Лазер канала накачки параметрического усилителя чирпированных импульсов

Генерация лазерных импульсов короткой и ультракороткой длительности. Лазерные системы с усилением чирпированных импульсов. Развитие термической линзы и методы ее устранения. Экспериментальная схема и принцип работы Nd:YLF лазера с диодной накачкой.

Рубрика Физика и энергетика
Вид курсовая работа
Язык русский
Дата добавления 26.05.2018
Размер файла 4,6 M

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство высшего и среднего специального образования Республики Узбекистан

Национальный университет Узбекистана имени Мирзо Улугбека

Физический факультет

Кафедра «Оптики и лазерной физики»

Квалификационная выпускная работа

Направление обучения: 5440100 - Физика

Лазер канала накачки параметрического усилителя чирпированных импульсов

Ерматов Рахим Юлдашевич

Научные руководители:

Профессор Кулагин И.А.

Профессор Соколов Б.Ю.

Ташкент - 2014 г.

Оглавление

лазерный импульс чирпированный накачка

Введение

Глава 1. Современные мощные лазерные системы

1.1 Принципы генерации лазерного излучения

1.1.1 Схемы накачки

1.1.2 Генерация лазерных импульсов короткой и ультракороткой длительности

1.2 Лазерные системы с усилением чирпированных импульсов

1.3 Системы накачки параметрического усилителя чирпированных импульсов

1.4 Постановка задачи

Глава 2. Канал накачки лазера с параметрическим усилением чирпированых импульсов

2.1 Общая схема лазера с параметрическим усилением чирпированных импульсов

2.2 Активный элемент Nd:YLF

2.3 Развитие термической линзы и методы ее устранения

2.4 Экспериментальная схема и принцип работы Nd:YLF лазера с диодной накачкой

Глава 3. Анализ работы системы усиления канала накачки лазера с параметрическим усилением чирпированных импульсов

3.1 Регенеративный усилитель

3.2 Система линейного усиления

3.3 Расчет регенеративного усилителя

Заключение

Список литературы

Введение

Актуальность

В последние годы большое внимание уделяется созданию сверхмощных лазерных источников. Их использование в фундаментальных и прикладных научных исследованиях, в технике, для промышленных и медицинских приложений открывает новые перспективы. Исследование свойств материи, находящейся в экстремальном состоянии, ускорение заряженных частиц, лазерный термоядерный синтез, протонная терапия - вот далеко не полный перечень актуальных задач, решение которых возможно с помощью лазерных систем, пиковая мощность которых превышает петаватт.

Лазерные источники импульсного излучения тераваттного, а тем более петаваттного уровня мощности основаны на методе усиления чирпированных импульсов (chirped pulse amplification - СРА). Основная идея СРА метода состоит в усилении предварительно растянутого во времени сверхкороткого импульса и последующем его сжатии до первоначальной длительности. Растяжение уменьшает пиковую мощность импульса на порядки, что позволяет пропускать его через усиливающую среду без повреждения ее световым полем.

Одними из основных элементов CPA системы являются стретчер и компрессор. Контролируемое растяжение и сжатие (рекомпрессия) сверхкоротких импульсов осуществляется в результате их чирпирования (фазовой модуляции) благодаря дисперсии этих оптических устройств. Наибольшее распространение получили стретчеры и компрессоры, основанные на дифракционных решетках, поскольку решетки обладают рекордно большой дисперсией и способны обеспечить максимальные коэффициенты растяжения - сжатия.

Характеристики рекомпрессированного импульса - длительность, контраст, наличие сателлитов - зависят от согласования стретчера и компрессора в различных порядках дисперсии фазового набега. Таким образом, проблема согласования дисперсионных характеристик этих устройств является основной при создании лазерных СРА систем. Эта задача тесно связана с задачей повышения точности юстировки взаимного положения решеток, ответственной за пространственно-временные характеристики фемтосекундных импульсов. Разработка оригинальных схем согласованных стретчеров и компрессоров, а также создание методик их точной настройки и юстировки позволяет продвигаться к недоступным ранее мощностям лазерного излучения.

Цель работы

Цель настоящей работы заключалась в анализе работы системы накачки сверхмощной лазерной установки, основанной на методе параметрического усиления чирпированных импульсов, и расчете энергетических параметров излучения, усиливаемого в регенеративном усилителе. В частности:

Проведение анализа принципов генерации лазерного излучения и генерация лазерных импульсов короткой и ультракороткой длительности;

Ознакомление и анализ работы системы усиления канала накачки лазера с параметрическим усилением чирпированных импульсов.

Составление программы расчета регенеративного усилителя.

Анализ энергетических параметров выходного излучения регенеративного усилителя.

Структура

Дипломная работа состоит из введения, трёх глав, заключения и списка литературы. Работа содержит 42 страницы текста, включая 23 рисунка, 1 таблицу и 20 наименований в списке литературы.

Глава 1. Современные мощные лазерные системы

1.1 Принципы генерации лазерного излучения

Рассмотрим в какой-либо среде два произвольных энергетических уровня 1 и 2 с соответствующими населенностями N1 и N2. Пусть в этой среде в направлении оси z распространяется плоская волна с интенсивностью, соответствующей плотности потока фотонов F.

(1.1)

(1.2)

(1.3)

(1.4)

Тогда в соответствии с выражениями (1.1-1.4) изменение плотности потока dF, обусловленное как процессами вынужденного излучения, так и процессами поглощения, в слое dz (заштрихованная область на рис. 1) определяется уравнением

dz (1.5)

Из уравнения (1.5) следует, что в случае N2 > N1 среда ведет себя как усиливающая (т. е. dF/dz > 0), а в случае N2 < N1 -- как поглощающая. Известно, что при термодинамическом равновесии населенности энергетических уровней описываются статистикой Больцмана. Так, если и -- населенности двух уровней при термодинамическом равновесии, то мы имеем

, (1.6)

где k -- постоянная Больцмана, а Т -- абсолютная температура среды. Таким образом, мы видим, что в случае термодинамического равновесия N2 <N1. В соответствии с (1.5) среда поглощает излучение на частоте н, что обычно и происходит. Однако если удастся достигнуть неравновесного состояния, для которого N2 > N1, то среда будет действовать как усилитель.

