжение физикотехнических характеристик при сборке лазера.

II.3.1

II.3.2

II.3.3

Список сокращений и условных обозначений

ТЛПН - твердотельный лазер с полупроводниковой накачкой

термистор

SDC

Введение

Лазеры – это современные источники когерентного излучения, обладающие целым рядом уникальных свойств. Создание лазеров явилось одним из самых замечательных достижений физики второй половины XX века, которое привело к революционным изменениям во многих областях науки и техники. К настоящему времени создано большое количество лазеров с различными характеристиками – газовых, твердотельных, полупроводниковых, излучающих свет в различных оптических диапазонах. Лазеры могут работать в импульсном и непрерывном режимах. Мощность излучения лазеров может изменяться в пределах от долей милливатта до 1012–1013 Вт (в импульсном режиме). Лазеры находят широкое применение в военной технике, в технологии обработки материалов, в медицине, оптических системах навигации, связи и локации, в прецизионных интерференционных экспериментах, в химии, просто в быту и т. д. Хотя первый оптический квантовый генератор был построен сравнительно недавно (1960 г.), современную жизнь уже невозможно представить без лазеров.

Цель настоящей работы заключается в создании относительно недорогого компактного чип-лазера малой мощности с высокой частотой следования импульсов .

I.1 Физические принципы получения вынужденного излучения

Известным фактом является то, что физической основой работы лазера служит квантовомеханическое явление вынужденного излучения. В рабочем теле лазера путём накачки создаётся избыточное количество атомов в верхнем энергетическом состоянии. Рабочее тело лазера находится в резонаторе (в простейшем случае — пара зеркал), создающем условия для накапливания фотонов с определённым направлением импульса. Первоначальные фотоны возникают за счёт спонтанного излучения, затем их поток лавинообразно усиливается благодаря вынужденному излучению.

рис1  Вынужденное испускание фотона

Классическая трёхуровневая система накачки рабочей среды используется, например, в рубиновом лазере. Рубин представляет собой кристалл корунда Al2O3, легированный небольшим количеством ионов хрома Cr3+, которые и являются источником лазерного излучения. Из-за влияния электрического поля кристаллической решетки корунда внешний энергетический уровень хрома E2 расщеплён. Именно это делает возможным использование немонохроматического излучения в качестве накачки. При этом атом переходит из основного состояния с энергией E0 в возбуждённое с энергией около E2. В этом состоянии атом может находиться сравнительно недолго (порядка 10−8 с), почти сразу происходит безызлучательный переход на уровень E1, на котором атом может находиться значительно дольше (до 10−3 с), это так называемый метастабильный уровень. Возникает возможность осуществления индуцированного излучения под воздействием других случайных фотонов. Как только атомов, находящихся в метастабильном состоянии становится больше, чем в основном, начинается процесс генерации.

Следует отметить, что создать инверсию населённостей атомов хрома Cr с помощью накачки непосредственно с уровня E0 на уровень E1 нельзя. Это связано с тем, что если поглощение и вынужденное излучение происходят между двумя уровнями, то оба эти процесса протекают с одинаковой скоростью. Поэтому в данном случае накачка может лишь уравнять населённости двух уровней, чего недостаточно для возникновения генерации.

рисунок2: а — трёхуровневая и б — четырёхуровневая схемы накачки активной среды лазера.

В неодимовом лазере генерация излучения происходит на ионах неодима Nd3+, используется четырёхуровневая схема накачки. Здесь между метастабильным E2 и основным уровнем E0 имеется промежуточный — рабочий уровень E1. Вынужденное излучение происходит при переходе атома между уровнями E2 и E1. Преимущество этой схемы заключается в том, что в данном случае легко выполнить условие инверсной населенности, так как время жизни верхнего рабочего уровня (E2) на несколько порядков больше времени жизни нижнего уровня (E1). Это значительно снижает требования к источнику накачки. Кроме того, подобная схема позволяет создавать мощные лазеры, работающие в непрерывном режиме, что очень важно для некоторых применений. Однако подобные лазеры обладают существенным недостатком в виде низкого квантового КПД, которое определяется как отношение энергии излученного фотона к энергии поглощенного фотона накачки (ηквантовое = hνизлучения/hνнакачки).

I.2 Неодимовые лазеры

Трехвалентный ион неодима легко активирует многие матрицы. Из них самыми перспективными оказались кристаллы иттрий-алюминиевого граната Y3Al5O12  (ИАГ) и стекла. Накачка переводит ионы Nd+3 из основного состояния 4I9/2 в несколько относительно узких полос, играющих роль верхнего уровня. Эти полосы образованы рядом перекрывающихся возбужденных состояний, их положения и ширины несколько меняются от матрицы к матрице. Из полос накачки осуществляется быстрая передача энергии возбуждения на метастабиль-ный уровень 4F3/2 (рис. 1). Время жизни этого уровня составляет 0,2 мс в ИАГ и 0,7 мс в стекле. Наибольшей вероятностью  обладает лазерный переход 4F3/2 4I11/2 (λ = 1,06 мкм). Энергетическая щель между состояниями 4I11/2 и 4I9/2, равная примерно 2000 см-1, обеспечивает четырехуровневый характер генерации неодимового лазера.

