Схемы с оптическими системами подвода излучения накачки

Основным недостатком схем с прямым подводом из­лучения является невысокая плотность упаковки линеек лазерных диодов вокруг активного элемента, что обусло­влено большими поперечными размерами источников накачки. Для получения хорошей эффективности погло­щения мощности накачки диаметр диффузного отража­теля не должен превышать 10-15 мм. При таких гео­метрических размерах отражателя вокруг активного эле­мента в непосредственной близости от отражателя более трех-пяти линеек разместить не удается. По этой причине невозможно получить высокие плотности мощности на­качки на единицу длины активного элемента. Использо­вание большего числа линеек требует их размещения на большем расстоянии от активного элемента, что приво­дит к необходимости использования оптических систем фокусировки и подвода излучения для согласования раз­меров накачиваемой области с размерами выходной апертуры. Поскольку любая оптическая система вносит потери, применение оптических систем подвода излуче­ния снижает эффективность поглощения мощности на­качки и заметно усложняет конструкцию квантрона, его сборку и юстировку. Кроме того, оптические системы подвода дают заметный вклад в стоимость квантрона.

Одним из вариантов подвода излучения накачки яв­ляется использование тонких стеклянных пластин (рис.8). В непосредственной близости от одного из кон­цов пластины располагается линейка полупроводнико­вых диодов, а другой ее конец вводится в полость диф­фузного отражателя. Торцевые поверхности обоих кон­цов пластины просветляются на длину волны накачки. Излучение накачки распространяется по пластине за счет полного внутреннего отражения от ее боковых граней. Коэффициент передачи излучения накачки через такие пластины равен 97 % -98 %. Суммарная эффек­тивность поглощения мощности накачки составляет 89 %. Тем самым для лазеров на YAG: Nd 3+ дости­гаются КПДдифф = 53 % и КПДполн = 38 % (табл.3).

Использование матриц вместо линеек или поперечное размещение линеек относительно оси активного элемен­та позволяет получить еще более высокие плотности мощности накачки. При этом для подвода излучения на­качки к активному элементу используются специальные фокусаторы (wedge lens, lens duct и др.). Распространяясь в них за счет полного внутреннего отражения, пучок из­лучения накачки сжимается в несколько раз (обычно в 8 - 10 раз) в направлении, перпендикулярном оптической оси активного элемента. Во столько же раз увеличива­ется расходимость пучка накачки, что обеспечивает бо­лее однородную прокачку активного элемента.

В работах [8,9] представлена схема квантрона с подобным способом подвода излучения накачки при ис­пользовании диффузного отражателя (рис.9). Коэффици­ент передачи излучения фокусаторами достигает 95 %. В этом случае суммарная эффективность поглощения мощ­ности накачки составляет ~ 80 % при хорошей однород­ности профиля поглощенной мощности по объему актив­ного элемента. Тем самым для лазеров на YAG: Nd3+ достигаются КПДдифф =  65 % и КПДполн = 53 % [45].

В работе [10] рассматривается схема подвода излуче­ния накачки от трех источников с помощью соединенных в моноблок трех стеклянных фокусаторов (transduct). При использовании этой схемы накачки разработчики получили высокую погонную плотность мощности на­качки, равную 250 Вт/см (порог разрушения для кристал­ла YAG: Nd3+ составляет около 600 Вт/см), при хорошей однородности распределения инверсной населенности в активном элементе. Из-за низкого коэффициента погло­щения в активном элементе и отсутствия внешнего от­ражателя лазерный излучатель на основе этого квантрона имеет относительно невысокие дифференциальный и полный КПД - 35 % и 29 % соответственно.

Широкое применение в квантронах находят оптиче­ские системы подвода излучения на основе цилиндриче­ских оптических элементов, позволяющие увеличить по гонную плотность мощности накачки. Чаще всего в та­ких системах используются цилиндрические микролинзы (диаметром до 3 мм), которые размещаются в непосред­ственной близости от полупроводникового излучателя и фокусируют излучение накачки на активный элемент че­рез входные окна на поверхности отражателя (рис.10).