Рис. 1. Изменение плотности потока фотонов dF при прохождении плоской электромагнитной волны через слой вещества толщиной dz

В этом случае будем говорить, что в среде существует инверсия населенностей, имея в виду, что разность населенностей (N2 -- N1 > 0) противоположна по знаку той, которая существует в обычных условиях ( -- <0). Среду, в которой осуществлена инверсия населенностей, будем называть активной средой.

Для того чтобы усилитель превратить в генератор, необходимо ввести подходящую положительную обратную связь.

В СВЧ-диапазоне это достигается тем, что активную среду помещают в объемный резонатор, имеющий резонанс при частоте н. В лазере обратную связь обычно получают размещением активной среды между двумя зеркалами с высоким коэффициентом отражения (например, между плоскопараллельными зеркалами, как показано на рис. 2). В этом случае плоская электромагнитная волна, распространяющаяся в направлении, перпендикулярном зеркалам, будет поочередно отражаться от них, усиливаясь при каждом прохождении через активную среду.

В лазере генерация начинается тогда, когда усиление активной среды компенсирует потери в нем (скажем, потери, обусловленные частичным выходом излучения из резонатора через зеркало). В соответствии с выражением (1.5) усиление излучения за один проход в активной среде (т. е. отношение выходной и входной плотностей потока фотонов) равно , где l -- длина активной среды.

Если потери в резонаторе определяются только пропусканием зеркал, то порог генерации будет достигнут при выполнении условия , где -- коэффициенты отражения зеркал по интенсивности. Это условие показывает, что порог достигается тогда, когда инверсия населенностей приближается к некоторому критическому значению (N2 -- N1)KP, называемому критической инверсией и определяемому соотношением

= (1.7)

Как только достигнута критическая инверсия, генерация разовьется из спонтанного излучения. Действительно, фотоны, которые спонтанно испускаются вдоль оси резонатора, будут усиливаться. Этот механизм и лежит в основе лазерного генератора, называемого обычно просто лазером.

Рис. 2. Схема устройства лазера.

1.1.1 Схемы накачки

На первый взгляд может показаться, что инверсию можно было бы создать при взаимодействии среды с достаточно сильной электромагнитной волной частоты v, определяемой выражением (1.8).

(1.8)

Поскольку при термодинамическом равновесии уровень 1 заселен больше, чем уровень 2, поглощение преобладает над вынужденным излучением, т. е. под действием падающей волны происходит больше переходов 1>2, чем переходов 2>1, и можно надеяться осуществить таким путем инверсию населенностей. Однако нетрудно заметить, что такой механизм работать не будет (по крайней мере, в стационарных условиях).

Когда наступят условия, при которых населенности уровней окажутся одинаковыми (N2 = N1), процессы вынужденного излучения и поглощения начнут компенсировать друг друга и в соответствии с (1.5) среда станет прозрачной. В такой ситуации обычно говорят о двухуровневом насыщении.

Таким образом, используя только два уровня, невозможно получить инверсию населенностей. Естественно, возникает вопрос: можно ли это осуществить с использованием более чем двух уровней из неограниченного набора состояний данной атомной системы? Мы увидим, что в этом случае ответ будет утвердительным и можно будет соответственно говорить о трех-и четырехуровневых лазерах в зависимости от числа рабочих уровней (рис. 3). В трехуровневом лазере (рис. 3, а) атомы каким-либо способом переводятся с основного уровня 1 на уровень 3.

Если выбрана среда, в которой атом, оказавшийся в возбужденном состоянии на уровне 3, быстро переходит на уровень 2, то в такой среде можно получить инверсию населенностей между уровнями 2 и 1. В четырехуровневом лазере (рис. 3,б) атомы также переводятся с основного уровня (для удобства будем называть его нулевым) на уровень 3. Если после этого атомы быстро переходят на уровень 2, то между уровнями 2 и 1 может быть получена инверсия населенностей.

Рис. 3. Трёхуровневая (а) и четырёхуровневая (б) схемы лазера

Когда в таком четырехуровневом лазере возникает генерация, атомы в процессе вынужденного излучения переходят с уровня 2 на уровень 1. Поэтому для непрерывной работы четырехуровневого лазера необходимо, чтобы частицы, оказавшиеся на уровне 1, очень быстро переходили на нулевой уровень.

Будет ли система работать по трех- или четырехуровневой схеме, зависит от того, насколько выполняются рассмотренные выше условия. Может возникнуть вопрос: зачем использовать четырехуровневую схему, если уже трехуровневая оказывается весьма эффективной для получения инверсии населенностей? Однако дело в том, что в четырехуровневом лазере инверсию получить гораздо легче. Чтобы убедиться в этом, прежде всего заметим, что разности энергий между рабочими уровнями лазера (рис. 3) обычно много больше, чем kT, и в соответствии со статистикой Больцмана [см., например, формулу (1.6)] почти все атомы при термодинамическом равновесии находятся в основном состоянии.

Если мы теперь обозначим число атомов в единице объема среды как Nt, то в случае трехуровневой системы эти атомы первоначально будут находиться на уровне 1. Переведем теперь атомы с уровня 1 на уровень 3. Тогда с этого уровня атомы будут релаксировать с переходом на более низкий уровень 2. Если такая релаксация происходит достаточно быстро, то уровень 3 остается практически незаселенным. В этом случае, для того чтобы населенности уровней 1 и 2 сделать одинаковыми, на уровень 2 нужно перевести половину атомов Nt, расположенных первоначально на основном уровне. Инверсию населенностей будет создавать любой атом, переведенный на верхний уровень сверх этой половины от общего числа атомов.

Однако в четырехуровневом лазере, поскольку уровень 1 первоначально был также незаселенным, любой атом, оказавшийся в возбужденном состоянии, будет давать вклад в инверсию населенностей. Эти простые рассуждения показывают, что по возможности следует искать активные среды, работающие по четырехуровневой схеме. Для получения инверсии населенностей возможно, разумеется, использование н большего числа энергетических уровней.