Чем ближе к уровню 4F3/2 расположены полосы поглощения, тем выше КПД генерации. Достоинством кристаллов ИАГ является наличие интенсивной красной линии поглощения.

В стеклах из-за неоднородности локальных электростатических полей ближайшего окружения линия люминесценции 1,06 мкм неоднородно сильно уширена (Δλ≈30 нм). В кристаллах ИАГ однородное ушерение составляет примерно 0,7 нм.

Сильное неоднородное уширение приводит к тому, что неодимовое стекло имеет меньшее усиление, а соответствующие лазеры более богатую модовую структуру, чем гранат, активированный неодимом. Вместе с тем стекло допускает большее (до 6%) введение активных центров. Кристаллы ИАГ активируются до концентрации 1,5% в стехиометрическом замещении иона Y3+ на Nd+3. Обычно области применения неодимовых лазеров на гранате и стекле существенно различны. В силу большей теплопроводности и однородности гранатовые лазеры легко работают в непрерывном и в импульсно-периодическом режимах. Достигнуты средние мощности в несколько сотен ватт. Неодимовое стекло в силу больших объемов и более высокой концентрации активатора хорошо накапливает энергию. Поэтому именно стекло служит активной средой импульсных лазеров высокой энергии. Достигнуты значения импульсной энергии в десятки килоджоулей.

В случаях, когда существенно высокое качество излучения, используется схема «задающий генератор — усилитель мощности». В этой схеме задающим генератором является часто гранатовый лазер, а усилителем мощности (или оконечным каскадом усиления мощности) — лазер на неодимовом стекле.

Неодимовые лазеры работают в широком диапазоне режимов генерации, от непрерывного до существенно импульсного с длительностью, достигающей 0,5 пс. Последняя достигается методом синхронизации мод в широкой линии усиления, характерной для лазерных стекол.

При создании неодимовых лазеров реализованы все характерные методы управления параметрами лазерного излучения, разработанные квантовой электроникой. В дополнение к так называемой свободной генерации, продолжающейся в течение практически всего времени существования импульса накачки. Широкое распространение получили режимы включаемой (модулированной) добротности и синхронизации (самосинхронизации) мод.

В режиме свободной генерации длительность импульсов излучения составляет 0,1—10мс, энергия излучения в схемах усиления мощности достигает многих килоджоулей. Характерная длительность импульсов включаемой добротности составляет около 10 нс при использовании для модуляции добротности электрооптических устройств. На рис.2 приведена схема неодимового лазера с модулированной добротностью. Характерная энергия лазерного генератора такого типа составляет 1—2 Дж.

Дальнейшее укорочение импульсов генерации достигается применением просветляющихся фильтров как для модуляции добротности (0,1 —10 не), так и для синхронизации мод (1 —10 пс). Схема лазера с самосинхронизацией мод для генерации импульсов пикосекундной длительности с помощью насыщающегося фильтра приведена на рис. 3. Для того чтобы резонатор лазера обладал только одним четко выраженным периодом межмодовых биений, грани оптических элементов этой схемы слегка отклонены от нормали к оптической оси резонатора, а входной и выходной торцы активного элемента расположены под углом Брюстера к этой оси. Такое расположение либо исключает дополнительные отражения, которые может испытывать излучение при распространении от зеркала к зеркалу внутри резонатора лазера, либо отклоняет отраженные лучи от оптической оси резонатора и тем самым исключает образование дополнительных резонаторов со своим периодом межмодовых биений внутри основного. Характерная энергия цуга импульсов синхронизированных мод составляет в лазерных генераторах такого типа примерно 1—2 Дж.

Стекло является прекрасным оптическим материалом, технология получения которого хорошо разработана. Из стекла могут быть изготовлены детали любой формы и размера от волокон диаметром в несколько микрометров до дисков диаметром в несколько метров. Но главным достоинством стекла является его высокая оптическая однородность. Градиент показателя преломления хорошего лазерного стекла составляет ± (0,5—2) • 10-8 см-1.. К сожалению, теплопроводность стекла низка. Излучение накачки неоднородно нагревает стекло. В силу низкой теплопроводности это приводит к возникновению в стекле неоднородного температурного поля и, следовательно, термоупругих напряжений. Последние вызывают оптические искажения.

Так как для получения высокой направленности излучения оптическая однородность стекла должна сохраняться во время генерации, термооптическая константа

W= β + α (n-1), (3)

где β = dп/dТ — температурный коэффициент показателя преломления п и α — температурный коэффициент расширения, должна быть предельно малой. Достоинством стекол по сравнению с кристаллами является возможность выбором состава стекла снижать величину W до значений, меньших 10-7 К-1, в относительно широком температурном интервале (так называемые атермальные стекла). Для кристаллов ИАГ значения W на два-три порядка выше, что, правда, частично компенсируется их существенно более высокой теплопроводностью.

