Лазер твердотельный

Конструктивно твердотельные лазеры (ТТЛ) состоят из излучателя, блока питания, блока охлаждения и блока управления (при наличии элемента, управляющего режимом генерации). Типичная схема твердотельного лазера с ламповой накачкой приведена на рис.4.1.

Электрическая энергия от блока питания в лампе накачки преобразуется в световую энергию. Часть этой энергии с помощью осветителя фокусируется внутрь активного элемента. Как правило, осветитель представляет собой моноблок из кварцевого стекла (в ряде случаев кварц) в форме эллиптического цилиндра с полированной боковой поверхностью, покрытой слоем серебра (Рис.4.3). На внешний слой осветителя наносится защитное покрытие из меди и никеля. Активный элемент и лампа накачки расположены в каналах осветителя, просверленных по фокальным осям эллипса. Такая конструкция осветителя обеспечивает высокую эффективность передачи излучения от лампы к активному элементу. Обычно осветитель изготавливают из кварцевого стекла с лигирующими добавками, которое не пропускает вредного для активного элемента УФ излучения лампы накачки. Это позволяет использовать во внутреннем контуре системы охлаждения лазера дистиллированную воду без каких либо фильтрующих добавок и тем самым значительно повысить эксплутационные свойства лазера. Благодаря эллиптической форме осветителя распределение по сечению активного элемента имеет максимум в центральной части, что увеличивает эффективность лазерного излучения.

В качестве активных элементов для ТЛ, наиболее широко используют стержни из неодимового стекла и итриево-алюминиевого граната. Достоинством неодимовых стекол является низкий порог возбуждения, низкая стоимость и простота производства, высокая оптическая однородность, возможность изготовления активных элементов практически любых размеров. К недостаткам неодимового стекла следует отнести относительно низкую теплопроводность и высокий коэффициент теплового расширения, что ограничивает возможность работы лазера с высокой частотой следования импульсов. Спектрально-генерационная и физико-химическая характеристики отечественных и зарубежных стекол достаточно полно изучены. Лазеры на иттриево-алюминиевом гранате, благодаря хорошей теплопроводности, могут работать при больших частотах следования импульсов. Низкий порог генерации позволяет работать в непрерывном режиме. Важной особенностью Nd:YAG- лазеров яляется то, что они позволяют получать практически все известные режимы генерации: модуляции добротности, синхронизации мод, разгрузки резонатора, сдвоенной модуляции, а в отсутствии внешнего модулирующего воздействия- режим свободной генерации. В случае непрерывной накачки твердотельные Nd- лазеры позволяют проводить высокоскоростную обработку. типичный частотный диапазон современных Nd- лазеров изменяется в пределах 0,05–50 кГц, сохраняя среднюю мощность 20–50 Вт.

Рисунок 4.2 - Схема твердотельного лазера с ламповой накачкой.

1 – активный элемент; 2 – лампа накачки; 3 – блок питания; 4 – осветитель; 5 – блок управления; 6 – управляющий элемент; 7 – зеркала резонатора; 8 – излучатель; 9 – блок охлаждения; 10 – выходное излучение.

Рисунок 4.3 - Сечение осветителя.

1 – активный элемент; 2 – лампа накачки; 3 – осветитель; 4 – отражающий слой.

В качестве управляющего элемента применяют акустооптический затвор (АОЗ). В АОЗ вследствие дифракции лазерного луча на УЗ волне, возбуждаемой в среде, часть потока, прошедшего через затвор, отклоняется от первоначального направления и не принимает участия в генерации, т.е. в резонатор вносятся дополнительные потери. Когда коэффициент суммарных потерь превышает коэффициент усиления, генерация прекращается. В отсутствии генерации под действием непрерывной накачки происходит возрастание инверсной населенности. После быстрого переключения затвора в состояние с малыми потерями начинает развиваться генерация и запасенная энергия излучается в виде “гигантского” импульса. Звукопровод затвора изготавливают из высококачественного плавленого кварца с просветленными боковыми гранями. Продольная звуковая волна возбуждается преобразователем из кристаллического кварца.

В случае импульсной накачки, когда коэффициент усиления (~0,5-0,8 см^-1) почти на порядок превосходящий коэффициент усиления (~0,05- 0,1) при непрерывной накачке, для модуляции добротности широко применяются электрооптические затворы (ЭОЗ), работа которых основана на эффектах Поккельса и Керра (создание искусственной оптической анизотропии, а, следовательно, и двойного лучепреломления в кристаллах, помещенных в электрическое поле). Эффект Керра квадратичен по полю: величина двойного лучепреломления пропорциональна квадрату напряженности электрического поля. (k- постоянная Керра, n- показатель преломления). Наибольшее распространение получили ЭОЗ на основе линейного по полю эффекта Поккельса (линейного оптического эффекта) в одноосных кристаллах без центра симметрии. Основные кристаллы, используемые для ЭОЗ: KH₂PO₄ (KDP), KD₂PO₄ (DKDP), LiNbO₃, LiTaO₃, BaTiO₅, Ba₂NaNb₂O₁₅, CsD₂AsO₄ (DCDA) и ряд других.

