3.2 Разработка оптической схемы накачки лазерного генератора: продольный и поперечный варианты накачки.

3.2.1. Продольная накачка.

При использовании мощной продольной накачки возникает проблема однородной фокусировки излучения накачки в интенсивное пятно на торцевой грани активного элемента. При этом размер пятна должен быть согласован с параметрами активной среды. Это условие необходимо выполнять для обеспечения максимальной эффективности использования излучения накачки.

Хорошо известно, что угловая расходимость пучка, излучаемого лазерным диодом различна в разных направлениях относительно p-n перехода. В типичном случае она составляет: по оси Y, т. е. в направлении, p-n перехода – (30 – 40)⁰, и по оси Х, т. е. в направлении, перпендикулярном p-n переходу - (10 – 15)⁰ – рисунок 34.

Рис.34. Характер излучения, эмитируемого лазерными диодами

Обычно при продольной накачке для фокусировки излучения лазерного диода в пятно требуемого размера и интенсивности в апертурной плоскости активного элемента, используются различные оптические системы, коллимация и фокусировка излучения накачки в которых осуществляется с помощью цилиндрических и сферических линз. Основная задача указанных оптических систем заключается в уменьшении угловой расходимости лазерного пучка накачки до величины около (0,5х0,5)⁰ с последующей фокусировкой излучения на вход активного элемента.

Недостатки известных линзовых систем продольной накачки обусловлены, в основном, неоднородностью пятна накачки по поперечному сечению активного элемента, которое приводит также к неоднородной накачке и по длине активной среды твердотельного лазера, что существенно ухудшает выходные характеристики лазера.

В том случае, когда источник излучения накачки содержит большое количество излучающих элементов (лазерных диодов) этот недостаток линзовых систем особенно заметен. Например, когда он выполнен в виде нескольких диодных матриц высокой мощности (более 2000 Вт каждая). В этом случае суммарная мощность излучения, падающая на выходную фокусирующую линзу, существенно увеличивается. Поскольку распределение интенсивности излучения I_r, прошедшего через линзу, осуществляющую фокусировку излучения на вход активного элемента имеет резко выраженный максимум с боковыми лепестками значительно меньшей интенсивности (рисунок 35), оптические системы в упомянутых выше устройствах фокусируют излучение в пятно малого диаметра относительно поперечного сечения активного элемента, что существенно ухудшает поперечную однородность накачки.

Рис.35. Распределение энергии в фокальной плоскости линзы

Кроме того, существенное увеличение мощности падающего на линзу излучения может привести к локальному разрушению просветляющего покрытия торцевой поверхности активного элемента. Тем самым ограничивается эффективность накачки, так как вероятность такого локального разрушения обуславливает необходимость уменьшения падающей на линзу мощности, в результате чего снижается максимально достижимый уровень плотности мощности накачки в апертурной плоскости активного элемента и увеличивается начальный коэффициент поглощения, что существенно снижает длину прокачиваемой области стержня.

Оригинальным вариантом поперечной накачки стержня является использование растр-световодной системы, которая позволяет осуществить реализацию импульсно-периодического режима работы твердотельного лазера с высокой импульсной и средней мощностью генерации. Двухсторонняя растр-световодная система накачки позволяет завести излучение накачки в торец лазерного стержня с квадратным поперечным сечением без расположения оптических элементов на оси резонатора.

Несомненным достоинством растр-световодной системы накачки является высокая интенсивность и однородность излучения накачки, так в поперечном направлении, так и на значительно большей длине активной среды, чем при линзовой накачке. Это достигается применением призменного фокусирующего растра.

Излучение накачки, попавшее в активный элемент под углом, меньшим критического, остается «сфокусированным» на всей его длине, и активный элемент, выполненный в виде прямоугольного параллелепипеда, играет роль световода. Коэффициент пропускания такого световода η_L зависит от отношения апертуры к длине светопровода (a/L), от величины фокуса призменного растра F и от качества отражающей поверхности световода.

Критический угол падения излучения накачки на торец активной среды, при котором излучение накачки все еще будет распространяться вдоль световода, определяется выражением:

(22)

n₁ и n₂ - показатели преломления соответствующих сред.

На рисунке 36 иллюстрируются устройство призменного фокусирующего растра.

Рис.36. Иллюстрация принципа работы призменного фокусирующего растра.

1 –лазерный стержень, 2, 3 - оптические клинья, 4 – грани клиньев, 5 – ряды, в которые организованы клинья

Растр состоит из двух рядов оптических клиньев, последовательно расположенных по ходу распространения излучения накачки. Клинья в каждом ряду скрещены таким образом, что огибающая клиньев образует поверхности повернутых под углом 90⁰ цилиндрических линз. Точнее говоря, преломляющие грани клиньев образуют многогранную поверхность, огибающая которой по форме близка к цилиндрической поверхности.

Каждый клин изготавливается из материала, прозрачного на длине волны накачки.

