Поперечная накачка

П ри поперечной накачке можно использовать активную среду в виде либо пластин, либо стержней. На рис. 6.14 показана конфигурация с поперечно накачиваемой пластиной; накачка осуществляется 25 отдельными линей­ками диодных лазеров, каждая из которых сопряжена с волокном с диамет­ром сердцевины 200 мкм и числовой апертурой NA = 0,4. Мощность пучка на выходе каждого из волокон -9,5 Вт, а полная мощность накачки достига­ет 235 Вт. Концы волокон размещены вдоль двух боковых граней миниатюр­ной пластины толщиной 1,7 мм и шириной 1,8 мм. Длина пластины вдоль оси составляет -58,9 мм, что соответствует 22 полным внутренним отраже­ниям на двух верхних гранях пластины. Благодаря пространственному усреднению при зигзагообразном рас­пространении пучка оптическая однородность активной среды для пучка оказывается превосходной, что позволяет достичь выходной мощности в 40 Вт в моде ТЕМ₀₀ с эффективностью преобразования излучения в излучение -22%. На рис. 6.15 показана интересная конфигурация, использующая стер­жень Nd:YAG. Лазерный стержень диаметром 4 мм, окруженный про­зрачной трубкой, по которой протекает охлаждающая вода, накачивается вдоль радиусов с использованием трех или пяти излучающих модулей, рав­номерно размещенных по кругу. Каждый модуль накачки состоит из 16 во­локон с диаметром сердцевины 800 мкм и числовой апертурой NA = 0,22, размещенных в ряд друг за другом на расстоянии 2 мм между осями. В каж­дое волокно вводится излучение линейки лазеров с мощностью на выходе 10 Вт. Пучки, выходящие из каждого волокна, направляются на лазерный стержень напрямую, без применения какой-либо дополнительной фокуси­рующей оптики. По оценке, эффективность передачи излучения в рассмат­риваемой конфигурации поперечной накачки достигает -80%. Для того что­бы обеспечить достаточный уровень поглощения излучения диодных лазе­ров, вокруг стержня, напротив каждого из модулей накачки, установлены отражатели излучения. При достаточно больших расстояниях между торца­ми волокон и стержнем обеспечиваемое таким способом пространственное распределение мощности излучения накачки внутри стержня оказывается достаточно однородным. В качестве примера на рис. 6.16 показано такое рас­пределение для расстояния в 13 мм между волокном и поверхностью трубки охлаждения. При использовании системы накачки, показанной на рис. 6.15, была достигнута выходная мощность -60 Вт в моде ТЕМ₀₀ с эффективностью преобразования излучения в излучение в 25%.

Способы накачки с помощью лазерных диодов. В данной лабораторной работе изучается конструкция твердотельного лазера с поперечной диодной накачкой и параметры генерации лазера. При поперечной накачке пучок направляется в поперечном направлении по отношению к пучку генерации подобно ламповой накачке (рис. 5, а – непосредственно от решетки ЛД, б – через световолоконный жгут).

Рис. 5

Лазеры с продольной накачкой вследствие хорошего пространственного совмещения пучков накачки и генерации обеспечивают минимальные пороги генерации. Недостатком такого типа накачки является трудность освещения большого объема активной среды. Достигаемые мощности когерентного излучения составляют от единиц до сотен милливатт.

Для достижения больших мощностей излучения используется поперечная накачка, позволяющая освещать большие объемы активной среды. При этом применяются матрицы лазерных диодов, размещаемые либо вдоль боковой поверхности активного элемента, либо на некотором расстоянии от него. В первом случае свет накачки непосредственно попадает внутрь активного элемента; во втором случае свет накачки заводится в активный элемент через световолоконный жгут. Поперечный способ накачки позволяет достигать мощности генерации до единиц ватт, а в перспективе — десятков ватт. Однако с ростом мощности накачки быстро нарастают трудности отвода тепла от матриц полупроводниковых лазеров. Поэтому дальнейший прогресс в повышении мощности накачки и генерации возможен лишь с повышением КПД самих решеток полупроводниковых лазеров и соответствующего уменьшения их нагрева.

На основе мощных и сверхмощных излучателей полупроводниковых решеток и матриц в виде плоских излучающих поверхностей созданы мощные и сверхмощные ТТЛ с полупроводниковой накачкой. Такой метод накачки может использоваться не только для продольной накачки (см. рис. 6), но и для поперечной накачки (рис. 7).

Рис. 6 Рис. 7

При использовании полупроводниковой накачки эффективность использования света накачки составляет ~20%, что существенно выше КПД ламповой накачки. Тем не менее это приводит к достаточно сильному нагреву самого активного элемента. Поэтому для достижения больших мощностей излучения необходимо решить проблемы отвода тепла от активного элемента. Одним из перспективных направлений развития ТТЛ является разработка миниатюрных (микро)ТТЛ.

Диодная накачка позволила легко получить генерацию ТТЛ с малым объемом активной среды, снизить пороговые мощности накачки с долей киловатта до долей ватта и охватить твердотельными лазерами милливаттный уровень выходных мощностей (1-100 мВт). В результате был создан новый класс миниатюрных твердотельных лазеров. Использование в таких лазерах нелинейных кристаллов позволило создать малогабаритные и недорогие "зеленые" и "синие" лазеры, осуществляющие преобразование во вторую гармонику излучение ИAГ:Nd на волнах 1,064 и 0,946 мкм соответственно. Маломощными малогабаритными твердотельными лазерами с диодной накачкой перекрыт диапазон от 0,47 до 1,32 мкм (0,47; 0,53; 0,66; 0,94; 1,064; 1,32 мкм). Эти приборы получают широкое применение как лазерные указки, источники светового «луча» в геодезических приборах, лазеры для информатики, медицинской техники, аналитического приборостроения и т.п.

Дальнейшее развитие этого направления видится в широком использовании интегральной технологии. Объединение активного кристалла, пассивного затвора, резонатора, а часто и нелинейного элемента в единой жесткой гибридной конструкции (объединенной методом диффузионной сварки) привело к созданию так назваемых «микрочип-лазеров.

Возбуждаемый через оптическое волокно полупроводниковым лазером такой прибор способен излучать цуг импульсов с частотой до 50 кГц. Очень короткий резонатор (длиной не более нескольких миллиметров) позволяет при модуляции добротности без сложных дополнительных приемов получать импульсы субнаносекудной длительности.

С использованием накачки одним или несколькими мощными диодами и акустооптической модуляции добротности удается создать миниатюрные, но мощные (~ 1 Вт) источники ультрафиолетового излучения (355 и 266 нм) с применением схемы нелинейного преобразования частоты. Во всех этих случаях ТТЛ с диодной накачкой не имеет конкуренции.

Таблица 2

Сравнение КПД (эффективностей) ламповой накачки и накачки излучением

диодных лазеров