Министерство высшего образования, науки и инноваций Республики Узбекистан Национальный университет Узбекистана имени Мирзо Улугбека Факультет физики

КУРСОВАЯ РАБОТА на тему: «Тонкодисковые лазеры»

Подготовила: Муллажанова Р.З.

Руководитель: Вильданов Р.Р.

Ташкент – 2024

Тема: Тонкодисковые лазеры. Принцип их работы.

Содержание.

Введение 2

История и развитие дисковых лазеров 3

Конструкция, параметры и принцип работы ТДЛ 4

Принцип охлаждения диска 6

Преимущества и недостатки ТДЛ 8

Применение ТДЛ 10

Заключение 11

Литература 12

ВВЕДЕНИЕ

В современном мире лазерные технологии занимают одно из ведущих мест в развитии научно-технического прогресса. Они находят применение в самых разнообразных областях, от медицины и связи до высокотехнологичной обработки материалов. Среди множества типов лазеров особое место занимают дисковые лазеры, которые сочетают высокую эффективность, компактность и возможность масштабирования мощности.

Актуальность изучения дисковых лазеров обусловлена их растущей популярностью в промышленности и микрообработке, где требуется высокая точность и минимальные тепловые искажения. Данные лазеры обеспечивают уникальные возможности для решения задач, которые ранее были труднодостижимы с использованием традиционных лазеров.

Дисковые лазеры коротко- и ультракоротких импульсов сочетают в себе высокую эффективность, превосходное качество луча, высокую среднюю и пиковую мощность, надежность и умеренную стоимость. Этот тип излучателей был использован для разработки самой успешной промышленной технологии обработки материалов высоко-мощными лазерами.

Цель работы: изучить конструктивные особенности, принципы работы и области применения дисковых лазеров.

История и развитие дисковых лазеров.

Дисковые лазеры были разработаны в конце 20-го века, когда потребность в лазерах с высокой мощностью и точностью стала особенно актуальной для промышленности. Несмотря на то, что основные принципы лазерной технологии были заложены еще в 1960-х годах (с созданием первых лазеров, таких как гелий-неоновые и рубиновые), дисковые лазеры появились значительно позже.

Концепция дисковых лазеров начала развиваться в 1980-х годах, когда ученые столкнулись с проблемами охлаждения в традиционных твердотельных лазерах, использующих цилиндрические кристаллы. Эти проблемы включали тепловые искажения, такие как эффект тепловой линзы¹

Изобретение тонкого дискового лазера произошло в 1991 году в результате сотрудничества между Немецким аэрокосмическим центром и группой из Университета Штутгарта. Команду в Штутгарте возглавлял доктор Адольф Гизен, в нее входили его коллеги: Клаус Виттиг, Уве Браух и Андреас Фосс.

Несколькими годами ранее доктор Фридрих Даузингер предложил идею идеального сварочного лазера: мощность, эффективность и фокусируемость лазера CO₂ с длиной волны, как у лазера Nd:YAG. Во время полета домой после посещения лекции ученого из Массачусетского технологического института TY Fan, Гизен пережил момент озарения, поняв, как можно спроектировать этот лазер. Стратегия была проста: увеличить площадь поверхности активной лазерной среды. Одним из уже реализованных методов было максимизировать длину за счет минимизации диаметра (волоконные лазеры). Другим методом было максимизировать диаметр за счет минимизации длины (тонкие дисковые лазеры).

¹Эффект тепловой линзы - эффект, при котором неравномерное распределение температуры в активной среде приводит к изменениям показателя преломления, создавая оптическую линзу, что ухудшает качество лазерного луча и ограничивает его мощность.

Адольф Гизен

Адольф Гизен получил докторскую степень в 1982 году в Боннском университете, Германия. Затем он работал над радиочастотными CO2-лазерами в Немецком аэрокосмическом центре в Штутгарте, прежде чем перейти в Штутгартский университет. В 1991 году он начал работать над тонкими дисковыми лазерами. Он получил ряд наград, включая медаль Чарльза Харда Таунса (2017), премию Бертольда Лейбингера (2002) и премию Ранга (2004). С 2007 по 2016 год он был директором Института технической физики в Немецком аэрокосмическом центре (DLR) в Штутгарте.

С 1975 года Гизен разрабатывал лазеры для различных применений. Сначала он разработал одночастотные лазеры на красителях с удвоенной частотой. Затем он разработал возбуждаемые радиочастотой CO2-лазеры для промышленного применения, прежде чем приступить к работе над тонкими дисковыми лазерами. Со своей группой он продемонстрировал высокую выходную мощность и высокую эффективность от одного диска одновременно. Кроме того, Гизен работал над характеристикой лазеров и лазерной оптики и над стандартизацией процедур испытаний для лазерных лучей и оптики в рабочих группах ISO.

Конструкция, параметры и принцип работы ТДЛ.

Параметры.

Тонкий дисковый лазер (иногда называемый тонкодисковым лазером или лазером с активным зеркалом) — это тип твердотельного лазера с диодной накачкой (DPSS), в которой среда усиления (активная среда) состоит из тонкого диска, как правило, из кристалла Yb:YAG. Толщина одного из этих дисков (обычно от 150 мкм до 200 мкм) существенно меньше диаметра луча. Диаметр диска обычно 4 до 5 мм. Эта особенность позволяет не только легко масштабировать мощность за счет диаметра луча накачки, но и обеспечивает большую площадь поверхности для рассеивания тепла. Тонкий диск также часто называют активным зеркалом, поскольку он действует как зеркало с лазерным усилением. Внутри лазерного резонатора он может действовать как конечное зеркало или как складывающееся зеркало.