Первый и второй ряды 5 клиньев 2 и 3 состоят, соответственно, из 2P и 2Q оптических клиньев (P и Q – целые числа), расположенных в каждом ряду параллельно друг другу и ортогонально клиньям другого ряда. Преломляющие грани 5 клиньев в одном ряду обращены наружу, а преломляющие грани 5 клиньев в другом ряду обращены к лазерному стержню 1 - активному элементу. Плоские грани клиньев одного ряда обращены к плоским граням клиньев другого ряда так, что зазор между ними отсутствует, и среднюю плоскость А призменного растра можно определить как плоскость, проходящую через плоские грани клиньев в двух рядах 5. В центре рядов 5 соответствующие клинья отсутствуют, вследствие чего в призменном растре образуется сквозная полость. В том случае, когда все клинья имеют одинаковую ширину b, размер указанной сквозной полости равен bxb. Таким образом с каждой стороны от указанной сквозной полости располагаются по Р клиньев в одном ряду и Q клиньев в другом ряду. Преломляющие грани 6 клиньев в каждом ряду ориентированы в одном направлении, при этом направление ориентации клиньев в одном ряду ортогонально направлению ориентации клиньев в другом ряду (на рисунке 28 в целях лучшего понимания оба ряда клиньев разнесены друг от друга).

Оптические клинья представляют собой призмы с преломляющим углом θ_k - рисунок 37.

Рис.37. Геометрия оптических клиньев.

Для обеспечения фокусировки излучения накачки на торцевую грань лазерного стержня в пятно требуемого размера аха с высокой плотностью мощности и «квазиплоским» распределением интенсивности по поперечному сечению лазерного стержня, клинья в обоих рядах ориентированы, как было отмечено выше, ортогонально относительно друг друга (например, клинья в одном ряду ориентированы в горизонтальном направлении, а клинья в другом ряду – в вертикальном направлении или наоборот) и выполнены с переменной величиной углов преломления θ_k1, θ_k2, так что указанные величины преломляющих углов θ_k1, θ_k2 клиньев в каждом ряду уменьшаются в направлении от края ряда к его центру в соответствии с формулами (23) и (24):

, (23)

(24)

где θ_k1, θ_k2 – величины преломляющих углов клиньев в первом и втором ряду клиньев, соответственно, h_k1, h_k2 – расстояния от оси резонатора лазера до наиболее удаленной от оси резонатора грани k-ого клина в первом и втором ряду клиньев, соответственно, f – фокусное расстояние оптического элемента для фокусировки излучения накачки на торцевые грани активного элемента, состоящего из двух рядов оптических клиньев, определяемое как расстояние между торцевой гранью активного элемента и средней плоскостью упомянутого оптического элемента, а₁, a₂ – размеры лазерного пятна излучения накачки на торцевой грани активного элемента, соответствующие первому и второму ряду клиньев, n – показатель преломления клиньев.

Клинья могут иметь как одинаковую, так и различную ширину, что позволяет варьировать форму лазерного пятна на торцевой грани активного элемента, согласуя ее с формой поперечного сечения лазерного стержня. При этом все клинья в каждом ряду имеют одинаковую ширину, но в общем случае отличную от ширины клиньев в другом ряду, например b_x и b_y . Количество клиньев в каждом ряду определяется требуемым размером пятна изображения на торцевой грани лазерного стержня и максимально возможной плотностью мощности излучения накачки. В общем случае число P не равно Q, что связано с различными размерами излучающей области диодной матрицы по двум ортогональным осям.

Пятно, получающееся в фокальной плоскости растра, имеет квадратное сечение, равное размеру элементарной ячейки растра bxb при условии малой расходимости излучения накачки. На рисунке 38 представлено распределение интенсивности в фокальной плоскости растра.

Рис.38. Распределение интенсивности излучения в фокальной плоскости растра лазерных диодов

Апертура лазерного стержня квадратного сечения выбирается таким образом, чтобы пятно в фокальной плоскости растра соответствовало упомянутой апертуре. Но, как правило, a > b из-за большой расходимости излучения диодных матриц.

Таким образом, призменный фокусирующий растр позволяет осуществить суммирование излучения накачки от всех лазерных диодных матриц и фокусировку излучения в пятно требуемого размера на торцевой грани лазерного стержня с «квазиплоским» распределением интенсивности по поперечному сечению пятна.

Продольная накачка осуществляется следующим образом (рисунок 39). Излучение лазерных диодных матриц СЛМ-2М коллимируется посредством цилиндрических линз ЦЛ в двух перпендикулярных плоскостях и имеет после них форму прямоугольного растра, образованного совокупностью лазерных пятен, излученных диодными матрицами. Затем посредством оптических клиньев осуществляется суммирование излучения накачки от всех лазерных диодных матриц и фокусировка суммарного излучения в пятно, имеющее, например, форму квадрата с размерами bxb, согласованного с размерами аха торцевой грани активного элемента. За счет преломления лучей в каждом клине в двух ортогональных плоскостях указанное пятно имеет «квазиплоское» распределение интенсивности излучения. Возбуждаемое в активном элементе излучение усиливается резонатором при отражении от зеркал М₁ и М₂ до уровня генерации. Наличие в рядах клиньев сквозной полости исключает потери при прохождении излучения между зеркалами резонатора и увеличивает эффективность работы лазера.

Как видно из рисунка 39, излучение накачки вводится в активный элемент через две противоположные торцевые грани и тем самым увеличивается длина прокачиваемой области.

Рис.39. Схема продольной накачки.