CC BY
43ИССЛЕДОВАНИЯ УСИЛЕНИЯ И ЗАПАСАНИЯ ЭНЕРГИИ В ОДНОПРОХОДОВОМ УСИЛИТЕЛЕ ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ЛАЗЕРА С АКТИВНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ ИЗ КРИСТАЛЛА КГВ:ЫС3+
Сторощук О.Б.(оз1з1ог@уо!одСа.ги), Сизов О.В. ОАО «Вологодский оптико-механический завод»
Проведены теоретические и экспериментальные исследования усиления в усилителе из
3 + 2
кристалла КГВ: ЫС . Показано, что при плотностях энергии входного сигнала W>0,6Дж/см практически полностью снимается вся запасенная в активном элементе энергия, максимальное значение которой составляет W=1,6 Дж/см2. Создан малогабаритный неохлаждаемый лазер с однопроходным усилителем на активном элементе из КГВ: ЫС3+ с выходной энергией импульса излучения 100 мДж.
В настоящее время в качестве высокоэффективных низкопороговых активных сред широко применяются кристаллы гадолиний-скандий-галлиевого граната, активированного ионами хрома и неодима (ГСГГ: Сг3+ : ЫС3+ ) и калий-гадолиниевого вольфрамата (КГВ : ЫС3+).
В диапазоне накачек 2-5 Дж лазеры с использованием указанных выше активных сред имеют одинаковую эффективность [1], но из-за различающихся примерно в 2,5 раза эффективных сечений генерационных переходов ( аэфф=4,3 10-19 см2 для КГВ [1,2] и аэфф=1,7 10-19 см2 для ГСГГ [3]) условия, обеспечивающие максимальный съем запасенной энергии, в указанных средах различные.
Цель настоящей работы состояла в исследовании возможности применения активного элемента из КГВ в усилительном режиме, т.е. определении условий, обеспечивающих максимальный съем запасенной энергии; зависимости запасенной энергии и коэффициента усиления от энергии накачки и сравнении полученных результатов с известными данными для усилителей на ИАГ [4] и ГСГГ [5,6].
Для анализа процесса усиления моноимпульсного излучения воспользуемся выражением для плотности входного сигнала О(х), равного полному числу фотонов, прошедших за время импульса расстояние х от точки входа сигнала в активный элемент [7]:
^^ -А0[1 - exp-аэфф • 0(х)]- р• Q(x) (1)
А - К 0
0 _ - инверсная населенность в АЭ к моменту прихода сигнала с
°эфф
задающего генератора, Ко- коэффициент усиления, аэфф- эффективное сечение генерационного перехода
Сделаем в (1) замену переменных W1(х)=Q1(x) Иу , где W1(x)-представляет собой полную плотность энергии, прошедшую через апертуру активного элемента.
С учетом замены переменных уравнение (1) запишем в виде:
ёЖ (х)
а
- И у А0[1 -exp-^фф-Ж(х)]-рЖ(х) (2) ёх И • V
Для более детального исследования характера нарастания сигнала был проведен численный расчет зависимости изменения плотности энергии сигнала W(x)=hvQ(x) при его распространении вдоль активного элемента из кристалла КГВ размерами 04х5О мм и концентрацией неодима 3%, и
19 2
сечением генерационного перехода аэфф= 4,3 •Ю-19 см2 .
Результаты численного расчета для коэффициента усиления Ко=0,5 см-1 представлены на рис.1.
Как видно из графиков при величинах плотности энергии входного сигнала Wm¡n>0,6 Дж/см2 зависимость изменения величины сигнала по длине близка к линейной, а при энергиях W*^0,9 Дж/см2 наблюдается максимальный прирост сигнала на длину АЭ. Из приведенных выше результатов численного эксперимента следует, что оптимальный режим работы усилительного каскада обеспечивается при плотности входного сигнала Wвx, находящегося в пределах Wm¡n <Wвx<W*.
Для активного элемента из КГВ данная величина по полученным выше оценкам составляет Wвx=0,6^0,9 Дж/см2 .
Для подтверждения расчетов проведены экспериментальные исследования зависимости прироста плотности энергии на выходе усилителя на КГВ от плотности энергии входного сигнала при разных энергиях накачки (коэффициентах усиления) усилителя.
