Системы передач излучения накачки

Для эффективной накачки излучение описанных выше диодных лазер­ных систем должно быть с минимальным потерями введено в активную среду. Вообще говоря, существует два типа геометрии накачки: (1) продоль­ная, при которой излучение накачки направляют в лазерную среду вдоль оси резонатора; (2) поперечная, при которой излучение накачки вводят в активную среду с одного или нескольких направлений, перпендикулярных оси резонатора. Рассмотрим оба этих случая отдельно, так как используе­мые диодные лазеры и системы передачи излучения накачки несколько отличаются.

Продольная накачка

Для продольной накачки излучение диодного лазера обычно необходимо сфокусировать в активной среде в малое (с поперечным размером 0,1-1 мм) пятно по возможности кругового сечения. На рис. 6.11 а-в представлены три наиболее распространенных лазерных конфигурации. На рис 6.11а показан лазерный стержень, помещенный в плосковогнутый резонатор; плоское зер­кальное покрытие нанесено непосредственно на тот торец стержня, на кото­рый фокусируется пучок накачки. На рис 6.116, в пучки накачки от двух разных диодных систем фокусируются с двух концов стержня в его центре. Резонатор лазера может иметь либо кольцевую конфигурацию в виде сло­женной петли (рис 6.116), либо линейную конфигурацию, с изломами в виде буквы «z». Для последних двух конфигураций ось резонатора обозначена пунктирной линией.

Рис. 6.11

Типичные конфигурации продольной накачки излучением диодных лазеров: а) накачка с одного конца стержня в простом плосковогнутом резонаторе; б) накачка с двух концов стержня для кольцевого резонатора сложенного типа и в) накачка с двух концов стерж­ня для z-образного линейного резонатора.

Рассмотрим теперь вопрос о том, каким образом для данных резонаторов преобразовать пучок излучения накачки так, чтобы внутри лазерного стерж­ня он имел наиболее близкое к круговому сечение подходящего размера.

Рис. 6.12

(а) Схема системы передачи излучения накачки однополоскового диодного лазера с компенсацией астигматизма; (б) простая анаморфотная система из двух цилиндрических линз; (в) анаморфотная пара призм

Рассмотрим вначале однополосковый диодный лазер, кото­рый используют как источник накачки для маломощных устройств. (С по­мощью накачки однополосковым лазером могут быть получены выходные мощности вплоть до десятков мВт.) Эллиптичность сечения сильно расходя­щегося пучка от лазерной полоски может быть скомпенсирована с помощью комбинации из двух сферических линз и анаморфотной оптической систе­мы, схематически изображенной на рис. 6.12а прямоугольником. На этом рисунке сплошные линии показывают изменения продольного сечения пучка в плоскости р-п перехода диодного лазера; в свою очередь, пунктирные линии соответствуют изменениям такого сечения в плоскости, перпендику­лярной к плоскости р-п перехода. Линза L_x с фокусным расстоянием f_x пред­ставляет собой короткофокусную сферическую линзу с большой числовой апертурой, предназначенную для коллимации сильно расходящегося пучка от лазерного диода. Поскольку ϴ_┴ = 4 ϴ_║, то поперечное сечение пучка после прохождения линзы имеет форму эллипса с размерами осей d_┴ = 2 f₁tan ϴ_┴ (так называемая «быстрая» ось, перпендикулярная плоскости р-п перехода) и d_║=2f₁ tan ϴ_║ («медленная» ось в плоскости р-п перехода). Таким образом, в типичном случае d_┴/d_║ = tan ϴ _┴ /tan ϴ_║ = 4. Коллимированный линзой пучок с эллиптическим поперечным сечением пропускают через анаморфотную оптическую систему, обеспечивающую различную степень расширения это­го пучка вдоль двух осей эллипса. Если, например, система обладает рас­ширением пучка 4:1 вдоль медленной оси и не изменяет поперечный размер пучка вдоль быстрой оси, то в результате такого преобразования получится пучок с круговым сечением. Возможно, наиболее просто такой анаморфот­ный расширитель можно получить, используя две цилиндрических линзы L₃ и L₄, установленных в конфокальной, или телескопической, конфигура­ции (рис. 6.126). Если две этих линзы фокусируют в плоскости, содержа­щей медленную ось, то результирующее расширение пучка составит f4/f3, где f₄ и f₃ — фокусные расстояния линз для продольного сечения пучка в этой плоскости (сплошные линии). В то же время в ортогональной плоско­сти рассматриваемые цилиндрические линзы ведут себя по отношению к пуч­ку просто как плоскопараллельные пластинки, не влияя на его поперечный размер в направлении быстрой оси.