Указанные системы подвода излучения накачки вносят заметные потери при прохождении через них из­лучения. Это обусловлено рядом причин, основными из которых являются потери на отражение и поглощение в оптических элементах, а также на виньетирование излу­чения входными окнами отражателя. В результате эф­фективность поглощения мощности накачки составляет 60 % -80 %. Кроме того, профиль поглощенной мощно­сти накачки в активном элементе имеет ярко выражен­ный максимум на оси этого элемента. При использова­нии такого квантрона дифференциальный и полный КПД лазеров на YAG: Nd3+

достигают 37 % и 32 % соответ­ственно (табл.4). В работах [11,12] рассмотрены аналогичные варианты построения квантронов, но без

внешнего отражателя. Общая эффективность таких схем на 10 % -15 % ниже, чем схем с внешним отражателем.

Использование более сложных оптических систем подвода излучения позволяет достичь однородного про­филя поглощенной мощности и эффективности поглоще­ния мощности накачки свыше 80%. При этом сущест­венно возрастают сложность и стоимость конструкции квантрона. В [13, 14] предложена схема подвода излуче­ния, состоящая из набора цилиндрических линз и трапе­цеидальных фокусаторов (рис.11). С помощью этой оп­тической системы излучение вводится внутрь полости диффузного отражателя. Эффективность поглощения мощности накачки составляет 82 %. Данная схема обес­печивает очень хорошую однородность распределения поглощенной энергии (рис.12). При использовании этой схемы накачки для лазеров на YAG: Nd3+ были достиг­нуты КПДдифф =  41 % и КПДполн = 32 %.

Большой эффективностью обладают волоконные си­стемы подвода излучения (рис.13). Схема накачки с волоконным подводом излучения относительно компак­тна, конструктивно более проста и рациональна. Эта схе­ма не требует размещения полупроводниковых излуча­телей вблизи активного элемента, что дает большую сво­боду выбора конструкции квантрона, позволяет умень­шить его массогабаритные параметры, а также получить большие плотности мощности накачки - свыше 200 – 300 Вт/см. Главным недостатком опять является большая стоимость и сложность такой системы подвода излуче­ния (в первую очередь эффективной оптической системы ввода излучения в волокно). При использовании воло­конного подвода излучения для лазеров на YAG: Nd3+ были достигнуты КПДдифф = 46 % и КПДполн = 43 %.

В работе [15] предложена оригинальная схема воло­конного подвода излучения накачки к активному элементу (рис.14).

Оптические волокна, по которым оно подводит­ся, размещаются вплотную к образующей активного эле­мента вдоль его оптической оси. У оптического волокна в области контакта его с поверхностью активного элемен­та удаляется оболочка, и поскольку показатель прелом­ления активного элемента больше, чем у центральной жилы волокна, излучение из волокна вводится в актив­ный элемент. Эффективность поглощения излучения на­качки в такой схеме достигает 90 %. При большом числе волокон вокруг образующей удается получить большую плотность мощности накачки и хорошую однородность профиля поглощенной мощности накачки.

Еще одним способом доставки излучения накачки к активному элементу является использование параболи­ческого концентратора. Концентратор представляет собой конструкцию из двух соединенных параболических сегментов, фокусы которых лежат на противоположных сегментах (рис.15). Один конец концентратора заведен в полость диффузного отражателя, а у другого конца раз­мещается сборка полупроводниковых диодов. Коэффи­циент сжатия пучка достигает 13, что дает большую рас­ходимость излучения накачки и обеспечивает высокую однородность профиля поглощенной мощности накачки. Коэффициент передачи излучения такой системы равен - 90 %.

Практический интерес представляет схема накачки, предложенная в [16]. В этой схеме излучение накачки с помощью системы цилиндрических линз и поворотных зеркал фокусируется на активный элемент (рис.16).

 

Всего в схеме находятся 32 подобных канала накачки, располо­женные симметрично относительно боковой поверхно­сти активного элемента. Распространение излучения накачки в полости зеркального отражателя с многократ­ным прохождением его через активный элемент обеспе­чивает однородное поглощение. Поворотом зеркал попе­рек оптической оси излучение накачки фокусируется в нужную область внутри активного элемента, тем самым появляется возможность варьировать в широких преде­лах профиль поглощенной мощности накачки в актив­ном элементе. Эта схема накачки позволяет сформиро­вать гауссов профиль инверсной населенности, что обес­печивает эффективную генерацию низшей ТЕМоо-моды (табл.5).

