Радиотехника и электроника, 2021, T. 66, № 12, стр. 1240-1244

ВВЕДЕНИЕ

Моноимпульсные лазеры на алюмоиттриевом гранате с ионами Nd³⁺ (АИГ: Nd³⁺) с поперечной накачкой активного элемента решетками лазерных диодов (РЛД) заменяют лазеры с ламповой накачкой в таких системах, в которых от лазеров требуется частота повторения импульсов в несколько десятков герц, длительный ресурс, низкое энергопотребление, низкий уровень электромагнитных помех, малые вес и габариты, работоспособность в широком диапазоне температур окружающей среды [1]. К недостаткам лазеров с диодной накачкой следует отнести прежде всего необходимость прецизионной термостабилизации лазерных диодов (ЛД) из-за смещения длины волны ЛД (808 нм) при увеличении их температуры со скоростью 0.3 нм/°С из-за повышения температуры окружающей среды и саморазогрева ЛД при повышении частоты повторения импульсов. Это обстоятельство приводит к рассогласованию со спектром поглощения ионов Nd³⁺ и, как следствие, к падению эффективности системы накачки [2]. Для этого температуру корпуса РЛД, на который контактным способом отводится тепло, выделяющееся в ЛД, необходимо оперативно изменять с помощью термоэлементов Пельтье и системы обратной связи за время переходных процессов (~15 мин) в ЛД после включения лазера. Отказаться от сложной и габаритной системы прецизионного термостатирования позволяют многоспектральные РЛД, излучающие в диапазоне 790…830 нм и состоящие из нескольких (от двух до пяти) групп линеек ЛД [3, 4]. Каждая группа излучает в отличном от других групп спектральном поддиапазоне, который при определенной температуре хорошо согласуется со спектром поглощения ионов Nd³⁺. Однако при большой частоте повторения импульсов из-за саморазогрева ЛД, как показано в [5], эффективнее использовать моноспектральные решетки. Благодаря существенному снижению тепловыделения в активном элементе при диодной накачке (примерно в три раза по сравнению с ламповой накачкой) становится возможным его охлаждение контактным способом с отводом тепла на радиатор, через который прокачивается морозостойкая жидкость [5]. В отличие от часто применяемых осесимметричных конструкций квантронов [6] с активным элементом, помещенным в прозрачную трубку, по которой протекает охлаждающая жидкость, в конструкции квантрона с радиатором отсутствует воздействие изучения РЛД на хладагент. Поэтому в качестве хладагента могут применяться морозостойкие жидкости (тосол, антифриз, спирт), подверженные фотодиссоциации в случае “лампового” квантрона или “диодного” квантрона осесимметричной конструкции. Новая элементная база, содержащая РЛД, которые постоянно совершенствуются, стимулирует разработчиков изменять конструкции квантронов, оптические схемы излучателей, устройство источников питания и систем охлаждения. Одна из актуальных задач при разработке лазеров на АИГ:Nd³⁺ с диодной накачкой с энергией моноимпульсов излучения 50…100 мДж и длительностью ~10 нс по уровню 0.5 от амплитуды заключается в повышении частоты повторения моноимпульсов и обеспечении работоспособности в широком диапазоне температур окружающей среды. Это необходимо для систем экологического мониторинга, технологических комплексов, авиационных лидаров.

В данной работе для решения этой задачи исследованы дополнительные возможности применения лазерных резонаторов на основе оптических схем четырехпроходовых усилителей с накачкой активного элемента моноспектральными РЛД.

1. ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ КВАНТРОНА

В работах авторов [4] была предложена и испытана конструкция квантрона с односторонней боковой накачкой активного элемента из АИГ:Nd³⁺ цилиндрической формы (диаметр 8 мм, длина 100 мм) двумя последовательно соединенными многоспектральными РЛД. От корпусов РЛД и активного элемента тепло контактным способом отводилось на радиатор, охлаждаемый морозостойкой жидкостью. В результате исследования генерационных и тепловых режимов работы лазера была проведена оценка температуры лазерных диодов вследствие их саморазогрева и сделан вывод о целесообразности замены многоспектральных РЛД на моноспектральную РЛД, оптимизированную по спектральным характеристикам под выбранный режим накачки. В данной работе применен квантрон с указанным выше активным элементом, который накачивался двумя моноспектральными РЛД типа ИЛПИ-141.