Процесс, под действием которого атомы переводятся с уровня 1 на уровень 3 (в трехуровневой схеме лазера) или с уровня 0 на уровень 3 (в четырехуровневой схеме), называется накачкой.

Следует заметить, что если верхний уровень накачки пуст, то скорость, с которой верхний лазерный уровень 2 станет заселяться с помощью накачки , в общем случае можно записать в виде

(1.9)

Здесь Ng -- населенность основного уровня (т. е. уровня 1 или 0 соответственно на рис. 3, a и б), a Wp -- коэффициент, который будем называть скоростью накачки. Для того чтобы достигнуть пороговых условий, скорость накачки должна превысить некоторое пороговое или критическое значение, которое обозначается как WKP.

1.1.2 Генерация лазерных импульсов короткой и ультракороткой длительности

Метод модуляции добротности позволяет получать лазерную генерацию в виде коротких импульсов (длительностью от нескольких наносекунд до нескольких десятков наносекунд) с высокой пиковой мощностью (от нескольких мегаватт до нескольких десятков мегаватт).

Основная идея метода состоит в следующем. Предположим, что в резонатор лазера помещен затвор. Если затвор закрыт, то генерация возникнуть не может и инверсия населенностей может достичь значения, которое намного превышает пороговое, имеющее место в отсутствие затвора. Если теперь резко открыть затвор, то усиление в лазере существенно превысит потери и накопленная энергия выделится в виде короткого и интенсивного светового импульса.

Поскольку при этом происходит переключение добротности резонатора от низкого к высокому значению, то данный метод называется модуляцией добротности.

Метод синхронизации мод позволяет получить генерацию лазерных импульсов сверхкороткой длительности (от нескольких десятков фемтосекунд до нескольких десятков пикосекунд). Синхронизация мод соответствует условию генерации, при котором моды резонатора генерируют с примерно одинаковыми амплитудами и синхронизованными фазами.

Рис. 4. Последовательность событий в лазере с модулированной добротностью (быстрое включение), а -- временные зависимости скорости накачки Wp и потерь в резонаторе г; б -- временные зависимости инверсии населенностей N(t) и числа фотонов q(t)

Рис. 5. Частотное распределение амплитуд мод (представленных вертикальными линиями) лазера с синхронизованными модами; a -- однородное распределение; б -- гауссово распределение в полосе шириной ?, измеряемой на полувысоте

1.2 Лазерные системы с усилением чирпированных импульсов

Основным методом получения мощных лазерных импульсов на протяжении ряда лет является техника усиления чирпированных импульсов по следующей схеме: задающий генератор - стретчер - мощный усилитель - компрессор [1] (рис. 6). Однако, данная техника не позволяет избежать сопутствующего усиления спонтанной эмиссии и дисперсионного влияния усилителей. Кроме того, требования к полосе пропускания усилителей являются повышенными. Эти факторы ограничивают использование данной техники.

Рис. 6. Блок-схема типичного лазера с усилением чирпированных импульсов. Чирп лазерного импульса показан цветовой градацией

Концепция параметрического усиления чирпированных импульсов в качестве альтернативного метода усиления чирпированных лазерных импульсов была предложена в работе [2]. Высокий коэффициент усиления (более 108 при длине усилителя несколько сантиметров), высокая спектральная ширина усиления, низкие шумы, малая длина усиливающей среды в процессах ОРCPА позволяют снизить искажения чирпа и увеличить контраст импульса, что повышает эффективность его последующей компрессии [3-5]. Для реализации параметрического усиления чирпированных импульсов используются двухканальные схемы (рис. 7). В первом канале формируется мощное излучение накачки параметрического усилителя, во втором - усиление по схеме: задающий генератор - стретчер - параметрический усилитель - компрессор. Эта схема исследовалась в ряде работ, посвященных развитию техники параметрического усиления чирпированных импульсов для создания мощных лазерных систем [6-10]. Получено параметрическое усиление чирпированных импульсов, расширенных после стретчера, до длительности 150 пс с энергией 20 пДж до энергии 0,9 Дж с эффективностью 18% [9] и импульсов длительностью 2,4 нс с энергией 300 пДж до энергии 0,4 Дж с эффективностью 30% [10].

Рис. 7. Блок-схема типичного лазера с параметрическим усилением чирпированых импульсов. Чирп сигнального и холостого импульса показан цветовой градацией

В работе [11], используя методику формирования профиля распределения интенсивности сигнала, была получена эффективность перекачки энергии накачки в сигнал 40%. Параметры сигнального импульса и импульса накачки составили: длительность - 2,4 нс и 2,5 нс, энергия - 300 пДж и 1 Дж, соответственно. После сжатия усиленного сигнального импульса были получено излучение длительностью 430 фс и энергией 250 мДж при частоте повторения импульсов 5 Гц. Данная 40% эффективность (отношение энергии выходного сигнала к накачке) является в настоящее время максимальной.

Вместе с тем энергетический коэффициент преобразования (отношение выходного сигнала к суммарной энергии накачки и сигнала на входе усилителя) составляет ~ 15%. Примерно такое же энергетический коэффициент (~13%) был получен в работе [12]. В данной работе было получено ~ 2 Дж нескопрессированного излучения на длине волны 800 нм при накачке излучением с длиной волны 515 нм. Полученное значение соответствовало расчетным. Сравнительно высокий коэффициент параметрического усиления чирпированных импульсов (104) был продемонстрирован в работе [13] при использовании в качестве сигнала излучения Ti:Sapphire лазера. В двух последних работах была получена большая полоса усиления.

Таким образом, проведенный анализ литературных данных показывает, что параметрическое усиление чирпированных импульсов является эффективным методом усиления, которое обладает как высоким коэффициентом усиления, так и большой полосой усиления.

1.3 Системы накачки параметрического усилителя чирпированных импульсов

В лаборатории взаимодействия лазерного излучения с веществом (ВЛИВ) имеется уникальный для своего времени по параметрам излучения многокаскадный неодимовый лазер на фосфатном стекле с длиной волны =1053 нм. Данная лазерная установка является базовой для создания нового современного лазера с параметрическим усилением чирпированных импульсов.

