0689

1. Введение

В настоящее время твердотельные лазеры (ТТЛ) занимают заметное место по объему производства изделий фотоники. Они широко применяются в лазерных системах для обработки материалов, в медицине, военной технике, научных исследованиях, в системах с преобразованием частоты излучения, планируется их использование в перспективных системах лазерного термоядерного синтеза (ЛТС), в которых положительный выход энергии возможен лишь при использовании диодной накачки вместо ламповой. Твердотельные лазеры с диодной накачкой [1] обладают рядом преимуществ: высоким коэффициентом полезного действия, значительным ресурсом (более 109 импульсов для квазинепрерывного режима работы и более 10 000 ч для непрерывного режима), компактностью, легкостью управления и др.

С.Д.Таривердиев, А.В.Березуцкий. ООО «Лассард», Россия, 109316 Москва, Варшавское шоссе, д. 26, стр. 11; Национальный иссле­ довательский ядерный университет «МИФИ», Россия, 115409 Москва, Каширское­ ш., 31; e-mail: tariverdiyev91@mail.ru А.Е.Дракин, А.Л.Коромыслов. Физический институт им. П.Н.Ле­ бедева РАН, Россия, 119991 Москва, Ленинский просп., 53; e-mail: drakinae@lebedev.ru

О.В.Пагаев, А.И.Демидчик. ООО «Лассард», Россия, 109316 Москва, Варшавское шоссе, д. 26, стр. 11 Г.Т.Микаелян. ООО «Лассард», Россия, 109316 Москва, Варшав­

ское шоссе, д. 26, стр. 11; ООО «НПП ИНЖЕКТ», Россия, 410033 Саратов, ул. Элмашевская, влад. 3А, офис № 1; Национальный­ исследовательский ядерный университет «МИФИ», Россия, 115409 Москва, Каширское­ ш., 31

Поступила в редакцию 20 сентября 2022 г., после доработки – 12 апреля 2023 г.

Одной из ключевых задач при разработке квантронов твердотельных лазеров является оптимизация параметров, таких как равномерность распределения накачки и усиление по поперечному сечению АЭ, эффективность преобразования свет в свет, коэффициент усиления проходящего излучения [2 – 4].

Вряде работ [5 – 14] рассмотрены физические модели квантронов с поперечной диодной накачкой цилиндрических твердотельных активных элементов (АЭ), которые могут быть использованы при проектировании квантронов. В частности, в работах [5 – 11] рассмотрены модели для определения оптимальных параметров как по эффективности, так и по распределению излучения накачки по сечению активного элемента. Однако такие факторы, как неравномерное распределение по поперечному сечению излучения накачки, возникающее из-за технологических и конструктивных особенностей квантронов, реальный разброс длин волн накачивающих диодных лазеров

ивозможность оптимизации за счет соответствующего геометрического расположения диодных линеек по отношению к АЭ, в указанных моделях не учитывались.

Внастоящей работе исследована реальная модель квантрона с разбросом длин волн диодов накачки, которая учитывает, в том числе, неравномерность протекания охлаждающей жидкости (ОЖ) по каналам в плечах накачки, возникающую из-за конструктивной несимметричности расположения каналов по отношению к входному потоку. Предложена и реализована конструкция, обеспечивающая равномерность протока ОЖ по каналам плеч накачки и исключающая внесение дополнительного разброса по длине волны излучения накачки, который возникает при неравномерном отводе тепла от расположенных на разных плечах сборок диодных лазеров.

Реализована­ оптическая схема для эффективной накачки

иравномерного распределения поглощаемого в АЭ излучения, обеспечивающего равномерное распределение усиления по поперечному сечению АЭ. Учтено геометрическое расположение линеек по отношению к АЭ, а именно, углы падения излучения на поверхность АЭ и геометрические размеры излучающих областей диодных ла­ зерных сборок (линеек и решеток). Поскольку исходное распределение излучения диодных лазеров эллиптично, реализована также возможность изменения углов падения излучения на АЭ в параллельном и перпендикулярном к оптической оси квантрона направлениях. Кроме того, оптическая модель учитывает преломление на границах сред: воздух – кварцевая трубка, которая используется для охлаждения активного элемента, трубка – ОЖ, ОЖ – активный элемент, а также особенности поглощения излучения накачки в активном элементе.