Проведенные в конструкции РЛД изменения были направлены на повышение эффективности контактного отвода тепла от лазерных диодов к корпусу РЛД и на увеличение площади излучающей области. В новом квантроне был также улучшен теплоотвод от активного элемента и корпусов РЛД на радиатор и введено дополнительное воздушное охлаждение. Конструкция квантрона с односторонней боковой накачкой и односторонним теплоотводом обусловливает применение в резонаторе лазера призмы-крыши, устраняющей влияние на выходные параметры лазера как термического клина в активном элементе, так и неравномерности распределения коэффициента усиления в поперечном сечении активного элемента.

2. ОПТИЧЕСКАЯ СХЕМА РЕЗОНАТОРА

Расположенная рядом с торцом активного элемента призма-крыша “делит” своим ребром при 90-градусной вершине поперечное сечение элемента пополам и тем самым создает условия для построения схемы резонатора с зеркалами. Одно из зеркал имеет полностью отражающее покрытие и прямоугольный край, который параллелен ребру призмы-крыши и также “делит” поперечное сечение активного элемента пополам, а второе зеркало является частично прозрачным. Для того чтобы уменьшить лучевую нагрузку на расположенный рядом с этим зеркалом электрооптический элемент, который обладает невысокой лучевой прочностью, коэффициент пропускания зеркала выбирают меньше оптимального, что приводит к уменьшению КПД лазера. Трансформация такого резонатора в резонатор с “поляризационным” выводом излучения (рис. 1, схема 1 ), в котором лучевая нагрузка на электрооптический элемент заметно (примерно в два раза) снижена, позволяет сформировать при соответствующей азимутальной ориентации четвертьволновой пластины оптимальный коэффициент отражения “поляризационного” зеркала.

При небольших коэффициентах усиления в активном элементе с помощью четвертьволновой пластины, расположенной между торцом активного элемента и призмой-крышей, как показано в [5], возможно сформировать “поляризационное” зеркало с оптимальным коэффициентом отражения, несмотря на деполяризующее свойство призмы-крыши [7]. Сформировать более прозрачное оптимальное зеркало, что необходимо при повышении энергии импульсов накачки с целью увеличить выходную энергию моноимпульсов излучения лазера, как следует из [8], возможно, если принять во внимание периодическую природу поляризационных эффектов. Для этого необходимо ввести в оптическую схему еще одну четвертьволновую пластину, которая компенсирует деполяризующее свойство призмы-крыши (рис. 2, схема 2 ).

Как следует из расчета состояний поляризации лазерного излучения, проведенного с помощью матриц Джонса [9], на выходе четырехпроходового усилителя, положенного в основу этих оптических схем при соответствующей азимутальной ориентации четвертьволновых пластин, отношение мощности излучения, отраженного от пластины-поляризатора (5 на рис. 1 и 4 на рис. 2), к мощности излучения, падающего на него, составляет величину Т₁ для схемы 1 и величину Т₂ для схемы 2 . Величины Т₁ и Т₂ рассчитываются по следующим формулам:

где $\delta $ – фазовый сдвиг между волнами с ортогональными поляризациями из-за разного скачка фаз при полном внутреннем отражении от граней призмы-крыши, $\varphi $ – угол кристаллографической оси z пластины λ/4, с плоскостью максимального пропускания пластины-поляризатора. Фазовый сдвиг $\delta $ при падении излучения по нормали на входную грань призмы-крыши составляет величину, близкую к 90° [7]: где $n$ – показатель преломления материала призмы-крыши (при $n$ = 1.55, $\delta $ = 90°).

Из формул (1), (2) следует, что в резонаторе с оптической схемой 2 (см. рис. 2) коэффициент пропускания “поляризационного” зеркала может быть установлен оптимальным в более широком диапазоне энергий импульсов накачки. Таким образом, в лазере с оптической схемой 2 возможно увеличить выходную энергию моноимпульсов излучения без увеличения лучевой нагрузки на электрооптический элемент. К тому же в схеме 2 величина коэффициента отражения “поляризационного” зеркала менее критична к повороту четвертьволновой пластины (по сравнению со схемой 1 ), что делает установку оптимального зеркала в режиме генерации моноимпульсов излучения более безопасной.