Поэтому для параметрического усиления чирпированных импульсов в вырожденном режиме наиболее подходящим в качестве генератора сигнальных импульсов на длине волны 1053 нм является фемтосекундный иттербиевый лазер на оптоволокне с диодной накачкой. Данный лазер, работающий в режиме пассивной синхронизации мод, излучает импульсы длительностью ~ 200 фс с частотой повторения 30-40 МГц. Далее в сигнальном канале стартового комплекса имеется стретчер или дисперсионная линия задержки, служащий для наведения фазовой модуляции фемтосекундного излучения и приводящий к уширению длительности импульса фемтосекундного излучения до значений 400-500 пикосекунд.

Ко второму каналу лазера - каналу накачки, во многом определяющему эффективность работы всей системы, имеются несколько довольно жестких требований.

Во-первых, лазер накачки должен излучать стабильное по энергии излучение, т.к. параметрическое усиление - существенно нелинейный процесс, который не имеет насыщения усиления, а, с другой стороны, сам коэффициент усиления может достигать величины ~1010.

Во-вторых, необходима жесткая синхронизация импульсов излучения канала накачки с сигналом с характерным временем не хуже 50 пс.

В-третьих, жесткие требования предъявляются к спектрально-временным характеристикам лазерного излучения канала накачки. Излучение должно быть спектрально-ограниченным и стабильным по частоте.

В-четвертых, необходимо предварительное формирование пространственно-временного профиля интенсивности излучения канала накачки, диктуемое как эффективностью преобразования энергии излучения накачки в параметрические волны, так и сохранением чирпа сигнальной волны.

В свете данных требований для стартового комплекса наиболее оптимальным является классическая схема построения лазера: 1) задающий генератор с активной модуляций добротности, управляемой ячейкой Поккельса, 2) формирователь импульса длительностью 2-3 наносекунды с его синхронизацией с фемтосекундным импульсом сигнального канала, 3) регенеративный усилитель излучения, 4) линейные усилители.

Требования к стабильности лазерного излучения вызывают необходимость использования стабильной диодной накачки и эффективных активных элементов на Nd:YLF кристаллах.

1.4 Постановка задачи

На основе анализа литературных данных и создаваемой в Институте ионно-плазменных и лазерных технологий АН РУз лазерной системы с параметрическим усилением чирпированн?х импульсов вытекает следующая постановка задачи.

Ознакомление и анализ работы системы усиления канала накачки лазера с параметрическим усилением чирпированных импульсов.

Составление программы расчета регенеративного усилителя.

Анализ энергетических параметров выходного излучения регенеративного усилителя.

Глава 2. Канал накачки лазера с параметрическим усилением чирпированых импульсов

2.1 Общая схема лазера с параметрическим усилением чирпированных импульсов

Общая схема лазера с параметрическим усилением чирпированных импульсов представлена на рис. 8. Из лазерного канала накачки выходит наносекундный импульс с частотой . После этого частота излучения удваивается в процессе генерации второй гармоники (ГВГ), после удвоителя частоты данный импульс служит в качестве накачки параметрического усилителя (ПУ). Параллельно в ПУ так же заходит другой наносекундный сигнальный импульс с частотой щ, который изначально создается в фемтосекундном лазере и растягивается при помощи стретчера до наносекундного диапазона. В ПУ растянутый сигнальный импульс усиливается и затем сжимается при помощи компрессора.

Импульс расширяется для того, чтобы не было пробоя. То есть, работа происходит следующим образом: расширение - усиление - сжатие.

Рис. 8. Общая схема лазера с параметрическим усилением чирпированных импульсов

2.2 Активный элемент Nd:YLF

Лазерные активные YLF элементы изготавливаются из кристалла иттрий-литиевого фторида (YLiF4). YLF - это аббревиатура Yttrium Lithium Fluoride. Обычно термин YLF лазер используется для лазеров, основанных на YLF кристалле легированном неодимом (Nd3+:YLF), хотя существуют кристаллы YLF, легированные другими редкоземельными элементами, например, иттербием (Yb), эрбием (Er), тулием (Tm), гольмием (Ho) или празеодимом (Pr).

Из-за сходного размера, ионы иттрия в кристалле YLF могут быть заменены лазерно-активными редкоземельными ионами, не вызывая сильного искажения структуры кристаллической решетки. В YLF кристалле легированном неодимом (Nd3+:YLF) концентрация (Nd3+) обычно составляет до 1 % по весу.

Рис. 9. Активный элемент Nd:YLF

Вид кристаллической решетки YLF кристалла - тетрагональная сингония, кристаллографические оси (a = b ? c) - ортогональны; (а = 5,26 ангстрем; с = 10,94 ангстрем).

У YLF кристалла есть сильное естественное двулучепреломление, которое устраняет термически вызванные деполяризационные потери. Кроме того, усиление и излучаемые длины волн Nd:YLF кристалла поляризационно зависимы, есть более сильная линия на 1047 нм для р - поляризации (вектор E - параллелен оси с), и более слабая 1053 нм для у -поляризации (вектор E - перпендикулярен оси с).

Длина волны 1053 нм соответствует максимуму контура усиления фосфатного лазерного стекла, содержащего ионы неодима, поэтому Nd:YLF лазеры на длине волны 1053 нм используются как задающий генератор или предусилитель для последующего каскада усилителей на фосфатном стекле с неодимом.

Nd:YLF кристалл имеет время жизни рабочего уровня до 500мкс, что позволяет накопить относительно большое количество энергии. Высокая теплопроводность позволяет использовать его при больших частотах накачки, стержень диаметром 3мм может работать на частоте 1 ГГц.

Другой особенностью лазера на Nd:YLF является то, что в зависимости от ориентации и поляризации пучка излучения он может работать на длинах волн 1047 нм или 1053 нм, причем сечение вынужденного излучения на переходе 1047 нм в 1,5 раз больше по сравнению с 1053 нм.

В экспериментах использовался активный элемент, вырезанный перпендикулярно оси Z для генерации у поляризованного излучения на длине волны 1,053нм. Размеры активного элемента - 5х11мм, концентрация неодима - 1,06%. На рис. 10 представлены его геометрические размеры. Ниже в таблице 1 приведены основные характеристики активного элемента.