Технология тонкодискового лазера позволяет создавать лазеры с высокой энергией импульса (от нескольких сотен мДж до уровня Джоуля) и частотой повторения до уровня кГц. По сравнению со стержневыми (трубковыми) лазерами эффективность охлаждения тонких дисков намного выше, что позволяет добиться более высокой частоты повторения.

Конструкция.

Ключевым элементом тонкодискового усилителя, конечно, является тонкий лазерный диск, установленный в охлаждающую среду . Диск имеет антибликовое покрытие на передней стороне и высокоотражающее покрытие на задней стороне. Задняя сторона прикреплена к охлаждаемому водой радиатору. Таким образом, охлаждаемая поверхность очень велика по сравнению с накачиваемым объемом, и, кроме того, градиент температуры параллелен падающему лазерному свету, что снижает эффект тепловой линзы. Благодаря эффективному охлаждению технология тонкого диска является одним из перспективных вариантов для лазерных систем с высокой частотой повторения. Эта технология известна своим очень хорошим качеством луча. Она используется в промышленных лазерах и продемонстрировала чрезвычайно стабильную и надежную работу.

Малая толщина диска обычно приводит к неэффективному поглощению накачки, когда используется только один или два прохода. И поскольку диск имеет толщину порядка 500 мкм, поглощение за один проход составит всего около 25 %. Эта проблема обычно решается с помощью многопроходной компоновки накачки (резонатора) которую можно сделать довольно компактной при использовании хорошо спроектированной оптической установки, обычно содержащей параболическое зеркало² и призматические ретрорефлекторы³. Такие компоновки легко позволяют организовать, например, 8 или 16 двойных проходов излучения накачки через диск без чрезмерно строгих требований к качеству пучка накачки. Итак, в результате многократного отклонения через призмы и параболического

²Параболические зеркала направляют и фокусируют весь падающий коллимированный свет в одну фокусную точку благодаря параболической форме поверхности.

³Ретрорефлекторы — это своего рода отражатели, (оптические устройства, отражающие свет) где отраженный свет распространяется в направлении, параллельном падающему лучу — и это для некоторого диапазона направлений луча).

зеркала получается в общей сложности до 20 поглощений при прохождении через диск. Этим достигается высокая эффективность поглощения световой энергии пучка накачки.

По сравнению с мощными волоконными лазерами, лазеры с тонким диском предъявляют более низкие требования к яркости (свечению) диодов накачки. Однако требуемая яркость выше, чем для некоторых пластинчатых лазеров и других лазеров с боковой накачкой.

Источником накачки тонкодискового лазера обычно основан на мощных диодных, либо в форме волоконно-связанных, либо с подачей энергии в свободном пространстве. Типичная длина волны накачки составляет 940 нм для Yb:YAG, тогда как кристаллы вольфрамата, легированные иттербием, могут более эффективно накачиваться вблизи 981 нм.

Принцип охлаждения диска.

В обычных лазерах, использующих лазерные стержни в качестве активного материала, рассеивание тепла является серьезной проблемой. Охлаждение стержня через его поверхность довольно неэффективно из-за большого отношения объема к поверхности. Кроме того, это создает температурный градиент, перпендикулярный оси лазера, что приводит к тепловому линзированию. Использование тонкого диска, охлаждаемого с одной стороны, вместо стержня является логичным шагом к лучшему охлаждению и, следовательно, более высокой средней выходной мощности. Поскольку тонкий диск показывает гораздо меньшее усиление, чем толстый стержень, важно найти наилучший компромисс между высоким усилением и хорошей эффективностью охлаждения. Следующее численное моделирование дает обзор того, как найти правильную толщину диска.

Согласно исследованиям Института Макса Борна (Германия, 2015г.), было численно рассчитано распределение температуры в тонких дисках, решив уравнение теплопроводности в трех измерениях. В качестве начальных параметров они использовались реальные параметры накачки лазерной установки. Диск накачивается сверху и охлаждается снизу:

• Поглощаемая мощность при накачке: I _{поглощенная} = 5 кВт/см²

• Длительность импульса накачки: t_{накачки} = 1 мс

• Частота повторения: f = 200 Гц

• Длина волны излучения накачки: λ = 940 нм

• Погрешнось d = 8 %

На рисунке ниже показана смоделированная установка. Излучение накачки 5 кВт/см 2 фокусировалось в пятно накачки диаметром 10 мм сверху на тонком диске. Последний находится в тепловом контакте с радиатором.

В их моделировании, диски различной толщины накачивались таким образом, что энергия, запасенная в дисках, была одинаковой. На следующем рисунке показаны температурные профили, полученные для различных толщин дисков. График ниже отображает увеличение температуры на передней поверхности по сравнению с охлажденной задней поверхностью диска. Несмотря на одинаковую запасенную энергию в дисках, разница температур между передней поверхностью диска и его охлажденной задней стороной сильно увеличивается с толщиной диска. Видно, что разница температур между передней и охлажденной задней стороной диска составляет всего 14 градусов для диска толщиной 0,5 мм, используемого в их усилителях, в то время как эта разница превысила бы 80 градусов для гипотетического диска толщиной 4 мм. Моделирование ясно показывает, что следует использовать диски толщиной от 0,5 до 1 мм.

Преимущества и недостатки дисковых лазеров.

Преимущества дисковых лазеров: