1. Введение. Технико-экономическое обоснование темы.

Лазер, как источник когерентного оптического излучения, внедряется во все новые области науки и техники. В ряде областей знаний он стал незаменимым инструментом для научных исследований, разработок приборов и технологических процессов. Успех лазера стал возможен благодаря уникальным свойствам оптического (светового) излучения, которое он дает. Важнейшими из них являются пространственная и временная когерентность. Эти свойства и выделяют лазеры из других - нелазерных - источников оптического излучения.

Пространственную когерентность часто определяют, как способность светового пучка давать четкую интерференционную картину лучей, взятых в одно и то же время из разных поперечных участков пучка. Иными словами, световые волны, идущие в разных поперечных участках луча, колеблются в фазе друг с другом. Если такое условие выполняется для всего поперечного сечения пучка, то последний - полностью пространственно когерентен. Теория распространения световых пучков, развитая на основе вторичных источников Гюйгенса, показывает, что чем больше пространственная когерентность пучка, тем меньшую расходимость он имеет. Поэтому лазерные пучки, обладающие высокой пространственной когерентностью, отличаются, прежде всего, малой расходимостью (несколько мрад, по сравнению с пучками обычных источников света, например, ламп накаливания это очень малая величина).

Малая расходимость лазерного луча позволяет переносить энергию на большие расстояния, фокусировать ее в очень малые объемы. Эти свойства открывают новые возможности для систем локации и связи, для тонких и специальных технологических процессов (сверхчистой микросварки, пайки, резки, для хирургии, офтальмологии и т. п.).

Под временной когерентностью понимается способность светового пучка давать четкую интерференционную картину лучей, взятых из одного и того же его участка, но в разные моменты времени. Чем больше интервал между этими моментами, тем выше временная когерентность. Такому условию отвечают световые пучки с узким частотным спектром, иными словами, монохроматичные пучки. Понятия временная когерентность и монохроматичность эквивалентны. Тепловые источники света, как правило, имеют широкий спектр излучения и соответственно низкую временную когерентность. Лазерные пучки чаще всего монохроматичны и поэтому широко используются в аналитических приборах, для которых это свойство является решающим, например, в оптической голографии, спектроскопии высокого разрешения, лазерных гироскопах и т. п.

Важнейшее свойство лазерных источников — возможность получать короткие, мощные световые импульсы. Такие лазеры незаменимы для дальнометрии, прошивки отверстий в твердых материалах, локации и т. д.

Принципиальной основой работы лазеров является эффект вынужденного (индуцированного) излучения, предсказанный А. Эйнштейном в 1916 г. В 1939 г., а затем в 1951 г. В. А. Фабрикант предложил способ усиления светового излучения путем пропускания его через специальным образом подготовленную усиливающуюся среду. Принципиальные основы построения лазера, как генератора световых колебаний, были заложены в трудах А. М. Прохорова, Н. Г. Басова и Ч. Таунса в 1955—1959 гг. Первый лазер (на рубине) был запущен Т. Мейманом в 1960 г. Лазер на алюмоиттриевом гранате с неодимом был впервые запущен Г. Гейзиком в 1964 г.

Лазер, как генератор светового излучения, должен содержать среду, усиливающую свет, и резонатор, осуществляющий положительную обратную связь между генерируемым светом и усиливающей средой. Роль усиливающей среды в нашем случае играет кристалл алюмоиттриевого граната с неодимом (АИГ-Nd или YAG-Nd). Этот кристалл по сравнению с другими лазерными активными средами (например, рубин, стекло с неодимом и т. д.) обладает удачным сочетанием физических и спектральных свойств, позволяющих ему успешно работать практически во всех известных режимах генерации (импульсных и непрерывных). Так, например, в непрерывном режиме лазеры на гранате с неодимом позволяют достигать мощности излучения до 1 кВт. В импульсном режиме достигаются мощности излучения до 100—1000 МВт. Основное излучение лазеров на гранате с неодимом находится в ближнем инфракрасном диапазоне спектра. С помощью хорошо разработанных методов нелинейной оптики это излучение эффективно преобразуется в излучение видимого и ближнего ультрафиолетового диапазонов спектра. Эта возможность существенно расширяет области применения АИГ-лазеров.

В последнее время эффективность АИГ-лазеров за счет использования диодной накачки существенно выросла. Создание мощных твердотельных лазеров работающих в импульсно-периодическом режиме со средней мощностью ~ 1 кВт очень важно с точки зрения различных технологических применений. При создании лазеров с высокими выходными характеристиками часто используется режим усиления лазерного излучения по схеме: задающий генератор – усилитель. При этом излучение задающего генератора должно обладать хорошими пространственными и временными характеристиками для того, чтобы усиленное излучение также обладало высококачественными характеристиками.

Целью дипломной работы была разработка компактной конструкции задающего генератора твердотельного лазера с накачкой диодными матрицами и исследование его выходных характеристик.

Достижение поставленной цели требует решения следующих задач:

1. Разработать методику расчета и рассчитать необходимую мощность накачки, позволяющую получить на выходе задающего генератора среднюю мощность генерации на уровне ~50 Вт.

2. Выполнить тепловой расчет лазерного генератора при частоте следования импульсов генерации 8 и 1000 Гц.

3. Предложить эффективный способ охлаждения активной среды при работе на частоте 1000 Гц.

4. Выбрать оптимальную и достаточно простую оптическую схему накачки активной среды задающего генератора.

5. Разработать и изготовить компактную конструкцию задающего генератора с воздушным охлаждением, работающую при частоте следования импульсов генерации до 50 Гц.

6. Экспериментально исследовать выходные характеристики разработанной конструкции задающего генератора.

Объект исследования: твердотельные лазеры с диодной накачкой

Предмет исследования: компактная конструкция задающего генератора с диодной накачкой.

Гипотеза исследования: Использование диодных матриц накачки позволит разработать простую конструкцию задающего генератора с воздушным охлаждением, работающего при частоте следования импульсов генерации до 50 Гц и импульсной энергией генерации ~ 50 мДж.

База исследования: Базовая кафедра ЛТ при ОАО «Рязанский радиозавод».