Таблица 1. Характеристики активного элемента

Параметр

YLiF

Длина волны л, мкм

1,047 (р)

1,053 (у)

Время жизни возбужденного состояния, мкс

480

Показатель преломления n (на длине волны л=0,5 мкм)

1,4567 (no)

1,4796 (ne)

Коэффициент термического расширения, К-1

1,3 10-6 (ось б)

8 10-6 (ось с)

Теплопроводность, Вт/м К

6

Теплоемкость, Дж/г К

0,79

Температурный градиент показателя преломления , K-1

-4.3 10-6 (р)

-4 10-6 (у)

Поперечное сечение вынужденного перехода при Т-300, К/см2

1,8 10-19 (р)

1,2 10-19 (у)

Плотность, г/см3

4

На рис. 11 представлен спектр пропускания Nd:YLF. Из рисунка видно, что максимальное поглощение (в довольно узкой области) находится вблизи 795нм и 803нм.

р - л1=1,047 мкм, у - л2=1,053 мкм

а

б

A - дихроичное зеркало (максимальное пропускание на л=802 нм, максимальное отражение на л=1053 нм), В - антиотражающее покрытие на л=1053 нм.

Рис. 10. Зависимость длины волны от направления поляризации (а) и геометрические размеры (б) использованного кристалла

Рис. 11. Спектр пропускания кристалла

2.3 Развитие термической линзы и методы ее устранения

Схема геометрии диодной накачки представлена на рис. 12. Оптимизация диодной накачки осуществлялась путем экспериментального подбора параметров А и В, где А - расстояние от выхода световода 2 до линзы 3, В - расстояние от линзы 3 до активного элемента 4. Оптимальными параметрами считались такие, при которых порог генерации по величине тока накачки в резонаторе, образованном зеркалами 5 и 6, был минимальным.

При коэффициенте отражения зеркала 6 равном 84% минимальный ток накачки составил 13А. Были измерены геометрические параметры области лазерной накачки в АЭ по интенсивности люминесценции. Результат измерений представлен на рис. 13. Форма импульса накачки - прямоугольная. Измерения проводились при длительности накачки 342мкс и частоте следования импульсов 12,5Гц. На рисунке 13,а и б справа показано продольное и поперечное сечение области накачки, соответственно (здесь 1пиксель=0,016 мм).

Эффективность преобразования свет-свет в режиме свободной генерации с зеркалом c R=84% составила 23% , 29% и 31% при токе накачки 40А, 50А и 60А, соответственно.

Диаметр области накачки с линзой 8-9мм составил 51пиксель на входе в АЭ, длина на полувысоте - 209 пикселей. Оптимальное расстояние А от световода до линзы составило 13мм, расстояние В от линзы до АЭ - 19,5мм. На расстоянии 2,46мм наблюдался спад интенсивности люминесценции в 2 раза. Размеры области накачки по интенсивности на полувысоте составили 0,4х 2,46мм.

1 - блок диодной накачки. 2 - световод. 3 - фокусирующая линза. 4 - активный элемент. 5 - дихроическое зеркало. 6 - зеркало с коэффициентом отражения 84%.

Рис. 12. Геометрия диодной накачки

а

б

Рис. 13. Люминесценция активного элемента в области диодной накачки

2.4 Экспериментальная схема и принцип работы Nd:YLF лазера с диодной накачкой

Для накачки использовались лазерные диоды: фирмы «Limo» мощностью 32Вт и фирмы «Jenoptik» мощностью 70Вт. Излучение лазерного диода на средней длине волны 802нм вводилось в световод и на выходе световода после фокусирующей линзы направлялось в активный элемент.

На рис. 14 представлен спектр пропускания диодного лазера. Зависимость длины волны от температуры - линейная (802нм при 16оС и 806 нм при 30оС). С увеличением температуры от 15о до 30о мощность возрастает на 7%.

Рис. 14. Спектр излучения диодного лазера

Схема лазерной накачки должна включать в себя задающий генератор, систему формирования профилированных импульсов с длительностью несколько превышающей длительность усиливаемых импульсов, регенеративный усилитель, линейный усилитель, систему синхронизации. Вся эта система необходима для получения мощных стабильных по форме и спектральному составу импульсов накачки.

Основная задача задающего генератора (ЗГ) лазера накачки - обеспечить стабильные спектральные параметры излучения при работе в частотном режиме.

Экспериментальная схема ЗГ представлена на рис. 15. Резонатор лазера образован зеркалами 4 и 7. Длина резонатора - 10 см. Вывод излучения генерации осуществляется через сферическое зеркало 7 с коэффициентом пропускания 10%. Поляризация - вертикальная. Параметры излучения на выходе ЗГ2: длительность импульса - 15нс, энергия в импульсе - 40мкДж.

Рис. 15. Экспериментальная схема задающего генератора

Общая схема лазера накачки представлена на рис. 16. Схема состоит из 4х блоков. Блок I содержит схему ЗГ. Блок II предназначен для формирования временных параметров импульса накачки. В этом блоке при двойном проходе импульса излучения ЗГ через полуволновую ячейку Поккельса 8 формируется импульс близкий к прямоугольному с длительностью 2,5нс и энергией 5мкДж. Для дальнейшего усиления сформированный импульс поступает в блок III содержащий схему регенеративного усиления.

I - схема задающего генератора, II - схема формирования импульса, III - схема регенеративного усилителя

1, 21 - световод диодной накачки. 2, 20 - линза фокусирующая излучение диодной накачки в активный элемент. 3,19 - активный элемент Nd:YLF 5х11мм. 4,8,15- ячейка Поккельса. 5 - призма Глана. 6,18 - сферическая линза. 7,14,16 - призма из кальцита. 9,10, 11,12,13, 17,22,23,24,25,27,28 - зеркало.

Рис. 16. Схема лазера накачки параметрического усилителя

Глава 3. Анализ работы системы усиления канала накачки лазера с параметрическим усилением чирпированных импульсов

3.1 Регенеративный усилитель

Оптическая схема регенеративного усилителя (РУ) представлена на рис. 16 в блоке III.

Фотография РУ приведена на рис. 17

На рис. 18 приведена осциллограмма импульса на входе РУ.