Исключительно важное значение имеет лучевая стойкость активного вещества лазера. Без создания достаточно стойких прозрачных материалов, выдерживающих большие потоки лазерного излучения без разрушения и нарушения оптической однородности, невозможно создание надежно работающих лазеров большой мощности. В отличие от газовых лазеров, прежде всего СO2-лазеров, где слабым местом в смысле оптического разрушения обычно являются окна газовых кювет и зеркала, для твердотельных лазеров существенной является лучевая стойкость материала активной среды.

К настоящему времени наибольшей лучевой стойкостью обладают неодимовые стекла, не содержащие металлических включений (платина, железо и т. п. примеси технологического происхождения). В режиме свободной генерации (длительность импульса излучения 0,1 — 1 мс) порог разрушения составляет 103—104 Дж/см2. Для импульсов модулированной добротности (1 — 10 не) для лучших из стекол пороговое значение плотности энергии излучения, разрушающей торцы активных элементов, составляет несколько сотен джоулей на квадратный сантиметр. Это справедливо, однако, при малом пятне облучения (фокусировка практически в точку). При большом поперечном сечении (≥ 1 см2) облучаемой области порог разрушения снижается на порядок и более, главным образом в силу вероятности попасть под излучение такому дефекту материала, который легко инициирует лавинно нарастающее разрушение. Для импульсов длительностью, меньшей 1 нс (синхронизованные моды), пороги разрушения составляют единицы джоулей  на квадратный сантиметр.

Физические процессы, лежащие в основе механизмов разрушения твердых тел и стекол лазерным излучением, весьма разнообразны. Отметим здесь только роль эффекта так называемой самофокусировки, заключающегося в том, что интенсивное лазерное поле так меняет показатель преломления прозрачного материала, что в нем образуется некая эффективная линза, увеличивающая плотность поля в среде. Последнее, в свою очередь, вызывает увеличение фокусировки излучения, его дальнейшую концентрацию и, в конце концов, разрушение материала.

Склонность оптических материалов к самофокусировке характеризуется нелинейным показателем преломления материала пг. С учетом влияния поля показатель преломления среды может быть в первом приближении записан в виде

п = п0 + п2Ег (20.2)

где n0 — линейная часть показателя преломления, не зависящая от амплитуды электрического поля лазерной волны Е.

Как и термооптическая константа W, показатель преломления п2 является важным параметром, характеризующим оптические свойства активного элемента твердотельного лазера. Для лучших лазерных стекол n2 ≤ 10-13 СГСЭ, для граната.

I.3 Источники света применяемые в твердотельных лазерах

Унивесальным способом создания инверсной населенности является оптическая накачка. Она позволяет возбужать вещество в любом агрегатном состоянии во всех спектральных диапазонах. Для твердотельных и жидкостных лазеров она ничем не заменима. Созданы газовые и полупроводниковые лазеры с оптической накачкой. В качестве источников излучения для накачки используются чаще всего лампы-вспышки и лазеры.

I.3 Основные схемы диодной накачки

В ТЛПН происходит эффективное преобразование излучения полупроводниковых лазеров, обладающих широким спектром и сильным астигматизмом, в излучение твердотельных лазеров, генерирующих, как правило, на основной поперечной моде ТЕМ00. Для накачки твердотельного лазера могут быть использованы один или несколько независимых полупроводниковых лазеров (лазерных диодов) либо полупроводниковые лазерные линейки, либо двумерные матрицы. Успехи в создании высокоэффективных ТЛПН обусловлены достигнутым в настоящее время значительным прогрессом в разработке высокоэффективных полупроводниковых лазеров и лазерных решеток (матриц).

При современном уровне технологии максимальная выходная мощность полупроводникового лазера с шириной р —n-перехода 100 мкм (определяющей минимально возможное сечение пучка излучения) в непрерывном режиме составляет ~10 Вт. Значительно большие мощности, достигающие нескольких киловатт, могут быть получены с помощью лазерных линеек или двумерных матриц, содержащих несколько десятков или несколько тысяч лазерных диодов соответственно.

1                 2

Рис. 1. Основные схемы продольной накачки - «классическая» схема торцевой накачки (а), двусторонняя схема накачки (б), торцевая схема, использующая два полупроводниковых лазера (в), и схема с внутрирезонаторным преобразованием длины волны накачки (г): 1 - глухое зеркало резонатора (часто наносится непосредственно на торец активного элемента); 2 - выходное зеркало резонатора; 3 -активный элемент; 4 - микрообъектив; 5 - лазерный диод; 6 - термостабилизатор; 7 - дополнительное селективное зеркало; 8 - смесительный поляризационный кубик; здесь и далее НК и НТ - высокие коэффициенты отражения и пропускания диэлектрических покрытий некоторых элементов лазеров; в скобках указаны длины волн в микрометрах.

