3.2.2. Поперечная накачка.

Для накачки твердотельных YAG-Nd лазеров широко используется схема поперечной накачки. Она характеризуется расположением источников излучения – лазерных диодов или лазерных диодных линеек по периметру внешней поверхности активного элемента – лазерного стержня. Основное достоинство поперечной накачки – возможность получения больших выходных мощностей.

Из аналитического обзора видно, что существует много вариантов реализации схем поперечной накачки – с непосредственным вводом излучения в активную среду, с использованием параболических концентраторов в оптической системе транспортировке излучения, с применением диффузных рефлекторов и др. Отметим, что не существует стандартной схемы поперечной накачки при работе лазера с невысокой выходной мощностью. Это объясняется рядом причин.

Во-первых, при поперечной накачке излучение, распространяющееся в активной среде, поглощается в меньшей степени по сравнению с продольной накачкой. Это связано с тем, что при поперечной накачке длина пути, на котором происходит поглощение излучения, обычно меньше двух длин Бэра, за исключением схем с многоходовым распространением луча. Следствием этого является то, что независимо от коэффициента поглощения материала активной среды будут наблюдаться существенные потери излучения. Во-вторых, в типичном случае распределение усиления не является хорошо согласованным с профилем лазерной моды, что снижает эффективность накачки.

Наиболее эффективным способом поперечной накачки в нашем случае является размещение диодных матриц в вдоль оси лазерного стержня с поперечным сечением 3х3 мм в непосредственной близости от боковой поверхности стержня с использованием цилиндрической линзы и зеркального концентратора (рисунок 40), который и был реализован в рамках данного дипломного проекта.

Рис.40. Поперечная схема накачки, реализованная проекте.

1- Диодные матрицы, 2- цилиндрические линзы, 3- стержень АИГ-НД, 4- юстировочные винты.

Простая оптическая система рассчитывалась методом моделирования (рис.41). В результате была реализована однопроходная схема использования излучения накачки. При симметричном расположении диодных модулей в результате взаимного наложения излучения всех модулей в центральной области стержня формируется симметричная зона достаточно однородной накачки. В этой зоне поглощается не менее 80 % энергии, эмитированной лазерными диодами.

Рис.41. Оптическая схема поперечной накачки.

Симметрия играет важную роль при использовании нескольких диодных линеек или модулей. Для получения оптимальных выходных характеристик YAG-Nd лазера накачка должна быть максимально однородной. Это требование обусловлено оптическими свойствами материала активной среды. Так, в YAG-Nd в значительной мере проявляются эффекты тепловой линзы и двойного лучепреломления вследствие нагрева материала и для их минимизации необходимо обеспечить симметричную картину накачки.

Симметричная схема поперечной накачки имеет следующие преимущества:

- при малой величине выходной мощности симметричная схема накачки обеспечивает высокую эффективность поглощения излучения активной средой и хорошее пространственное распределение излучения. Для накачки стержня достаточно использовать несколько симметрично расположенных диодных модулей;

- при большой величине выходной мощности эффективное поглощение излучения активной средой можно обеспечить при помощи большого числа узких, вертикально ориентированных относительно боковой поверхности стержня диодных модулей.

Однако симметричной схеме поперечной накачки присущи и недостатки, в том числе:

- эффективность поглощения излучения накачки и пространственное распределение усиления в стержне ухудшаются при увеличении ширины каждого вертикально ориентированного диодного модуля. Монтаж и охлаждение большого числа диодных модулей затруднен. Снабжение каждого диодного модуля согласующей оптикой позволяет сконцентрировать в стержне большое мощности, но схема накачки при этом становится более сложной;

- для достижения требуемого уровня поглощения излучения активной средой необходимо контролировать температуру лазерных диодов. С увеличением количества диодных модулей задача одновременной подстройки с этой целью температуры всех диодных модулей существенно усложняется.

Таким образом, при размещении источников накачки в непосредственной близости от боковой поверхности лазерного стержня максимальная мощность излучения, поглощаемая активной средой, ограничена количеством лазерных диодов, которые могут быть размещены вокруг стержня.

В нашем случае можно ограничиться двумя диодными матрицами расположенными напротив друг друга (рис. 40).