На рис. 19 представлены осциллограммы импульсов, полученных при усилении внутри РУ (рис. 19,а) и на выходе РУ (рис. 19,б).

Длительность импульса на выходе РУ составила 2,5нс, энергия излучения в импульсе 170мкДж.

Рис. 17. Фотография РУ

Рис. 18. Осциллограмма импульса на входе в РУ

а

б

Рис. 19. Осциллограммы усиленных импульсов

3.2 Система линейного усиления

После РУ лазерное излучение усиливалось в системе линейного усиления. Оптическая схема линейного усилителя собрана на активных элементах Nd:YLF с ламповой накачкой. Были использованы активные элементы размером 4х65мм и 8х40мм. Каждый усилитель использовался как двухпроходный усилитель с пространственным фильтром между ними.

Энергия излучения на выходе линейного усилителя составила 58мДж в импульсе длительностью 2,5нс.

3.3 Расчет регенеративного усилителя

При регенеративном усилении длительность накачки, как правило, существенно превосходит длительность усиленного сигнала. В нашем случае длительность накачки составляет около нескольких микросекунд, тогда как длительность усиливаемого сигнала соответствует нескольким наносекундам. При длине регенеративного усилителя порядка десятка сантиметров количество проходов усиливаемого импульса в регенеративном усилителе может достигать несколько тысяч. Очевидно, что существует определенное оптимальное количество проходов, через которое усиленное излучением должно быть выведено из регенеративного усилителя.

Анализ оптимального числа проходов, при котором энергия усиливаемого сигнала достигает максимального значения проводился в рамках приближения однородного распределения накачки по пространственным и временной координате [19,20]. В этом случае выражение для выходной плотности энергии усиленного сигнала на каждом проходе можно найти из рекуррентной формулы:

(3.1)

здесь - плотность энергии насыщения активного элемента усилителя, - входная плотность энергии на n-том проходе. Коэффициент усиления слабого сигнала на каждом проходе определяется на основе соотношения:

(3.2)

здесь - плотность энергии, запасенная в регенеративном усилителе на данном проходе, которая определяется соотношением

(3.3)

где - коэффициент затухания. На начальном этапе , где - коэффициент связи, - плотность энергии накачки, которая определяется как отношение энергии накачки к поперечному сечению.

Входная плотность энергии на каждом проходе определяется влиянием коэффициента потерь :

(3.4)

Представленные рекуррентные соотношения позволяют определить выходную плотность энергии и энергию усиленного излучения для определенной активной среды, параметрах регенеративного усилителя и энергии накачки и усиленного сигнала. На основе данных соотношений была составлена программа расчета регенеративного усилителя в среде Матлаб.

На рис. 20 приведены зависимости плотности энергии усиливаемого излучения от числа проходов в регенеративной усилителе. Для анализа были использованы следующие параметры. Плотность энергии насыщения была равна = 0.9 Дж/см2, коэффициент потерь на каждый проход был равен = 0.9, коэффициент связи составил = 0.9, коэффициент затухания - =1. Энергия накачки, заполнявшая радиус пучка, была равна = 100 мДж, радиус пучка составил 1 мм. При этом плотность энергии накачки составила 3.18 Дж/см2. Линией 1 представлена зависимость, полученная при начальной энергии усиливаемого сигнала = 1 пДж. Из рисунка видно, что максимальная плотность мощности 2.36 Дж/см2 достигается при количестве проходов N = 9. С дальнейшим увеличением числа проходов энергия усиливаемого сигнала резко снижается. Таким образом, в этом случае необходим вывод сигнала после оптимального количества проходов. Очевидно, что желательно менее резкий спад и увеличение плотности энергии с изменением числа проходов в связи с тем, что нестабильность лазерного излучения может значительно снизить плотность энергии усиливаемого сигнала. С увеличением начальной энергии усиливаемого излучения максимальная плотность энергии усиленного сигнала достигается при меньшем числе проходов. Линией 2 приведена зависимость, полученная при = 1 нДж. В этом случае оптимальное число проходов равно 7. При этом максимальная плотность энергии усиленного сигнала немного снижается.

Рис. 20. Зависимость плотности энергии усиленного сигнала от числа проходов при различном уровне начальной энергии усиливаемого сигнала

Рассмотрим влияние изменения коэффициента потерь. На рис. 21 приведены зависимости плотности энергии усиливаемого излучения от числа проходов в регенеративной усилителе при различных значениях коэффициента потерь. Значения начальных параметров соответствовали кривой 1 рисунка 20. Кривая 1 рис. 21 соответствует = 0.9, тогда как кривая 2 - = 0.6. Из рисунка видно, что с ослаблением коэффициента потерь между входным и выходным излучением на каждом проходе максимальная плотность энергии усиленного сигнала уменьшается. При этом оптимальное число проходов возрастает. Необходимо отметить, что ослабление коэффициента потерь приводит к более плавной зависимости плотности энергии усиливаемого излучения от числа проходов.

Рис. 21. Зависимость плотности энергии усиленного сигнала от числа проходов при различных коэффициентах потерь

Уменьшение уровня энергии накачки также снижает максимальную плотность энергии усиленного сигнала (рис. 22). На данном рисунке приведены зависимости плотности энергии усиливаемого излучения от числа проходов в регенеративной усилителе при различных значениях энергии накачки. Параметры, при которых получена кривая 1, соответствуют параметрам, при которых получена кривая 1 на рис. 20. Кривая 2 получена при тех же параметрах, но при энергии накачки = 30 мДж. Из рисунка видно, что в этом случае оптимальное число проходом, при которых достигается максимальная энергия усиленного сигнала существенно возрастает и равно 30. Также как и с уменьшением коэффициента потерь в данном случае зависимость плотности энергии усиливаемого излучения от числа проходов в регенеративной усилителе становится более плавной.

Рис. 22. Зависимость плотности энергии усиленного сигнала от числа проходов при различных энергиях накачки

Плотность энергии насыщения определяется материалом активной среды усилителя. Рассмотрим как влияет изменение плотности энергии насыщения. На рис. 23 приведены зависимости плотности энергии усиленного сигнала от числа проходов при различных значениях плотности энергии насыщения .

Рис. 23. Зависимость плотности энергии усиленного сигнала от числа проходов при различных значениях плотности энергии насыщения

Параметры, при которых получена кривая 1, соответствуют параметрам, при которых получена кривая 2 на рис. 22. Кривая 2 получена при уменьшении плотности энергии насыщения = 0.5 Дж/см2. Из рисунка видно, что уменьшение плотности энергии насыщения уменьшает оптимальное число проходов и немного повышает энергию усиленного сигнала. Зависимость плотности энергии усиливаемого излучения от числа проходов в регенеративной усилителе становится более резкой.

Заключение

В заключении сформулируем основные выводы работы.

Проведен анализ работы системы накачки лазера с параметрическим усилением чирпированных импульсов и ее частей. Рассмотрено влияние термической линзы в лазерной системе с диодной накачкой и методы ее устранения. Проведен анализ работы различных схем задающего генератора.

Проведен анализ экспериментальной схемы работы регенеративного усилителя.

На основе рекуррентного соотношения составлена программа расчета регенеративного усилителя в среде Матлаб.

Проведен расчет параметров выходного излучения регенеративного усилителя при различных значениях энергии усиливаемого сигнала и энергии накачки регенеративного усилителя, коэффициента потерь и плотности энергии насыщения активных элементов усилителя.

Получено, что оптимальное число проходов усиливаемого излучения увеличивается с уменьшением энергии усиливаемого сигнала, коэффициента потерь и энергии накачки. С уменьшением плотности энергии насыщения активного элемента усилителя оптимальное число проходов уменьшается.

Установлено, что энергия усиленного сигнала возрастает с уменьшением начального уровня затравочного усиливаемого сигнала.

Список литературы

1. D. Strickland, G. Mourou, “Compression of amplified optical chirped pulses”, Opt. Commun., 56, 219 (1985).

2. A. Dubietis, G. Jonusauskas, A. Piskarskas, “Powerful femtosecond pulse generation by chirped and stretched pulse parametric amplification in BBO crystal”, Opt. Commun., 88, 437 (1992).

3. P.Di Trapani, A. Andreoni, C. Solcia, P. Foggi, R. Danielius, A. Dubietis, A. Piskarskas, “Matching of group velocities in three-wave parametric interaction with femtosecond pulses and application to traveling-wave generators”, J. Opt. Soc. Am., B 12, 2237 (1995).

4. E. Ibragimov, A. Struthers, D.J. Kaup, “Parametric amplification of chirped pulses in the presence of a large phase mismatch”, J. Opt. Soc. Am., B 18, 1872 (2001).

5. I.N. Ross, P. Matousek, M. Towrie, A.J. Langley, J.L. Collier, “The prospects for ultrashort pulse duration and ultrahigh intensity using optical parametric chirped pulse amplifiers”, Opt. Commun., 144, 125 (1997).

6. I.N. Ross, J.L. Collier, P. Matousek, C.N. Danson, D. Neely, R.M. Allott, D.A. Pepler, C. Hernandez-Gornez, K. Osvay, “Generation of terawatt pulses by use of optical parametric chirped pulse amplification”, Appl. Opt., 39, 2422 (2000).

7. I.N. Ross, P. Matousek, G.H.C. New, K. Osvay, “Analysis and optimization of optical parametric chirped pulse amplification”, J. Opt. Soc. Am., B 19, 2945 (2002).

8. G. Arisholm, J. Biegert, Ph. Schlup, Ch.P. Hauri, U. Keller, “Ultra-broadband chirped-pulse optical parametric amplifier with angularly dispersed beams”, Opt. Express, 12, 518 (2004).

9. Xiaodong Yang, Zhi-zhan Xu, Yu-xin Leng, Hai-he Lu, Li-huang Lin, Zheng-quan Zhang, Ru-xin Li, Wen-qi Zhang, Ding-jun Yin, Bing Tang, “Multiterawatt laser system based on optical parametric chirped pulse amplification”, Opt. Lett., 27, 1135 (2002).

10. L.J. Waxer, V. Bagnoud, I.A. Begishev, M.J. Guardalben, J. Puth, J.D. Zuegel, “High-conversion-efficiency optical parametric chirped-pulse amplification system using spatiotemporally shaped pump pulses”, Opt. Lett., 28, 1245 (2003).

11. M.J. Guardalben, J. Keegan, L.J. Waxer, V. Bagnoud, I.A. Begishev, J. Puth, J.D. Zuegel, “Design of a highly stable, high-conversion-efficiency, optical parametric chirped-pulse amplification system with good beam quality”, Opt. Express, 11, 2511 (2003).

12. Christoph Skrobol, Izhar Ahmad, Sandro Klingebiel, Christoph Wandt, Sergei A. Trushin, Zsuzsanna Major, Ferenc Krausz, and Stefan Karsch, “Broadband amplification by picosecond OPCPA in DKDP pumped at 515 nm”, Optics Express, 20, 4619 (2012).

13. K. Ogawa, K. Sueda, Y. Akahane, M. Aoyama, K. Tsuji, K. Fujioka, T. Kanabe, K. Yamakawa, and N. Miyanaga, “Controlling the phase matching conditions of optical parametric chirped-pulse amplification using partially deuterated KDP”, Optics Express 17, 7744 (2009).

14. О. Звелто - Принципы Лазеров - 3-е издание - МИР, 1990. - 560 с.

15. Ф. Качмарек - Введение в физику лазеров - МИР, 1981 - 540 с.

16. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Оптика. -- М.: Наука, 1985. -- Т. 4. - 735 с.

17. http://ufn.ru/ru/pacs/42.55.-f/ - Список статей, опубликованных в УФН по теме «Лазеры».

18. http://www.laser-portal.ru/.

19. A. Ruiz-De-La-Cruz and R. Rangel-Rojo. “Compact multi-pass amplifier for chirped-pulse amplification”. J. Modern Opt. - 2006. - V. 53, No 3. - P. 307-311.

20. W. Wing, M. Richardson, L. Shah, B. Webb, J. Bradford, E. Mckee, Kh. Lim. “High energy multipass amplification in a multi-terawatt laser” in Research Experience for Undergraduates. Summer 2012. Final Report.