Рис.2. Основные схемы поперечной накачки - односторонняя схема накачки (а), двусторонняя схема накачки (б) и схема возбуждения слэб-элемента (в): 1 и 2 - глухое и выходное зеркала резонатора; 3 - активный элемент; 4 - цилиндрическая линза; 5 - полупроводниковая матрица; 6 -термостабилизатор.

Излучение лазерного диода можно сфокусировать на площадку диаметром ~0.1 мм. Это позволяет уменьшить почти на четыре порядка (от 10-1 до 10-5 см3) минимальный объем активной среды, необходимый для работы лазера, открывая тем самым неограниченные возможности, связанные с миниатюризацией лазерной техники и снижением мощностей накачки. Примером реализации таких возможностей может служить лазер, активный элемент которого выполнен в виде сферы диаметром несколько десятков микрометров.

Важным фактором, определяющим КПД ТЛПН, является эффективность «транспортировки» излучения накачки в активный элемент. Основная сложность здесь связана с существенно различной расходимостью излучения лазерных диодов в перпендикулярных плоскостях, что затрудняет использование сферической оптики для фокусировки излучения накачки. Наиболее эффективным (и наиболее распространенным) является использование лазерных диодов со световодным выводом излучения. Наряду с этим для фокусировки накачки часто применяется сферическая и призменная оптика. При использовании для накачки диодных линеек или матриц фокусировка излучения осуществляется обычно с помощью специальных световодных разветвителей или конусообразных концентраторов излучения, позволяющих с минимальными потерями «транспортировать» излучение накачки в нужную область.

В настоящее время существует несколько различных оптических схем накачки твердотельных лазеров с помощью полупроводниковых излучателей. Эти схемы можно разделить на две большие группы: схемы, использующие продольную (торцевую) накачку (рис.1) и схемы с поперечной накачкой (рис.2).

В первом случае (рис.1) направление излучения накачки Рр совпадает с направлением генерации, обеспечивая тем самым возможность пространственного согласования объемов генерирующей моды и области возбуждения. Это позволяет достаточно полно использовать мощность накачки: именно в таких схемах возможно получение максимальных коэффициентов преобразования излучения накачки в стимулированное излучение.

Твердотельные лазеры с торцевой накачкой обладают достаточно высокой эффективностью, но их выходная мощность Рout ограничена размерами генерируемого объема активного элемента и мощностью излучения источника накачки. Решение этой проблемы можно найти при использовании нескольких полупроводниковых излучателей, которые могут быть либо объединены с помощью световодной или призменной системы, либо использованы независимо для накачки различных участков активного элемента. Поскольку в последнем случае возможно увеличение эффективного объема активного вещества, он более предпочтителен.

Для самых распространенных активных сред характерен коэффициент поглощения накачки порядка нескольких обратных сантиметров. Вследствие этого длины активных элементов, на которых происходит поглощение ~90 % мощности накачки, составляют всего 3-5 мм. При создании микролазеров часто применяются и активные среды, в которых коэффициент поглощения на длине волны накачки может доходить до нескольких десятков обратных сантиметров и полное поглощение накачки происходит на длинах, меньших 1 мм.

Торцевая накачка оказывается наиболее эффективной при создании относительно маломощных (мощностью до 1 Вт) высокостабильных миниатюрных ТЛПН. В этом случае существенной проблемой при получении высокого КПД является формирование пространственного профиля излучения накачки. Согласование цилиндрически симметричного объема ТЕМ00-моды с существенно астигматическим пучком излучения лазерного диода требует использования анаморфотной оптической системы, реализуемой с помощью цилиндрической или призменной оптики. Наиболее эффективным способом согласования пучков является применение диодов с волоконным выводом излучения. Такой способ допускает эффективное объединение большого числа лазерных диодов в единый источник накачки с помощью одного разветвленного волоконного световода.

С ростом мощности ТЛПН эффективность торцевой накачки снижается, поскольку увеличение мощности генерации требует применения активных элементов большего объема, продольная накачка которых затруднена. Действительно, при больших мощностях торцевая накачка не позволяет прокачать активный элемент по всей длине, что приводит к ряду негативных эффектов: сильному локальному нагреву активного элемента, возникновению в нем тепловой линзы и наведенного двулуче-преломления.

Указанных недостатков лишена поперечная накачка, при которой возможно использование длинных активных элементов. Главным ее недостатком является неполное согласование возбужденного объема активной среды с объемом генерирующих мод и, как следствие, меньший КПД лазера. Тем не менее при необходимости получения больших мощностей поперечная накачка становится не только предпочтительной, но и единственно возможной. Одной из проблем, возникающих при разработке мощных твердотельных лазеров с поперечной накачкой является создание эффективного теплоотвода от активной среды. Заметим, что именно необходимость эффек тивного теплоотвода часто определяет конструктивные особенности таких лазеров.

