Мощные импульсные DPSS лазеры ЮПИТЕР

 Применение

Лазер разработан для вакуумного распыления материалов в рамках проводимых в Физико-Техническом институте им. А.Ф.Иоффе РАН исследований по наноструктурам. Лазер может быть также использован для эффективной маркировки "на лету" быстро движущихся объектов (например, изоляции проводов и кабелей), для генерации гармоник фундаментальной полосы излучения, для лидарных систем и т.д.

Характеристики системы

Длина волны излучения 1064 нм
Энергия импульса 100-400 мДж
Длительность импульса 20-25 нс
Частота следования 100 Гц (400 мДж) - 400 Гц (100мДж)
Качество излучения М2 < 1.5

Описание системы

Лазер построен по схеме генератор-усилитель (МОРА) на 3-х квантронах с раздельным питанием квантрона генератора и 2-х квантронов усилителя. Накачка осуществляется 65 импульсными лазерными диодными линейками фирмы NG CEO, США мощностью по 100Вт каждая (при токе 90А и длительности импульса накачки 250 мкс). Генератор содержит электро-оптический затвор в виде Ячейки Поккельса с поляризатором. Усилитель развязан с генератором оптическим изолятором.

Состав системы

  • лазерный излучатель;
  • источники импульсного питания квантронов (драйверы e-Drive);
  • AC/DC преобразователи с выходными напряжениями 110 и 42 В: блок охлаждения (БО) лазера;
              

Оптическая схема лазерного излучателя

Оптическая схема системы приведена на Рис.1. Лазерный излучатель выполнен по схеме – задающий генератор (ЗГ) – двухкаскадный двухпроходовый усилитель (УС).

Активный элемент (АЭ) квантрона ЗГ накачивается с трех сторон 15 линейками лазерных диодов мощностью 100 Вт в импульсе каждая. Общая мощность накачки 1500 Вт при питающем импульсе тока 90А и длительности 250 мксек. Активный элемент ЗГ имеет размер Ø3 × 86 мм3.

Ячейка Поккельса для модуляции добротности выполнена на основе кристалла ДКДР с термостатированием кристалла. Она запирается напряжением 3-4.5 кВ и в момент максимальной инверсии происходит сброс напряжения за время 10 нс, получается короткий импульс излучения 25 – 30 нс.

Резонатор ЗГ плоский. Однако, при частоте следования импульсов 100 Гц, он превращается в плоско- сферический из-за возникающей в активном элементе (АЭ) тепловой линзы с фокусом около 1.4 м (при импульсах тока 90 А). Для увеличения диаметра выходного пучка квантрон расположен рядом с выходным зеркалом резонатора. Внутрирезонаторная диафрагма отсутствует, так как в обоих режимах формируется мода близкая к нулевой (М2~1.5) из-за большей величины прокачки вблизи оси (на Рис.2 приведена фотография интенсивности люминесценции на выходном торце АЭ ЗГ). Усиление слабого сигнала АЭ ЗГ на проход при величине тока 90 А превышает 10.

Каждый АЭ квантронов усилителя Ø5 × 94 мм3 накачиваются с пяти сторон 25 линейками лазерных диодов мощностью 100 Вт в импульсе каждая, общая световая мощность накачки 2500 Вт в импульсе длительностью 250 мкс при токе 90 А.

Распределение инверсной населенности в АЭ усилителя Ø5 × 94 мм3 приведено на Рис.3. Зависимость тепловой линзы квантрона от частоты следования импульсов при токе 90 А приведена на Рис.4.

Аморок измерения зависимости усиление слабого сигнала в каскаде усилителя от тока при длительности импульса накачки 250 мкс приведена на Рис. 5, а результаты измерений показаны на Рис. 6.

Для развязки ЗГ и УС, а также для защиты элементов ЗГ от деполяризованной части излучения УС используется изолятор Фарадея 9 на постоянных магнитах с апертурой 6 мм на кристалле TGG. Установленная перед ним 45-градусная кварцевая пластина 8 согласует азимуты поляризаций ЗГ и ЯФ.