Для достижения требуемого коэффициента усиления необходимо обеспечивать максимально возможное поглощение мощности накачки в активном элементе. На это влияет не только оптическая схема накачки, но и особенности поглощения активного элемента. Макси­ мум поглощения кристаллов, легированных ионами Nd3+(Nd : YAG) приходится на длину волны 808 нм и имеет полуширину порядка 3 нм. Значение коэффициента поглощения заметно меняется при изменении длины вол-

ны излучения накачки в пределах более 3 – 4 нм. Температурный сдвиг спектра излучения Dl/DТ ин-

жекционных лазеров в данном диапазоне спектра находится в пределах 0.28 – 0.3 нм/K. Разброс по длинам волн

диодных лазеров, изготовленных из гетероструктур одного эпитаксиального процесса, составляет Dl » ± 3 нм. Поэтому значения реальных длин волн излучения диодных лазерных линеек и рабочих температур диодов накачки квантрона являются важнейшими параметрами, которые необходимо учитывать при разработке конкретной конструкции квантронов для твердотельных лазеров

иусилителей с диодной накачкой.

2. Конструкция и характеристики твердотельных усилителей с диодной накачкой

Классический твердотельный квантрон с диодной накачкой состоит из следующих элементов: АЭ, наборы линеек лазерных диодов (ЛЛД), расположенные вокруг и вдоль АЭ на определенном расстоянии, контуры системы

охлаждения для отвода тепла от активного элемента, расположенного в прозрачной цилиндрической трубке, и от наборов ЛЛД. Наборы ЛЛД, расположенные на теплообменниках с контурами охлаждения, представляют собой плечи накачки (рис.1).

Воптической схеме с поперечной диодной накачкой цилиндрический АЭ с разными диаметрами, например Æ5 или Æ10 мм, изготовленный из кристалла Nd : YAG, помещается в прозрачную трубку с проточной охлаждающей жидкостью. Границы раздела воздух – трубка и трубка – ОЖ играют роль цилиндрических линз, участвуя в формировании распределения излучения в АЭ.

Вкачестве охлаждающей жидкости используется дистиллированная вода. Прокачка ОЖ осуществлялась с помощью охладителя с поддержанием оптимальной температуры для выбранной длины волны накачки. Выбором длины волны накачки, тем самым и значения коэффициента поглощения, можно регулировать равномерность заполнения излучением накачки площади поперечного сечения АЭ.

По периметру АЭ за трубкой для ОЖ, на небольшом расстоянии от нее, размещаются нечетное количество (3, 5 или 7) теплообменников (рис.2) с наборами линеек диодных лазеров (плечи накачки).

Рис.2.  Образцы теплообменников с набором ЛЛД (плечи на­ качки).

го из вариантов квантрона и соответствующее распределение температуры на теплообменниках, уровнем цветов отмечены скорости движения воды и температура на теплообменниках и в кварцевой трубке. Из рис.3,а видно, что наиболее низкой является скорость течения охлаж­ дающей жидкости через канал охлаждения АЭ 6 и через теплообменник 1 (соответственно, температура на ЛДМ самая высокая (рис.3,в, 1)), а через теплообменник (2) скорость максимальная (соответственно, температура на ЛДМ самая низкая (рис.3,в, 2)). Такое распределение скорости движения охлаждающей жидкости для данного варианта квантрона приводит к неравномерности отвода тепла, что, в свою очередь, дает искажение картины профиля люминесценции и ухудшение коэффициента усиления.

Для решения проблемы, связанной с равномерным отводом тепла от плеч накачки квантрона, на вход охлаж-

дающего контура квантрона был добавлен конструктивный элемент, обеспечивающий равномерность распределения воды на входном коллекторе. Это позволило получить более равномерное распределение скорости потока охлаждающей жидкости по каналам отвода тепла квантрона (рис.3,б).

Для определения наиболее эффективной схемы накачки были рассмотрены и разработаны несколько макетов. Важно было учесть, что проблема неоднородности распределения накачки АЭ квантрона связана не только с неравномерным распределением скорости потока охлаждающей жидкости через каналы квантрона, но и с расположением плеч лазерных матриц вокруг активного элемента. В настоящей работе найдены наиболее эффективные способы расположения ЛДМ. На рис.4 показаны рассчитанные c помощью программы для расчета и моделирования конструкций по методу конечных элементов модели распределения излучения накачки в активном элементе.

Как видно из рис.4, более равномерное распределение излучения накачки в АЭ достигается при смещенном расположении плеч. Наиболее оптимальным является сдвиг центра решетки диодных линеек на 1 мм (рис.4,б). При смещении более чем на 1 мм часть лучей после преломления на кварцевой трубке не попадает на активный элемент при использовании пяти теплообменников.