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

  • Методы и этапы проектирования генератора пачки прямоугольных импульсов (ГППИ). Обоснование выбора узлов, элементной базы и конкретных типов интегральных схем. Принцип работы управляемого генератора прямоугольных импульсов и усилителя сигналов запуска.

    курсовая работа [374,2 K], добавлен 11.01.2011

  • Рассмотрение специфики оптической накачки активной среды лазера. Описание квантовых приборов с оптической накачкой, работающих по трёхуровневой и четырёхуровневой схеме. Параметрическая генерация света. Принцип действия полупроводниковых лазеров.

    контрольная работа [442,2 K], добавлен 20.08.2015

  • Активная среда лазеров на красителях, схема их накачки и генерации. Системы оптической накачки в рубиновых лазерах. Особенности перемещения электронов в неодимовых лазерах. Механизм процесса сенсибилизации. Принцип действия лазера на александрите.

    презентация [59,0 K], добавлен 19.02.2014

  • Чувствительность оптического приемного модуля. Сопротивление нагрузки фотодетектора. Интеграл Персоника для прямоугольных входных импульсов и выходных импульсов в форме "приподнятого косинуса". Длина регенерационного участка волоконно-оптической системы.

    контрольная работа [80,8 K], добавлен 18.09.2012

  • История создания лазера. Принцип работы лазера. Некоторые уникальные свойства лазерного излучения. Применение лазеров в различных технологических процессах. Применение лазеров в ювелирной отрасли, в компьютерной технике. Мощность лазерных пучков.

    реферат [610,1 K], добавлен 17.12.2014

  • Характеристика эталонных установок для воспроизведения электромагнитных импульсов в России. Определение структуры эталонного источника мощных субнаносекундных электромагнитных импульсов. Разработка высоковольтной субнаносекундной полеобразующей системы.

    дипломная работа [1,5 M], добавлен 02.10.2016

  • Секрет летающей тарелки или противоречия в некоторых умах. Законы сохранения. Главные законы физики (механики): три Закона Ньютона и следствия из них - законы сохранения энергии, импульсов, моментов импульсов.

    статья [77,4 K], добавлен 07.05.2002

  • Метаматериалы как искусственно сформированные среды, обладающие особыми электромагнитными свойствами. Исследование и анализ волновых процессов при отражении импульсов заданных форм (прямоугольной, в виде разности полиномов Лаггера, формы Гаусса).

    курсовая работа [511,5 K], добавлен 28.08.2012

  • Технико-экономическое обоснование проекта. Акустооптическая модуляция добротности. Метод пассивной синхронизации продольных мод. Электрооптические методы управления длительностью импульса генерации. Расчет электрических параметров затвора Nd3+YAG лазера.

    дипломная работа [3,0 M], добавлен 18.06.2011

  • Лазер - квантовый генератор, излучающий в диапазоне видимого и инфракрасного излучения. Схема устройства лазера и принцип его действия. Временные режимы работы прибора, частота поступления энергии. Применение лазеров в различных отраслях науки и техники.

    реферат [439,5 K], добавлен 28.02.2011

  • Формула расчета разности потенциалов двух точек электрического поля. Применение электрокардиографии в медицине. Принцип построения электрокардиограмм. Генерация электрических импульсов при работе сердца. Стандартное отведение электродов от конечностей.

    презентация [595,7 K], добавлен 07.04.2013

  • Лазер с газообразной активной средой и особенности газов как лазерных материалов. Создание активной газовой среды в газоразрядных лазерах. Энергетические уровни атома аргона. Зависимость мощности излучения аргонового лазера от плотности разрядного тока.

    курсовая работа [505,7 K], добавлен 23.06.2011

  • Назначение и типы ограничителей. Амплитудные селекторы. Дифференцирующие и интегрирующие цепочки. Диаграммы, поясняющие работу ограничителя. Сглаживание вершин импульсов с помощью ограничителя сверху. Выделение импульсов с помощью ограничителей.

    лекция [27,3 K], добавлен 22.09.2008

  • Механизм создания инверсных населенностей в трехуровневых схемах. Принцип работы лазера на рубине. Лазер в режиме модулированной добротности. Расчет характеристик рубинового лазера, работающего в режиме модулированной добротности и свободной генерации.

    курсовая работа [945,6 K], добавлен 29.10.2010

  • Общая характеристика уровней легирования и схема энергетических уровней кристалла Nd: YAG. Сущность эффекта Штарка. Особенности работы непрерывного Nd: YAG-лазера. Методика расчета средней выходной мощности лазера, работающего в режиме одной моды ТЕМ00.

    реферат [800,8 K], добавлен 28.12.2010

  • Создание оптического квантового генератора или лазера - великое открытие физики. Принцип работы лазеров. Вынужденное и спонтанное излучение. Газовый, полупроводниковый непрерывного действия, газодинамический, рубиновый лазер. Сферы применения лазеров.

    презентация [4,4 M], добавлен 13.09.2016

  • История создания газового лазера. Использование его в промышленности. Особенности газов как лазерных материалов. Освоение далекого инфракрасного диапазона, диапазонов ультрафиолетового и рентгеновского излучений. Применение метода электронного удара.

    презентация [297,2 K], добавлен 12.12.2013

  • Временные диаграммы периодических сигналов прямоугольной формы. Зависимость ширины спектра периодической последовательности прямоугольных импульсов от их длительности. Теорема Котельникова, использование для получения ИКМ-сигнала. Электрические фильтры.

    контрольная работа [1,3 M], добавлен 23.08.2013

  • История разработки лазера и устройство типичной лазерной установки. Сравнительный анализ схемы движения электронов, излучения световых волн и принцип действия лампы и лазера. Лазер как открытая система с фазовым переходом, принципы его самоорганизации.

    реферат [301,0 K], добавлен 26.09.2009

  • Понятие волоконного лазера как оптического квантового генератора, в котором активная среда и резонатор построены на базе оптического волокна. Состав волоконного лазера, принцип его работы и основные преимущества. Область применения волоконного лазера.

    презентация [2,0 M], добавлен 23.12.2014

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.