3. РЕЖИМЫ РАБОТЫ ЛАЗЕРА

Изменение коэффициента поглощения излучения накачки в активном элементе из-за рассогласования спектров приводит как к изменению эффективности системы накачки, так и к изменению распределения инверсной населенности в поперечном сечении активного элемента. Отвод тепла контактным способом от активного элемента не обеспечивает прецизионной стабилизации его температуры, что сопровождается изменениями величины поперечного сечения стимулированного излучения ионов Nd³⁺. Эти обстоятельства могут привести к тому, что в момент включения “холодного” лазера или включения лазера после небольшой паузы длительностью несколько минут максимальная плотность энергии моноимпульсов может превысить допустимую величину и привести к оптическому пробою наиболее нестойких к излучению компонентов резонатора. Благодаря применению призмы-крыши в оптической схеме резонатора на рис. 2 создается равномерное распределение инверсной населенности в направлении активный элемент–РЛД при любом значении энергии импульсов накачки и любом спектральном составе ее излучения. При переводе лазера в режим включения добротности после окончания свободной генерации, в котором стабилизируется максимальная плотность энергии, становится возможным работать как в стационарном, так и в переходных режимах, не подвергая лучевой перегрузке компоненты резонатора [4, 10]. Тогда дальнейшая задача стабилизации выходных энергетических параметров сводится к контролю и управлению тепловыми режимами лазера.

Оценка изменения температуры ЛД в моноспектральных РЛД в результате саморазогрева с увеличением частоты повторения импульсов, проведенная по методике, изложенной в [5], свидетельствует о значительном увеличении (в 1.5 раза) эффективности контактного отвода тепла от ЛД на корпус РЛД по сравнению с многоспектральными РЛД, рассмотренными в работах [4, 5]. Это обстоятельство вместе с конструктивными изменениями квантрона и применением воздушного (дополнительно к жидкостному) охлаждения позволяет увеличить частоту повторения импульсов и обеспечить работоспособность лазера в более широком диапазоне температур окружающей среды за счет коммутации режимов охлаждения (воздушно-жидкостного, только жидкостного, только воздушного). На рис. 3 представлены экспериментальные зависимости энергии моноимпульсов излучения от частоты повторения моноимпульсов при различных режимах охлаждения. Значения температуры лазерных диодов Т_ЛД, определенных по методике из [5] приведены для режима воздушно-жидкостного охлаждения.

Как видно из рисунка, при увеличении частоты повторения на 10 Гц температура лазерных диодов увеличивается на 10° вследствие их саморазогрева, а длина волны излучения диодов смещается на 3 нм, что приводит к рассогласованию спектров поглощения ионов неодима и излучения диодной накачки и, как следствие, к падению энергии моноимпульсов излучения. Увеличение температуры лазерных диодов при снижении охлаждения приводит к более быстрой деградации энергии моноимпульсов с увеличением частоты повторения. Однако при отрицательных температурах окружающей среды отключение жидкостного охлаждения должно привести к росту энергии моноимпульсов.

Используя данные, представленные на рис. 3, с учетом эквивалентности нагрева лазерных диодов при увеличении температуры окружающей среды Т_ос на 10°С или увеличении частоты повторения на 10 Гц можно построить предполагаемые зависимости энергии моноимпульсов от частоты повторения при температурах Т_ос 15 и 0°С путем сдвига зависимости энергии моноимпульсов от частоты повторения при Т_ос = 20°С на 5 и 20 Гц соответственно.

Из частотных энергетических характеристик в режиме свободной генерации, представленных на рис. 4, видно, что при Т_ос = 0°С выходные энергетические параметры лазера при частоте повторения 30 Гц полностью восстанавливаются. Такой же эффект можно ожидать при Т_ос = 20°С, стабилизируя температуру охлаждающей жидкости вблизи 0° с помощью термоэлементов Пельтье, расположенных непосредственно в системе охлаждения, удаленной от излучателя.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Применение резонатора на основе оптической схемы четырехпроходового усилителя с двумя четвертьволновыми пластинами позволяет увеличить выходную энергию моноимпульсов излучения лазера на АИГ:Nd³⁺ с односторонней боковой накачкой активного элемента моноспектральными решетками лазерных диодов. Моноспектральные решетки с эффективным отводом тепла от лазерных диодов обеспечивают работоспособность лазеров при увеличении частоты повторения моноимпульсов и расширении диапазона температур окружающей среды с помощью коммутации различных режимов охлаждения квантрона и стабилизации температуры охлаждающей жидкости.