Однако анаморфотная система, показанная на рис. 6.126, не часто ис­пользуется на практике, поскольку для нее требуются хорошо скорректиро­ванные на аберрации линзы с высокой числовой апертурой, которые доволь­но дороги. Поэтому наибольшее распространение получила анаморфотная пара призм, показанная на рис. 6.12в. Снова рассмотрим изменения по­перечных размеров пучка только в плоскости медленной оси (изображены на рисунке сплошными линиями). Используя простые геометрические сообра­жения, можно показать, что после преломления на передней поверхности первой призмы ширина падающего пучка увеличивается от D_i до D_r так, что D_r/D_i = cos ϴ_r/cos ϴ_i, где ϴ_r и ϴ_i являются соответственно углами падения и преломления для поверхности призмы. Если задняя грань первой призмы почти перпендикулярна направлению пучка, то на ней не возникает прелом­ления, так что пучок проходит через нее без изменений. При таких условиях увеличение ширины пучка М после прохождения первой призмы составит

Рассмотрим теперь прохождение пучка через вторую призму. Если эта приз­ма идентична первой, ориентирована так, как показано на рис. 6.12в, а угол падения на входную грань снова равен 0_£, то после прохождения второй приз­мы ширина пучка снова увеличится в М раз. Таким образом, результирующее увеличение ширины выходящего пучка составит М², а его ось будет парал­лельна оси входящего, хотя и смещена в поперечном направлении. В плоско­сти быстрой оси две рассматриваемых призмы эквивалентны простым плоско­параллельным пластинкам и поэтому не приводят к уширению пучка. Таким образом, если в схеме, показанной на рис. 6.12а, использовать анаморфот­ную пару призм с подходящими величинами угла показателя преломле­ния п и угла при вершине а, то можно получить М = 2, т. е. полное увеличе­ние М² = 4. Таким образом, сечение пучка после прохождения пары призм будет круговым. Если коллимирующая линза L_x на рис. 6.12а имеет доста­точно большую числовую апертуру, чтобы пропустить сильно расходящийся вдоль быстрой оси пучок, и не имеет аберраций, то после этой линзы, а сле­довательно, и после пары призм, пучок полностью сохранит дифракционно-ограниченный характер первоначального пучка, выходящего из диодного лазера. Следовательно, расходимости вдоль двух осей оказываются теперь одинаковыми, поскольку после прохождения через пару призм пучок имеет круговое сечение. Используя сферическую линзу Ь₂ с соответствующим фо­кусным расстоянием можно сфокусировать это излучение в круглое пят­но нужного размера в фокальной плоскости линзы (рис. 6.11а), т. е. там, где удобно поместить активную среду. Если линза Ь₂ также не имеет аберраций, то пучок в фокальной плоскости обладает круговой симметрией и является дифракционно-ограниченным.

