Аналитический обзор оптических схем накачки диодными матрицами твердотельных лазеров, работающих на длине волны 1064 нм.

Излучением с длиной волны 1064 нм обладают кристаллы АИГ-Nd, а так же неодимовые стёкла. Неодимовые стёкла обычно изготавливаются из кварцевого стекла с введением в него примеси неодима. Такие кристаллы более просты и дешевы в изготовлении, чем кристаллы АИГ-Nd, но обладают рядом отрицательных отличий таких как:

- меньшая температурная прочность (температура стеклования стекла 450-470 ^оС в отличие от температуры плавления АИГ-Nd 1910-1950 ^оС);

- меньшая физическая прочность;

- меньшая энергетическая инверсность ввиду меньшего времени жизни ионов 3-го метастабильного уровня и, как следствие, более низкий КПД.

Такие кристаллы, как правило, накачивают с помощью импульсных ламп или лазерных диодов, а не высокомощными диодными матрицами, поэтому рассмотрим варианты схем оптической накачки кристаллов АИГ-Nd.

 

Схемы накачки активных элементов

Существует два основных способа полупроводнико­вой накачки активной среды - продольная и поперечная накачка. К первому способу относятся схемы накачки ТТЛ, в которых излучение накачки вводится в активный элемент вдоль его оптической оси (направления распро­странения генерируемого излучения) или под небольшим углом к ней. Такая схема накачки позволяет создать ТТЛ с высоким КПД и обеспечить генерацию одномодового лазерного излучения и хорошую стабилизацию выход­ных параметров. Это связано с хорошим согласованием накачиваемого объема активного элемента и объема ге­нерируемой моды, малой длиной резонатора и малым числом юстируемых элементов. Однако схема продоль­ной накачки не позволяет накачать большой объем ак­тивной среды. Для этого используется специальная оп­тика и элементы для ввода излучения, что увеличивает стоимость устройств накачки и приводит к уменьшению эффективности. Кроме того, большую лучевую и тепло­вую нагрузку испытывает приторцевая область, через ко­торую излучение накачки вводится в активный элемент. С учетом сказанного выше ТТЛ с продольной накачкой являются наиболее предпочтительными в качестве зада­ющих генераторов и источников излучения со средними мощностями в единицы - десятки ватт.

Со времени появления полупроводниковых источ­ников накачки схемы поперечной накачки находят наибольшее применение в конструкциях ТТЛ, особенно в ТТЛ со средней и высокой мощностями. В схемах по­перечной накачки излучение вводится в активный эле­мент через его образующую (боковую поверхность), что позволяет осуществлять накачку всего объема активной среды без использования сложных систем подвода излу­чения. Это обеспечивает простое и эффективное масшта­бирование выходной мощности ТТЛ, а также позволяет реализовать равномерное по объему активного элемента поглощение излучения накачки, что существенно умень­шает тепловую нагрузку на него. В данном обзоре рас­сматриваются квантроны с поперечной накачкой, для ко­торых информация представлена наиболее полно.

 

Схемы поперечной накачки

В первую очередь стоит отметить, что конструкция квантрона с поперечной накачкой определяется главным образом подходом к реализации схемы накачки актив­ного элемента. Существуют два подхода - накачка с ма­лым числом проходов и многопроходная накачка, опре­деляемые числом проходов излучения накачки через сечение активного элемента. В большин­стве конструкций используется малое число проходов, причем большая часть излучения накачки поглощается преиму­щественно на первом проходе через активный элемент. Выбором геометрических размеров элементов квантрона, концентрации активатора активного элемента и па­раметров излучения накачки удается обеспечить форми­рование требуемого распределения инверсной населен­ности по сечению. В некоторых случаях используется многопроходное распространение излучения накачки при небольшом поглощении излучения за один проход. Это позволяет повысить однородность распределения по се­чению инверсной населенности, но выдвигает более жес­ткие требования к качеству используемых материалов и элементам конструкции.

Независимо от подхода к реализации схемы накачки в конструкции квантрона можно выделить следующие ос­новные элементы и узлы: активный элемент, источник накачки, узел ввода излучения накачки, отражатель. Оп­тимальные параметры всех этих элементов тесно связа­ны между собой и требуют комплексного подхода к их рассмотрению. Отправными элементами при проектиро­вании квантрона являются активный элемент и полупро­водниковый источник накачки. При выборе активного элемента необходимо решить ряд традиционных вопро­сов: о материале и форме активного элемента, концентрации активатора, матировке боковой поверхности, спо­собе охлаждения. Выбор полупроводникового источника накачки сводится к вы­бору компоновки полупроводниковых излучательных структур. Большинство современных статей посвя­щены исследованию квантронов для лазеров, работа­ющих в непрерывном и квазинепрерывном режимах. В этих режимах широкое применение находят полупровод­никовые линейки наряду с диодными матрицами. Важными вопросами явля­ются способ подвода излучения накачки к активному эле­менту, а также характеристики отражателя в квантроне. Эти два момента оказывают непосредственное влияние на общую эффективность квантрона. Одним из парамет­ров, характеризующих эффективность квантрона в це­лом, является эффективность поглощения мощности на­качки. При разработке квантрона, как правило, ставится задача получения максимальной эффективности. Другим важным параметром квантрона является распределение инверсной населенности по сечению активного элемента, которое определяется схемой подвода излучения накач­ки, образующей активного элемента и геометрическими параметрами самого квантрона.

В большинстве исследований оптимизация квантрона на­правлена на формирование равномерного по сечению распределения мощности накачки. Это позволяет, с од­ной стороны, в полной мере использовать объем актив­ного элемента, а с другой - реализовать параболическое распределение температуры по сечению активного эле­мента, что дает возможность эффективно компенсиро­вать термооптические искажения традиционными мето­дами линейной оптики. Оборотной стороной являются снижение общей эффективности ТТЛ, особенно в одномодовом режиме, и увеличение порога генерации из-за того, что генерируемые моды сосредоточены в основном в приосевой области активного элемента.