I.3.1 Полупроводниковые лазеры

Для создания полупроводниковых лазеров использует- ся свойство p–n-перехода – при рекомбинации элек- тронов проводимости и дырок освобождается энергия, которая может испускаться в виде квантов или превра- щаться в тепло.
Лазер на
p–n-переходе представляет собой полу- проводниковый диод, у которого две плоскопараллель- ные поверхности, перпендикулярные p–n-переходу, образуют оптический резонатор; инверсия электрон- но-дырочных пар достигается пропусканием прямого тока через диод.

Наиболее эффективными для полупроводниково- го лазера оказались гетероструктуры (неоднородные структуры), в которых активный p–n-полосок заключен между двумя полупроводниковыми переходами: один (типа p–n) служит для инжекции электронов, а вто- рой (типа p–p) отражает инжектированные электроны,

препятствуя их диффузии из активного полоска. Гете- роструктуры имеют преимущество перед обычной p–n областью: при одинаковом токе накачки достигается большая концентрация электронно-дырочных пар. В полупроводниковом лазере стимулированное излуче- ние распространяется вдоль диэлектрического волно- вода, образованного p–n-полоском.

Первые лазерные диоды были разработаны еще в 1962 году. Однако потребовалось более десяти лет, что- бы поднять температуру их функционирования от тем- пературы жидкого азота до комнатной.

Типичные размеры области излучения диода со- ставляют приблизительно 1 × 100 мкм, а длина лазерно- го резонатора равна 250 мкм. Для увеличения выход- ной мощности излучения полупроводникового лазера p–n-переходы реализуют в виде многополосковой мат- рицы, в которой p–n-области соседствуют друг с другом на расстоянии 10 мкм. С помощью одного лазерного диодного полоска может быть достигнута выходная мощность 10 Вт. При увеличении плотности мощнос- ти появляются проблемы с отводом тепла от полупро- водникового лазера и, кроме того, может разрушиться выходное окно полоска. Несмотря на эти проблемы, с помощью лазерных диодных матриц в лабораторных условиях получают выходную мощность более 1 кВт.

Эффективность полупроводникового лазера может достигать более 50%, типичная эффективность состав- ляет 30%, то есть при выходной мощности 3 Вт полу- проводниковый лазер потребляет 10 Вт. Энергия по- рядка 7 Вт поглощается в форме тепла, которое нужно рассеять. В противном случае существенные темпера- турные изменения могут стать причиной сдвига длины волны, на которой излучает диод, и потери эффектив- ности.

Чтобы обеспечить оптимальное перекрытие спект- ров излучения накачки и поглощения в лазерном крис- талле, температурный сдвиг длины волны должен быть минимизирован. При коэффициенте сдвига 0,3 нм/°С изменение температуры должно находиться в пределах ±1°С. Такую температурную стабилизацию обычно ре- ализуют с помощью холодильника Пельтье.

Современные лазерные диоды, используемые для накачки, имеют спектральную ширину излучения 1 нм, мощность 1–10 Вт и ресурс работы 104 ч.

Из-за короткого оптического резонатора и малых поперечных размеров активного слоя дифракционная расходимость генерируемого излучения во внешней среде оказывается значительной. В плоскости, перпен- дикулярной p–n-переходу, она измеряется десятками градусов (до 50°). В ортогональной плоскости расходи- мость на порядок меньше (1–5°). Это обусловливает раз- личный профиль пучка в соответствующих плоскостях, и для согласования осесимметричного объема лазерно- го кристалла с асимметричной диаграммой направлен- ности излучения диода необходима довольно сложная оптическая система линз и призм.

I.3.2 Диодная накачка неодимовых лазеров

На практике широкое распространение получили твердотельные неодимовые лазеры c длиной волны стимулированного излучения 1,06 мкм. В качестве примера активных сред для таких лазеров можно указать NdYAG (алюмоиттриевый гранат), NdYSGG (иттрий-скандий-галиевый гранат), NdYAB (алюмоит- триевый борат), NdYVO4 (ванадат иттрия), Nd GdVO4 (ванадат гадолиния), Nd LSB (скандоборат лантана) и др. Популярность ионов неодима в качестве активатора обусловлена его структурой лазерных уровней.

Твердотельные лазеры на оксидных средах возбуждают разными оптическими источниками, так как прямое электронное возбуждение невозможно из-за малой электропроводности лазерных кристаллов. Однако миниатюризация лазерных устройств с газоразрядными лампами накачки невозможна.

В качестве источников накачки стали широко применять полупроводниковые инжекционные лазеры. Лазеры на основе AlGaAs-диодов c гетерогенной структурой работают с низким напряжением. Монохроматическим излучением диода можно селективно возбуждать верхний уровень лазерного кристалла. Эфективность накачки свыше 80% и тепловая нагрузка сокращаются до минимума, излучение диодного лазера можно фокусировать.