Для линейки диодных лазеров шириной, например, 200 мкм, поскольку углы расходимости ϴ_║ и ϴ _┴ приблизительно такие же, как и в случае одиноч­ного полоскового лазера, конфигурация, показанная на рис. 6.12а-в, все еще может быть использована для получения круглого пятна после анаморфот­ной пары призм. Однако ввиду того, что расходимость пучка вдоль медлен­ной оси примерно в 40 раз больше дифракционного предела, пятно в фокаль­ной плоскости линзы Ь₂ будет представлять собой эллипс с отношением осей 40:1. В случае хорошо скорректированной на аберрации коллимирующей линзы L_x эллиптичный пучок может иметь раз­меры, например, 2,8 мкм х 112 мкм. В реальной ситуации аберрации опти­ческой системы, которые сильнее проявляются в направлении быстрой оси, приводят к более близкой к круговой форме пятна, с поперечными размера­ми порядка 150 мкм. Другой широко применяемый с линейками диодных лазеров способ доставки излучения накачки в активную среду связан с ис­пользованием многомодового оптического волокна. Для линейки шириной 200 мкм можно использовать волокно с диаметром сердцевины 200 мкм, непосредственно пристыкованное к ее выходной грани. Однако в такой кон­фигурации числовая апертура волокна NA (NA = sin ϴ_f , где ϴ_f — входная угловая апертура волокна) должна быть достаточно большой для того, что­бы обеспечить ввод в него сильно расходящегося пучка диода, т. е. должно выполняться соотношение sin ϴ_f > sin ϴ _┴ = 0,4. После того как излучение прой­дет в волокне достаточно большое расстояние, сечение пучка на выходе из волокна становится круговым, а его расходимость становится равной число­вой апертуре волокна NA, т. е. имеем ϴ_out = ϴ_f. Таким образом, в результате распространения по волокну расходимость вдоль медленной оси ухудшается от ϴ _in = ϴ_║ до ϴ _out = ϴ _┴. Для того чтобы уменьшить начальную расходимость пучка, между линейкой и волокном можно разместить сильно короткофо­кусную цилиндрическую линзу, коллимирующую пучок вдоль быстрой оси так, чтобы его ширина стала равной диаметру волокна. Тогда можно исполь­зовать волокно с числовой апертурой NA, приблизительно равной расходи­мости пучка вдоль медленной оси. В этом случае, пучок от линейки шириной 200 мкм можно сфокусировать в волокно диаметром 250-300 мкм и числовой аперту­рой NA = 0,1.

В случае блока линеек диодных лазеров шириной 1 см можно применить одну цилиндрическую микролинзу длиной 1 см для того, чтобы сфокусиро­вать излучение каждой из линеек блока в отдельное многомодовое волок­но. Поскольку каждая диодная линейка имеет здесь характерную ширину 100 мкм (см. рис. 6.10а), то для них можно использовать волокна с диамет­ром сердцевины 200 мкм и числовой апертурой NA = 0,1 (рис. 6.13). Таким способом можно ввести пучок от блока линеек в 20 волокон, концы кото­рых могут затем быть собраны в круглый жгут волокон диаметром 1-1,5 мм с суммарной расходимостью, равной числовой апертуре одного волокна (NA = 0,1). Пучок, испускаемый этим жгутом волокон, отображается на торец лазерного стержня вдоль одного (см. рис. 6.11а) или двух (рис. 6.11б, в) продольных направлений. Было показано, что в такой конфигурации накачки можно достичь полного пропуска­ния передающей системы до 85%. При использовании стержня из Nd:YVO₄, накачиваемого двумя состыкованны­ми с волокном блоками лазерных ли­неек, были получены выходные мощ­ности до -15 Вт в моде ТЕМ₀₀ с эффек­тивностью преобразования излучения в излучение -50%.Был продемонстрирован также ин­тересный альтернативный подход, ко­торый позволяет изменить форму силь­но асимметричного пучка на выходе из линейки лазеров или блока линеек та­ким образом, чтобы получить одинаковые размеры и расходимости пучка вдоль заданных направлений быстрой (вертикальной) и медленной (гори­зонтальной) осей. Подход заключается в том, что пучок от линейки лазеров или блока линеек после коллимации волоконной линзой вдоль быстрой оси направляется на пару параллельных и наклоненных относительно оси пучка зеркал. Эта пара зеркал за счет многократных отражений эффективно делит первичный пучок на несколько вторичных, смещенных относительно друг друга в горизонтальном направлении, и направляет их друг над другом, фор­мируя таким образом на выходе из системы пучок прямоугольного сече­ния. При выравнивании размеров пучка в горизонтальном и вертикаль­ном направлениях уменьшение интенсивности вторичных пучков в верти­кальном направлении компенсируется ее увеличением в горизонтальном направлении, так что в среднем обеспечивается равномерное распределение интенсивности в поперечном сечении суммарного пучка на выходе. Пучок с таким сечением дает возможность осуществлять очень интенсивную продоль­ную накачку, которая особенно эффективна для квазитрехуровневых лазе­ров с низким усилением, которые плохо накачиваются другими методами.