W-Wо, Дж/см 2
0,8
0,6
0,4
0,2
0
1
W=0,1 W=0,2 ^=0,4 W=0,6 W=0,8 W=1 Дж/см2
I, см
Рис.1 Зависимость прироста плотности энергии от длины АЭ для разных плотностей входной энергии
Для уменьшения погрешности эксперимента излучение зондирующего моноимпульсного лазера (задающего генератора) имело малую расходимость (5 угл.мин по уровню 0,9 энергии). Для исключения влияния краевых эффектов, связанных с несоосностью активных элементов задающего генератора и усилителя и точного ограничения объема активной среды, на входе и выходе усилителя соосно устанавливались диафрагмы. Диаметр диафрагм составлял примерно 0,6 от эффективного диаметра активных элементов. Для накачки использовались одинаковые лампы накачки ИНП3-35, однотипные осветители с диффузно-отражающим покрытием из окиси цинка с интегральным коэффициентом отражения не менее 95%. Измерения проводились на серийно изготавливаемых активных элементах из КГВ размерами 04х50 и 05х50 мм с концентрацией неодима 3%. Для повышения
1
0
эффективности накачки лампы работали в режиме "дежурной" дуги с током 2025 мА. Длительность накачки 60 мкс по уровню 0,35. Форма импульса накачки -колоколообразная. Энергия излучения измерялась калориметром ИКТ-1Н.
Для получения плотностей энергии более 0,5 Дж/см2 использовался дополнительный предусилитель, расположенный за задающим генератором.
Для исключения влияния суперлюминесценции на усилительный каскад между задающим генератором и усилителем помещался развязывающий элемент, пропускающий только моноимпульсное излучение. В нашем случае в качестве развязывающего элемента использовался пассивный затвор из ГСГГ:Ог3+ с начальным пропусканием То=10%.
Как показали дальнейшие измерения выходной энергии с учетом развязывающего элемента и без него, в диапазоне энергий накачек до 12 Дж влияние усилительного каскада на выходную энергию задающего генератора не проявлялось (в пределах погрешности измерений).
У^О, ДЖ/СМ2
1,6
1,4 1,2 1
0,8 0,6 0,4 0,2 0
__—---
л _ _____А-
-/-£ ' / / / * А'' ----
—
//-' А / и/ /7/7 ^
1 £ // / 1 / 1// 1 к щ у
'// / чЛ / чП А Ч / ^А '/// /
—»—1 --2
—х—3
----6
д 4
----7
о 5 о 8
1,2
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
Wо, Дж/см 2
Рис.2 Зависимость прироста плотности энергии генерации от плотности энергии входного сигнала.
Результаты экспериментальных исследований представлены на рис.2. Кривые 1, 2, 3, 4, 5 соответствуют энергии накачки усилителя 3Дж (Ко=0,36 см-1,
5 Дж (Ко=0,5 см-1) ,7Дж (Ко=0,62 см-1), 9 Дж (Ко=0,7 см-1) и 12 Дж (Ко=0,8 см-1) , соответственно. Сплошные линии - экспериментальные данные, пунктирные
линии 6, 7, 8 - расчет по формуле (2), приведенный для энергий накачки 7 Дж, 9 Дж и 12 Дж, соответственно.
Как следует из графиков рис. 2, при величинах плотности входного сигнала Wвx>0,5 Дж/см2 прирост плотности энергии начинает заметно уменьшаться, а при Wвx^0,9^1,0 Дж/см2 приходит в насыщение и перестает возрастать. Из экспериментальных зависимостей можно определить плотность запасенной энергии, 90% которой соответствуют величине насыщения прироста плотности энергии.
На рис 3 представлена зависимость коэффициента усиления К0 от энергии накачки усилителя, измеренная при слабом входном сигнале -плотности энергии 0,2 мДж/см2.
КО см-1
Ен=к;Дн
0 2 4 6 8 10
Рис. 3 Зависимость коэффициента усиления от энергии накачки
На рис.4 представлена зависимость запасенной плотности энергии в активном элементе из КГВ от энергии накачки, полученная с учетом рис. 2. Как и следовало ожидать, экспериментально измеренная зависимость запасенной плотности энергии с хорошей точностью согласуется с рассчитанной с учетом формулы [4]:
И •V• К • I
АЖ
= а
эфф
(3)
W зап, Дж/см2 1,5
0
0 2 4 6 8 10 12 Енак, Дж
Рис.4 Зависимость запасенной плотности энергии от энергии накачки
Зная величину запасенной плотности энергии Wзап=AW/0,9, по формуле
(4), полученной из решения уравнения (1) для случая слабого сигнала, можно
определить эффективное сечение генерационного перехода аэфф:,
Иу-р-1 Иу ■
а
'эфф
■ + ■
Ко I
(4)
Численный расчет аэфф с учетом экспериментально измеренных значений
2 1 запасенной энергии W3aП= 0,85 Дж/см2 при коэффициенте усиления Ко- =0,5см
19 2
дает величину аэфф=4,6 10 см2 .
Полученное значение аэфф хорошо согласуется со значением
19 2
аэфф=4,3 10 см2, приведенным в [2].
На рис.5 представлена экспериментальная зависимость прироста энергии от входной энергии для опытного образца импульсно- периодического лазера с однопроходным усилителем на активном элементе из КГВ размерами 4х50 мм и концентрацией неодима 3%. Активный элемент задающего генератора имел аналогичные размеры и концентрацию. Резонатор задающего генератора был образован плоским выходным зеркалом с коэффициентом отражения К=30%, в качестве «глухого» зеркала использовалась призма полного внутреннего отражения БР-180. Оптическая длина резонатора 30 см,
модуляция добротности производилась электрооптическим затвором из ниобата лития со скошенными под углом Брюстера торцами.