Как уже отмечалось, большие мощности достигаются сбором единичных полосков в так называемые матрицы. Получаемые таким способом выходные мощности достигают нескольких десятков ватт. Однако излучение высокомощного лазерного диода труднее поддается фокусировке. Чтобы эффективное поперечное сечение фокуса накачки оставалось маленьким, накачиваемый лазерный кристалл должен иметь по возможности большой коэффициент поглощения.

При использовании лазерного диода для накачки активного элемента твердотельного лазера могут быть реализованы два способа: торцевая и боковая накачка. В первом случае излучение диода с помощью системы линз фокусируется с торца лазерного стержня, а во втором – со стороны его боковой поверхности. С точки зрения повышения мощности стимулированного излучения боковая накачка имеет преимущество перед торцевой накачкой. Следует подчеркнуть, что максимальная мощность лазеров с диодной накачкой в настоящее время превышает 1 кВт.

Не вдаваясь в детали анализа достоинств и недостатков полупроводниковой накачки, отметим, что из-за относительно высокой дифракционной расходимости излучения полупроводниковых лазеров основные ее преимущества могут быть эффективно реализованы в лазерах с малой (порядка одного миллиметра) длиной активного элемента. В этом случае плотность мощности излучения накачки в активном элементе может достигать 0,1 МВт/см2 без применения дорогостоящей формирующей оптики. Для поглощения более 95% излучения накачки в таком активном элементе концентрация ионов неодима для неодимовых лазеров должна быть не менее 41020 см−3. Повышение эффективности твердотельных лазеров с диодной накачкой может быть достигнуто за счет оптимизации резонатора, согласующей оптики и источника накачки. Решение же проблемы в целом невозможно без создания новых активных сред, обладающих эффективным поглощением в спектральном диапазоне источника диодной накачки. Высокие коэффициенты поглощения могут быть достигнуты как кардинальным увеличением концентраций активаторных ионов (при условии слабого концентрационного тушения люминесценции), так и применением эффекта сенсибилизации люминесценции. В этой связи высококонцентрированные активные среды для лазеров с полупроводниковой накачкой играют принципиальную роль.

Возможность промышленного применения того или иного лазерного материала определяется не только концентрацией активатора, но и другими его физическими свойствами, такими, как поперечные сечения переходов при генерации и поглощении, время жизни возбужденного состояния, лазерная и механическая прочность, теплопроводность и т.д. Не менее важным является технологическая доступность материала, то есть возможность выращивания высококачественных кристаллов. Из сотен исследованных до настоящего

Таблица 1. Спектроскопические, генерационные и тепловые характеристики кристаллов для лазеров с полупроводниковой накачкой

времени лазерных кристаллических матриц в коммерческих целях применяются единицы.

В настоящее время для твердотельных неодимовых лазеров с диодной накачкой используются кристаллы NdYAG, NdYVO4 и NdLSB. Их сравнительные ха- рактеристики приведены в табл.1. Видно, что универсальным набором спектроскопических, генерационных и тепловых характеристик не обладает ни один из этих кристаллов. По величине ширины пика поглощения в окрестности 0,81 мкм следует отдать предпочтение NdLSB, тогда как по теплопроводности и пороговой плотности мощности он уступает кристаллам NdYAG и NdYVO4 . Сечения стимулированного излучения для основного лазерного перехода 4F3/2 - 4I11/2 в Nd:LSB и Nd:YAG сравнимы, но по этому параметру оба кристалла уступают Nd:YVO4. Учитывая, что реальные лазеры с диодной накачкой на кристаллах Nd:LSB, Nd:YAG и Nd:YVO4 работают далеко за пределом пороговой плотности мощности, этот дефект можно не принимать во внимание. Благодаря линейной поляризации стимулированного излучения лазеры с диодной накачкой на кристаллах Nd:LSB и Nd:YVO4 предпочтительнее для реализации внутрирезонаторного удвоения частоты стимулированного излучения.

I.3 Линейные чип-лазеры

Монолитные линейные чип-лазеры представляют собой короткие (длиной от 0.1 до 5 мм в направлении генерации) стержни с плоскими или сферическими торцами. Возбуждение таких лазеров осуществляется, как правило, по продольной схеме. На один из торцов кристалла, через который производится накачка, наносится селективное зеркало, глухое на частоте генерации и имеющее высокое пропускание на длине волны накачки, а на второй торец - выходное зеркало. Излучение накачки фокусируется с помощью микрообъектива внутрь активного элемента.

Выходная мощность лазеров такого типа может достигать нескольких ватт в непрерывном режиме. При модуляции добротности пиковая мощность излучения чип-лазера достигает 600 кВт при энергии импульса ~5 мДж.