4. Экспериментальные исследования поперечного профиля люминесценции

Для исследования характеристик профиля люминесценции была собрана экспериментальная установка, принципиальная схема которой показана на рис.5.

Для стабильной работы квантрона температуры матриц и АЭ Nd : YAG-лазера поддерживаются в заданных значениях с помощью системы термостабилизации.

2

Рис.5.  Принципиальная схема экспериментальной установки для измерения распределения люминесценции в АЭ твердотельного квантрона:

1 – квантрон; 2 – система термостабилизации; 3 – генератор импульсов тока; 4 – собирающая линза; 5 – анализатор профиля пучка; 6 – ПК; 7 – осциллограф.

y (мм)

x (мм)

а

y (мм)

Time = 9.0062E-11 s

x (мм)

б

Генератор импульса тока подает на каждое плечо квантрона необходимое значение тока накачки, которое контролируется осциллографом. Собирающая линза с фокусным расстоянием F = 1 м строит изображение выходного торца активного элемента на анализаторе профиля пучка со светофильтром, который передает всю информацию о распределении профиля люминесценции квантрона на ПК.

Эксперимент проводился при параллельном электрическом соединении плеч накачки со следующими параметрами и режимами: амплитуда импульсов накачки квантрона – 175 А, напряжение тока накачки – 180 В, длина волны накачки – 806 – 808 нм, частота импульса тока накачки – 30 Гц, длительность импульса тока накачки – 250 мкс, длина волны выходного излучения – 1064 нм, температура охлаждающей жидкости – 25 °С.

На рис.6 – 9 представлены экспериментальные профили поперечного распределения люминесценции двух исследованных квантронов (КВ-5: АЭ Æ 5 мм, длина АЭ 100 мм, количество матриц накачки 5; КВ-10: АЭ Æ 10 мм, длина АЭ 130 мм, количество матриц накачки 5). На рис.6 и 8 представлены распределения люминесценции

Рис.6.  Профиль распределения люминесценции в АЭ Æ 5 мм до оптимизации.

Рис.7.  Профиль распределения люминесценции в АЭ Æ 5 мм после оптимизации.

квантрона без оптимизации теплоотвода и оптической схемы накачки. Смещение максимума люминесценции от центра кристалла вызвано неоднородностью теплоотвода. Неоднородное распределение по поперечному сечению в виде «звезды» (рис.8) обусловлено несовершенством схемы накачки и указывает на места входа излучения в АЭ от теплообменников с ЛЛД. Неоднородность распределения профиля люминесценции по сечению активного элемента до оптимизации конструкций квантронов составляла 20 % – 30 %.

На рис.7 и 9 показаны профили распределения лю­ минесценции квантронов с АЭ Æ 5 и Æ 10 мм после оп­ тимизации. Неоднородность распределения профиля люминесценции по сечению АЭ для оптимизированных конструкций квантронов составляет менее 10 %, что по меньшей мере в 2 – 3 раза ниже данного значения до оптимизации.

Квантроны были исследованы также в составе твердотельного лазера. Использовался резонатор длиной 45 cм, состоящий из двух плоских зеркал с коэффициента-

ми отражения R1 = 99.8 % и R2 = 70 %.

В режиме свободной генерации (длительность импульса 250 мкс, частота повторения 30 Гц) получены следующие значения энергии Е излучения: Е = 1 Дж для АЭ Æ 5 мм и длиной 100 мм, мощность накачки Р = 15 кВт; Е = 2 Дж для АЭ Æ 10 мм и длиной 130 мм, мощность накачки Р = 25 кВт.

Эксперимент проводился при параллельно/последовательном электрическом соединении плеч накачки со следующими параметрами и режимами: амплитуда импульсов накачки для квантрона с АЭ Æ 5 мм – 175 А, напряжение тока накачки – 180 В; для квантрона с АЭ Æ 10 мм – 210 А, напряжение тока накачки – 240 В. Длина волны накачки составляла 806 – 808 нм, частота импульса тока накачки – 30 Гц, длительность импульса тока накачки – 250 мкс, длина волны выходного излучения – 1064 нм, температура охлаждающей жидкости – 25 °С.

Также проведены исследования зависимости коэффициента усиления K0 слабого сигнала (1 мВт) от тока накачки для твердотельных усилителей с АЭ Æ 5 и Æ 10 мм и длинами 100 и 130 мм соответственно. Вплоть до K0 = 80 насыщения усиления от тока накачки наборов линеек диодных лазеров не наблюдается. Схема экспериментальной установки для измерений усиления слабого сигнала показана на рис.10. В качестве слабого сигнала использо-