Четвертьволновая фазовая пластинка нулевого порядка 13 поворачивает плоскость поляризации падающего излучения на ортогональную, в результате излучение выводится из лазерного излучателя через поляризатор 4.

[intech/optics.jpg]

Рис 1. Аморок лазера оптическая: 1,2 - R=100% и R=30% зеркала резонатора; 3 - электрооптический затвор; 4 - диэлектрические многослойные поляризаторы; 5 - 100% поворотные зеркала; 6 - квантрон задающего генератора; 7 - линза с f=37 см; 8 - пластина, вращающая поляризацию на 45 градусов; 9 - ячейка Фарадея на постоянных магнитах; 11, 12 - квантроны усилителя; 13 - фазовая четвертьволновая пластина нулевого порядка; 14 - 100% зеркало.

Распределение инверсной населенности в поперечном сечении АЭ

На Рис.2 приведена фотография распределения интенсивности люминесценции на выходном торце активного элемента ЗГ и соответствующее ей распределение интенсивности вдоль горизонтальной линии сечения, проходящей через центр АЭ.

[intech/intens1.jpg] [intech/image10.jpg]

Рис.2. Распределение интенсивности люминесценции (пропорциональна lnG, G- усиление) в отн.ед. от номера пикселя ПЗС-матрицы камеры в АЭ ЗГ и фотография распределения.

Видно, что прокачка АЭ имеет осесимметричный вид. Наиболее прокачен центр АЭ (диаметр приблизительно 2 мм.

На Рис. 3 приведены такие же распределения для АЭ усилителя с диаметром 5 мм. Оно также получено вдоль горизонтальной линии сечения, проходящей через центр АЭ.

[intech/image7.jpg] [intech/image13.jpg]

Рис.3. Распределение интенсивности люминесценции (в отн.ед.) от номера пикселя ПЗС-матрицы камеры в АЭ усилителя и фото распределения.

Результаты измерения тепловых линз при F = 40…100 Гц

Измерения проводились с помощью коллимированноного пучка гелий-неонового лазера. Определялось расстояние Ft от точки фокусировки до выходного торца АЭ

[intech/image17.jpg]

Рис.4. Длина теплового фокуса Ft (метров) для одного квантрона усилителя в зависимости от частоты следования импульсов f (Гц)

Усиление квантрона на один проход

Для измерения интегрального по сечению усиления использовалась стандартная методика - измерение усиления слабого сигнала непрерывного лазера на один проход. Все измерения проводились при t = 22 градусов Цельсия и токах от 30 до 90 А.

На Рис.5 приведены результаты измерения усиления одного каскада усилителя на один проход слабого сигнала.

[intech/image18.jpg]

Рис. 5. Зависимость усиления G слабого сигнала одним квантроном усилителя на проход от тока импульса накачки I (А).

Результаты измерения энергетических и временных характеристик

На выходе лазера получены импульсы с длительностью 25 нс и энергией 0.35 Дж при частоте следования импульсов 100 Гц. На выходе ЗГ энергия равна 30- 40 мДж. Ближнепольное распределение и дальняя зона излучения приведены на рисунке 7.

Отметим, что при работе на частоте следования 100 Гц становятся заметными потери вследствие деполяризации излучения в АЭ усилителя из-за возникающего двулучепреломления вследствие неравномерного выделения тепла. Потери на выходном поляризаторе достигают величины 30%, а ближнее поле пучка на выходе лазера имеет вид «мальтийского креста (Рис.6)

[intech/image19.jpg]

Рис.6. Распределение излучения в ближнем поле, искаженное потерями излучения на выходном поляризаторе из-за двулучепреломления, возникающего в активных элементах усилительных каскадов.

Потери удалось практически полностью устранить, установив между квантронами 900 вращающую плоскость поляризации пластину:

[intech/image20.jpg] [intech/image00.jpg]

Рисунок 7. Ближнее поле (слева) и дальняя зона (справа) излучения лазера в фокусе линзы 100 см