В большинстве случаев важно получить генерацию на основной поперечной моде ТЕМ00. В монолитных лазерах с продольной накачкой селекция поперечных мод может быть осуществлена выбором конфигурации резонатора и специальным формированием каустики пучка накачки. Вопросы оптимизации продольной накачки детально рассмотрены в [50-52]. Отметим, что оптимальное сечение накачиваемой области должно быть порядка сечения каустики основной моды резонатора [53]. При более сильной фокусировке накачки возможно преимущественное возбуждение лагерр-гауссовых мод более высокого порядка [54].

Селекция продольных мод для получения одночастотной генерации в линейных чип-лазерах является достаточно сложной задачей. Это связано с большой (по сравнению с межмодовым интервалом) шириной однородно-уширенной линии усиления типичных твердотельных лазеров. Так, например, для YAG:Nd ширина линии усиления составляет ~ 180 ГГц, тогда как межмодовый интервал, как правило, не превышает 10-15 ГГц. Поэтому для реализации одночастотной генерации в линейных чип-лазерах необходимо использование специальных селекторов.

Рисунок I.3.1 Yb:YAG-Cr:YAG чип лазер

Однако, поскольку внесение селективных элементов в резонатор монолитных чип-лазеров невозможно, основным способом получения одночастотной генерации является уменьшение продольных размеров резонатора. Для достижения стабильной одномодовой генерации в линейных чип-лазерах на YAG:Nd необходимо, чтобы длина резонатора не превышала 200-300 мкм [55]. При больших длинах резонатора одночастотный режим реализуется лишь при малых превышениях мощности накачки над пороговой.

В линейных чип-лазерах с малой длиной резонатора для получения большей мощности целесообразно использовать либо среды с высокой концентрацией активных центров, либо среды с большим сечением поглощения излучения накачки [56, 57]. В таких средах возникает интересная возможность получения одночастотной генерации, связанная с конкурентным взаимодействием продольных мод [58].

Классическим примером монолитного линейного чип-лазера является лазер с зеркалами, нанесенными непосредственно на торцы кристалла [59]. В этом лазере активный элемент, выполненный из высококачественного монокристалла YVO4:Nd, имеет квадратное сечение со стороной 3 мм. Один торец кристалла плоский, а второй - сферический с радиусом кривизны 10 см. На плоский торец нанесено селективное покрытие, имеющее высокий коэффициент отражения на длине волны генерации (λ1.06 мкм) и низкий на длине волны накачки (λ0.808 мкм). Длина резонатора (активного элемента) составляет 1.5 мм. Лазер работает на основной поперечной моде ТЕМ00 при мощности выходного непрерывного излучения несколько десятков милливатт. Дифференциальный КПД таких чип-лазеров достигает 57-58%. Если активный элемент выполнить из кристалла YAG:Nd:Cr, играющего одновременно и роль насыщающегося поглотителя, то такой лазер будет работать в режиме модулированной добротности [60].

В настоящее время в линейных чип-лазерах используются активные кристаллы, работающие не только по четырехуровневой, но и по трехуровневой схеме. В последнем случае возникает необходимость создания таких условий, при которых интенсивность накачки на выходном торце кристалла составляет значительную долю от интенсивности накачки на входном торце. Это связано с необходимостью иметь инверсию населенности по всей длине активного элемента, в противном случае происходит резкий рост потерь на частоте излучения лазера.

II.1 Разработка принципиальной схемы с диодной накачкой и волоконным выходом

 

Рис1 Принципиальная схема лазера

При разработке данного лазера во внимание бралось множество факторов таких как: размеры, теплоотвод, расположение основных узлов лазера, вывод излучения в волокно, система управления, накачка активного элемента.

Рис2: 1- вывод в волокно, 2- оптическая система (активный элемент, система фокусировки излучения),3-лазерный диод, 4- элемент Пельтье, 5- корпус лазера так же выполняющий функции радиатора.

рис3. Блок схема основных частей лазера

Как видно из блок схемы (рис 3) компактного неодимового лазера с диодной накачкой и волоконным выходом, лазер можно разделить на пять основных блоков:

1)Активный элемент (чип)

2)Система фокусировки излучения

3)Лазерный диод

4)Элемент Пельтье

5)Плата управления

II.3 Технические требования к узлам лазера. Сопряжение физикотехнических характеристик при сборке лазера.

II.3.1 Чип-лазер

 В качастве активного элемента был выбран микрочип Nd:YAG – Cr4+:YAG (лазерный кристалл диффузионной сварки). Концентрация ионов Nd:YAG составляет 1%. Cr4+:YAG выполнет функции пасивного затвора и имеент начальное пропускание 70+/-2%

рис1. микрочип Nd:YAG – Cr4+:YAG

Произведен кристалл был чешской компанией CRYTUR. Его диаметр составляет 4мм, длинна - 7мм. На торцевые поверхности кристалла напылены зеркала: со стороны Nd:YAG напылено глухое для длинны волны 1064 нм, и прозрачное для длинны волны 808нм. Со стороны Cr:YAG напылено зеркало с коофициентом отражения 87+/-2% для длинны волны 1064нм.