Незначительное (в пределах 20%) отличие экспериментальных значений прироста энергии от результатов, представленных на рис 2 (кривые 2,3) объясняется, прежде всего, неоднородностью коэффициента усиления по поперечному сечению активного элемента, а также неидеальностью согласования апертур усилителя и задающего генератора.
При суммарной накачке усилителя и задающего генератора 10 Дж энергия генерации на выходе усилителя 100 мДж.
Е-Ео, мДж
80
70
60
50
40
30
20
10
2
]____—
( 1
20 25 30 35 40 45 50
Рис. 5. Зависимость прироста энергии генерации от входной энергии:
Кривая 1- для энергии накачки усилителя Енак=5 Дж, Кривая 2 - для Енак= 7 Дж.
Ео, мДж
Исходя из полученных в работе [6] экспериментальных данных для
коэффициентов усиления для активных элементов из ГСГГ:Ог3+: № АИГ:ЫЬ3+ сравним усилительные свойства активного элемента из КГВ: ЫЬ3+ с указанными активными элементами. Для этого проведем численное интегрирование уравнения (2) по всей длине активных элементов при
-|3+
одинаковой энергии накачки усилителя 7 Дж. Для расчета прироста энергии в активном элементе из КГВ используем экспериментально измеренные
1 19 2
значения коэффициента начального усиления Ко=0,62см и аэфф=4,6 10 см2. Результаты численного интегрирования представлены на рис 6
1,6 1,4 1,2 1
0,8 0,6 0,4 0,2 0
W-Wo, Дж/см2
0,2
0,4
0,6
0,8
~~~~~~
✓
/
♦ 1-ИАГ
--2-КГВ
--3- ГСГГ
1,2 1,4 Wo, Дж/см2
Рис 6 Зависимость прироста плотности энергии излучения от плотности энергии входного сигнала.
Обозначим через W0,9 величину входного сигнала, который снимает 90% плотности энергии, запасенной в усилителе. Анализ кривых показывает, что усилительные свойства АЭ из кристаллов КГВ и ИАГ примерно одинаковые, причем значение W0,9 для КГВ в 2 раза ниже, чем для ГСГГ. Таким образом, для достижения оптимальных условий съема энергии, запасенной в КГВ, требуется существенно меньший уровень входного сигнала, чем для ГСГГ, однако прирост энергии импульса при прохождении через усилитель из ГСГГ выше, чем для КГВ.
В заключении следует отметить, что в лазере с однопроходным усилителем на КГВ в диапазоне плотностей энергии входного сигнала 0,6-0,9 Дж/см2 практически полностью используется вся запасенная в АЭ энергия.
Максимальный съем ^тах=1,6 Дж/см2) запасенной энергии реализуется
2
при плотностях энергии входного сигнала Wвx~0,9 Дж/см2
0
1
Литература:
1. Жариков Е.В., Житнюк В.А., Зверев Г.М., Калитин С.П., Куратев И.И.,Лаптев В.В., Онищенко А.М., Осико В.В.,Пашков В.А., Пименов А.С.,Прохоров А.М., Смирнов В.А., Стельмах М.Ф., Шестаков А.В., Щербаков И.А. Активные среды для высокоэффективных неодимовых лазеров с неселективной накачкой// Квантовая электроника, 9, №12, 1982.-С.2531-2533.
2. Мочалов И. В. Нелинейная оптика лазерного кристалла калий-гадолиниевого вольфрамата, активированного неодимом К0С^04)2 : ЫС 3+.-Оптический журнал ,1995, №11.- С.4-36
3. Жариков Е.В., Житнюк Б.А.,Зверев Г.М., Калитин С.П. и др.// Квантовая электроника, т.9, С.2531; Препринт № 197, М., ФИАН им. Лебедева, 1982.
4. Бученков В.А., Витрищак И.Б., Евдокимова В.Г., Сомс Л.Н., Степанов А.И., Ступников В.К.О температурной зависимости усиления моноимпульсов в ИАГ: ЫС3+ // Квантовая электроника, т.8, № 6,1981.- С.1171.
5. Басиев Т.Т., Жариков Е.В., Миров С. Б. и др. // Квантовая электроника, т. 13, 1986.- С.412.
6. Исаев М.П., Кушнир В.Р, Новиков С.Г. Лазер с двухпроходовым усилителем на ГСГГ // Электронная техника. Лазерная техника и оптоэлектроника, вып.1 (57), 1991, С.30-31.
7. Микаэлян А. Л., Тер-Микаэлян М.Л, Турков Ю.Г.- Оптические генераторы на твердом теле. М., «Сов. Радио», 1967, С.342.