Довольно часто на практике используют пассивные модуляторы добротности, принцип действия которых основан на свойстве фототропных сред, резонансно поглощающих на частоте лазера, изменять коэффициенты поглощения (просветляться) под действием интенсивного светового потока. Для Nd:YAG- лазеров обычно используют различные лазеры полимерных красителей, тепло-физические и физико-химические свойства которых не позволяют работать с частотой выше нескольких Гц. Кюветы с растворами этих красителей изготавливают в едином блоке с глухим зеркалом резонатора и присоединяют к устройству прокачки резонатора.Освоены просветляющие фильтры на основе кристаллов с поглощающими F-центрами. Такие затворы позволяют поднять частоту следования импульсов до 50 Гц.

Увеличение выходной мощности Nd:YAG ТЛ возможно за счет дальнейшего совершенствования и повышения качества активных элементов стержней (в традиционных конструкциях, а также за счет разработок новых схем, в которых активный элемент изготовлен в виде пластины прямоугольной формы). При такой геометрии градиенты температуры оказывают меньшее влияние (на 2 порядка) на выходном излучении, что позволяет существенно увеличить мощность при хорошем качестве пучка. При обычной стержневой геометрии тепловые градиенты являются радиальными и перпендикулярными оси стержня. При этом высокая эффективность накачки достигается ценой потери однородности пучка. В случае пластинчатой геометрии накачка и охлаждение активного элемента осуществляется с лицевых сторон пластины. Если направление излучения выбрано таким образом, что распространяющийся луч испытывает одинаковое интегральное усиление и фазовый сдвиг в любом участке пучка вдоль его пути в лазерной среде, то фазовые и амплитудные испарения отсутствуют. При этом высокая эффективность накачки луча будет совмещаться с высоким качеством луча, даже при увеличении средней мощности. Такая геометрия позволяет:

- сориентировать напряжения в одном направлении;

- использовать зигзагообразный путь в целях уменьшения фокусирующего влияния напряжений;

Типичная схема лазера с пластинчатой геометрией приведена на рисунке 4.4. Конструктивно лазер с пластинчатой геометрией может быть двух типов:

1.Зигзагообразный лазер. Лазер, в котором используется одна пластина,

что позволяет получать выходную мощность до нескольких кВт;

2. Дисковый лазер - лазер, активный элемент которого набран из ряда пластин, что принципиально не дает возможность получить сколь угодно большую мощность.

Существенным методом увеличения КПД и стабильности ТТЛ является использование узкополосых источников накачки – лазерных диодов и однородных матриц. Лазерные диоды (ЛД), в отличие от ламп, имеют узкую спектральную линию излучения, позволяющую обеспечить практически идеальное согласование их спектра излучения с полосами поглощения активного элемента. В сочетании с высоким КПД ЛД это дает возможность в 5…10 раз увеличить КПД ТТЛ в широком диапазоне мощности (энергии) накачки, снизить потребляемую электрическую мощность, избавиться от громоздких систем питания, и охлаждения. Полупроводниковые источники накачки позволяют в широком диапазоне регулировать длительность и форму импульса накачки, стабилизировать энергию накачки, а следовательно улучшить характеристики генерации ТТЛ и увеличить их универсальность и ресурс. В настоящее время для накачки ТТЛ разрабатываются мощные ЛД и решетки на их основе с выходной мощностью 100-500 мВт, в непрерывном режиме.

Рисунок 4.4 - Схема лазера с пластинчатой геометрией. 1 - активный элемент в виде пластины; 2 - лампы накачки; 3 - управляющий элемент; 4 - зеркала резонатора; 5 – пленкоизоляторы; 6 – отражатель.

В настоящее время исследуются новые перспективные лазерные среды, позволяющие повысить КПД генерации, энергию и среднюю выходную мощность на единицу объема активной среды, снизить порог генерации и получить перестраиваемую генерацию в широком спектральном диапазоне. Один из путей увеличения эффективности активных сред - введение в кристаллическую решетку матрицы дополнительных ионов, поглощающих не используемую активной средой часть энергии излучения накачки и передающих энергию возбуждения излучающим ионам активной среды. Этот эффект называется сенсебилизацией люминисценции. Он хорошо работает применительно к кристаллам галлиевых гранатов. Перестраиваемый ТТЛ со сравнительно небольшой мощностью находит применение в промышленной медицине, научных исследованиях.

Большой прогресс достигнут в области разработки ТТЛ с ламповой накачкой, которые в ряде промышленных применений составляют конкуренцию мощным CO₂- лазерам. Примеры таких ТЛ приведены в таблице.4.1. Мощные Nd:YAG лазеры находят все большее применение благодаря своей компактности, высокой надежности, хорошему качеству излучения (высокая стабильность, малый диаметр луча при относительно небольшой расходимости), меньшему по сравнению с CO₂- лазерами коэффициентом отражения от металлов. При дальнейшем увеличении мощности до 500…1000 Вт лазеры серии ЛТН-100 смогут широко применяться в различных областях лазерной термической технологии. Преимуществом Nd:YAG- лазеров является также является тот факт, что для систем транспортировки излучения используется традиционная стеклянная или кварцевая оптика. Например, создана и серийно выпускается фокусирующая оптическая система СОК -1, в состав которой входят двух и четырехкратные телескопы с фокусным расстоянием 50 и 100 мм.

Таблица 4.1. ТТЛ с ламповой накачкой.

Таблица 4.2. Основные параметры лазеров серии ЛТН – 100.