II.3.2 Лазерный диод

При сборке лазера использовался лазерный диод с волоконным выходом c длинной волны 808 нм.

рис2. Лазерный диод (808нм)

Данный лазерный диод обладает следующими характеристиками:

1) Выходная мощность: 2ВТ

2) Центральная длинна волны: 808нм+/-3нм

3) Спектральная ширина: 3нм

4) Температурный коэфициент: ~0.3нм/ C

5) Диаметр волокна: 105мкм

6) N.A:  0.22NA

7) Разъем: SMA-905

8) Рабочий ток - 2.5A

9) Ток генерации - 0.4A

10) Рабочее напряжение - 2.1-2.3В

11) Рабочая температура: 10~30 C

12) Гарантированое время работы: 10000 часов

13)  Габариты  (без волокна): 31×12.7×12.5мм

II.3.2 Плата управления (SDC)

Плата управления (SDC) преднозначена для питания лазерного диода, а так же его термостабилизации. Изначально данная плата управления разрабатывалсь исключительно для маломощных диодов с токами до 0.5А, но специально для данного проекта плата управления была модернизирована. После изменений стало возможным подпитывать диоды до 2.5А.

Основные параметры плты управления:

1) Входное напряжение – 5В

2) Выходной режим – непрерывный

3) Максимальный ток – 2.5 А

4) Напяжение -2В

5) Точность ТЕС – 0.1 С

6) Температурный рабочий диапазон от -60С до +70С

рис 3. Плата управления (SDC)

II.3.3 Элемент Пельтье

Элемент Пельтье предназаначен для термостабилизации лазерного диода. Термостабилизация осуществляется по средством обратной связи которая обеспечивается с помощью термистора. В свою очередь управление элементом Пельтье происходит при помощи платы SDC.

рис4. Элемент пельтье

Основные характеристики элемента Пельтье:

1) Максимальное рабочее напряжение - 2В

2) Максимальный рабочий ток - 8.5А

3) Внешние размеры - 15 x 15 x 3.7мм

4) Максимальная мощность - 9.5Вт

5) Материал - Al2O3

6) Материал контакта - BiSn

7) Максимальная разница температур - 68°C

8) Рабочая температура - max. 138°C

9) Сопротивление - 0.24Ом


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

5474. Понятие о доказательной медицине. Основы теории вероятностей 76 KB
  Понятие о доказательной медицине. Основы теории вероятностей. Разновидность лекции: аудиторная. Методы обучения: Время: 2 (час.) Значение темы лекцииблагодаря развитию доказательной медицины и информационных технологий появилась возможность ос...
5475. Сырьё, вода и энергия в промышленности 432.5 KB
  Сырьё, вода и энергия в промышленности. План: Промышленные сырьевые ресурсы, их характеристика. Вода в промышленности. Производство и потребление энергии. Основные тенденции развития энергетики РФ на рубеже 21 века. Сырьевая база и структу...
5476. Коммутация в цифровых сетях 532.5 KB
  Коммутация в цифровых сетях Для предприятий малого и среднего бизнеса коммуникации на основе передачи данных, голоса и видео является критически важной составляющей ведения бизнеса. Следовательно, правильно спроектированная ЛВС (LAN) - это фунд...
5477. Історія економіки та економічної думки. Конспект лекцій 999.5 KB
  Історія економіки та економічної думки Предмет курсу, метод та функції Економічне життя суспільства є надзвичайно багатогранним. Його вивчає система економічних наук, яка об'єднує науки про загальні закони економічного розвитку, галузеві економ...
5478. Общая характеристика стратегического управления 64 KB
  Общая характеристика стратегического управления Значение стратегического управления в общем менеджменте. Основные этапы развития менеджмента. Содержание и характеристика стратегического менеджмента. Значение стратегического у...
5479. Теория предела. Числовые последовательности. 227.5 KB
  Теория предела. Числовые последовательности. Функция, заданная на множестве натуральных чисел, называется числовой последовательностью. Т.е., если каждому натуральному числу n поставлено в соответствие определенное число, то говорят, что зада...
5480. Информационно-коммуникационные сети. Курс лекций 2.23 MB
  Инфо-коммуникационные сети Лекция 1. Сети связи, их характеристики, место корпоративных сетей В соответствии с ФЗ О связи сеть связи – это технологическая система, включающая в себя средства и линии связи. В научной литературе дается др...
5481. Особенности организации труда 77.5 KB
  Теоретические основы организации труда. Основные понятия организации труда. Организация труда или организационные отношения - это форма, в которой реализуются экономические результаты трудовой деятельности. Поэтому организация труда...
5482. Анатомо-физиологические особенности и морфофункциональное обеспечение двигательной активности детей 102.5 KB
  Анатомо-физиологические особенности и морфофункциональное обеспечение двигательной активности детей План Закономерности роста и развития детей Анатомо-физиологические особенности Внутриутробное развитие двигательной активности...