 

В одномодовом режиме дифференциальный КПД лазеров с такой схемой накачки достигает 56 %, а эффективность поглощения мощности накачки - 90 %. Рассчитанные распределения поглощенной энер­гии при различных углах поворота зеркал показаны на рис.17.

В [17] представлена схема подвода излучения на­качки с помощью эллиптических зеркал, заимствованная из систем с ламповой накачкой. Эллиптические сегменты жестко соединены с корпусом полупроводникового излу­чателя. В одном из фокусов каждого эллиптического сег­мента размещается активный элемент, а в другом - вы­ходная апертура линейки полупроводниковых диодов (рис.18). Коэффициент передачи излучения накачки та­кой схемы составляет 80 %. Из-за сильной фокусиров­ки излучения эллиптическими отражателями профиль поглощенной мощности накачки имеет большую неоднородность.

С исследовательской точки зрения стоит еще обра­тить внимание на работу [18], в которой подробно рассматривается вопрос об эффективности запасания энергии накачки (отношение запасенной энергии к энер­гии накачки) при разных формах и материалах отража­теля. На рис.19 изображены схемы поперечной накачки активного элемента с отражателями разной формы.

В этих схемах цилиндрический активный элемент помеща­ется внутри отражателя в твердую иммерсионную среду с близким показателем преломления. Это позволяет до­биться более однородного профиля инверсной населен­ности. Отражающее покрытие может быть зеркальным и диффузным. Зависимости эффективности запасания энер­гии накачки от оптической плотности среды для приве­денных на рис.19 схем накачки при использовании зер­кального отражателя показаны на рис.20.

Существует много альтернативных способов получе­ния однородного профиля поглощенной мощности на­качки по сечению активного элемента. Одним из них яв­ляется матирование цилиндрической образующей актив­ного элемента. В матированных активных элементах, по сравнению с полированными, достигается более однородный профиль поглощенной мощности накачки за счет отсутствия фокусировки излу­чения накачки цилиндрическими поверхностями. Кроме того, матирование позволяет подавить паразитные ос­цилляции поля на границах активного элемента (моды шепчущей галереи) и при отражении от стенок отража­теля. Это особенно важно при работе лазеров в режиме модуляции добротности, в котором неподавленные па­разитные осцилляции существенно уменьшают накоп­ленную инверсную населенность. Однако матирование приводит к появлению на образующих поверхностных микротрещин, которые приводят к существенному сни­жению термомеханического порога разрушения актив­ного элемента. Возможно также матирование и внутренней поверхности трубки охладителя, что еще больше повышает однородность профиля поглощенной мощно­сти накачки.

Получить однородный профиль поглощенной мощ­ности накачки можно и за счет температурной отстройки максимума длины волны излучения полупроводниковых диодов накачки от максимума спектра поглощения ак­тивного элемента на 2-4 нм. Отстройка позволяет уменьшить эффективный коэффициент поглощения из­лучения накачки, что обеспечивает более равномерное поглощение в объеме активного элемента, но уменьшает эффективность поглощения мощности накачки. Такой подход является альтернативой использованию актив­ных элементов с меньшей концентрацией активатора.

Большие возможности получения необходимого про­филя поглощенной мощности накачки открывает ис­пользование керамических активных элементов. Техно­логия их производства позволяет изготавливать актив­ные элементы с любым профилем легирования в его сечении. Использование керамического активного эле­мента с легированной центральной областью позволяет получить более однородный профиль поглощенной мощ­ности накачки, чем использование аналогичного одно­родно легированного активного элемента. Например, ак­тивный элемент с легированной центральной областью, имеющей в сечении форму шестигранника, при прочих равных условиях имеет по сечению меньший градиент показателя преломления, что выражается в уменьшении параметра качества пучка М² примерно в три раза.

Зачастую для решения многих задач не требуются большие плотности мощности накачки на единицу дли­ны активного элемента и бывает достаточно размещения небольшого количества (двух-трех) линеек полупровод­никовых диодов вдоль образующей. При этом сложно получить однородный профиль поглощенной мощности накачки, особенно при использовании зеркальных отра­жателей. В данной ситуации выходом является такое раз­мещение групп линеек полупроводниковых диодов, при котором линейки развернуты вокруг оптической оси ак­тивного элемента относительно друг друга на некоторый угол. При этом интегральный профиль поглощенной мощности накачки по длине активного эле­мента становится близким к однородному.