Комплексное исследование излучательных характеристик диодных линеек для накачки активных элементов твердотельных лазеров методом акустооптической спектроскопии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Комплексное исследование излучательных характеристик диодных линеек для накачки активных элементов твердотельных лазеров методом акустооптической спектроскопии

01.04.01 - «Приборы и методы экспериментальной физики»

На правах рукописи

Отливанчик Александр Евгеньевич

Москва 2008 г.

Работа выполнена в Научно-технологическом центре Уникального приборостроения Российской Академии наук.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, доцент Боритко С.В.

Официальные оппоненты: доктор технических наук Уткин Г.В.

кандидат физико-математических наук Тарасов А. В.

Ведущая организация: Институт систем обработки изображений РАН

Защита состоится «04» июня 2008 г. в 1500 на заседании Диссертационного совета Д 002.135.01 НТЦ Уникального приборостроения РАН по адресу: Москва, ул. Бутлерова д. 15.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НТЦ уникального приборостроения РАН или получить электронную версию.

Автореферат разослан «30» апреля 2008 г.

Отзывы в 2-х экземплярах, заверенные печатью просим присылать по адресу: 117342, Москва, ул. Бутлерова д. 15, Диссертационный совет НТЦ УП РАН

Ученый секретарь диссертационного совета Д 002.135.01 к.ф-м. н. / Отливанчик Е.А.

Первым в мире лазером явился лазер на кристалле рубина (1960 год). Хотя за прошедшие годы были созданы многие другие классы лазеров (газовые, жидкостные, полупроводниковые, эксимерные, лазеры на свободных электронах), твердотельные лазеры на кристаллах не только не утратили своего значения, но и получили существенное развитие. В последние годы были созданы новые кристаллы, позволившие в 2-3 раза повысить КПД твердотельных лазеров. Кроме того, получили бурное развитие твердотельные лазеры с накачкой инжекционными полупроводниковыми лазерами, что позволило создать семейство малогабаритных лазеров с КПД, превышающим 15-20%.

В настоящее время задача повышения КПД работы лазеров не потеряла своей актуальности. В этой связи источники накачки являются важной составной частью твердотельных лазеров, так как служат для преобразования электрической энергии источника питания в световую энергию, необходимую для создания инверсии населенности в активном элементе твердотельного лазера. В качестве непрерывных источников накачки наибольшее применение получили дуговые газоразрядные лампы, заполненные криптоном, обладающие большим сроком службы, обеспечивающие КПД до 5% для АИГ-Nd-лазеров и полупроводниковые лазерные диоды, объединенные в диодные линейки или матрицы.

Лазерные диоды как источники накачки компактны, эффективны, прочны, долговечны и достаточно недороги. Возможность подстройки линии излучения подбором состава структуры или изменением температуры позволяет снизить нагрев активного элемента твердотельного лазера и уменьшить тепловую нагрузку, выбрав нужную полосу накачки. Более того, так как лазерные диоды (и линейки из них) являются когерентными направленными источниками, то их излучение легко можно сфокусировать на определенной зоне активного элемента.

Все вышесказанное и определяет важность и актуальность данной диссертационной работы, посвященной комплексному исследованию излучательных характеристик диодных линеек для накачки активных элементов мощных твердотельных лазеров.

Целью работы является комплексное изучение основных характеристик диодных линеек как источников световой накачки активных элементов мощных твердотельных лазеров, а именно частотного и пространственного распределения их излучения. В ходе выполнения работы были поставлены и решены следующие задачи: выбрана и обоснована методика комплексного исследования излучательных характеристик диодных линеек; создано приборное оформление выбранной методики на базе акустооптического спектрометра видимого и ближнего ИК-диапазона; проведено детальное исследование излучения диодных линеек и составлена пространственная диаграмма распределения интенсивности их излучения.

Научная новизна работы. В работе впервые в едином цикле измерений исследовано не только спектральное распределение излучения диодных линеек, но и распределение их излучения, как по длине линейки, так и по углу. Это позволяет построить полную картину как пространственного, так и частотного распределения излучения диодной линейки в целом как источника световой накачки активного элемента твердотельного лазера.

В работе обоснована методика комплексного изучения излучательных характеристик диодных линеек, разработано аппаратурное оформление данной методики и проведены исследования конкретных диодных линеек для накачки активных элементов мощных твердотельных лазеров, подтвердившие «работоспособность» предложенной методики.

Практическая значимость работы заключается в том, что созданная методика комплексного исследования излучательных характеристик диодных линеек позволяет выявлять искажения в пространственном распределении излучения, а последующая коррекция этих искажений - повысить КПД работы конкретного твердотельного лазера в целом.

Достоверность результатов работы обеспечивается информативностью и адекватным использованием методик акустооптической спектрометрии применительно к изучению излучателъных характеристик диодных линеек, хорошей воспроизводимостью экспериментальных результатов, а также интерпретацией данных, полученных независимыми методами, с единых позиций современной науки.

Положения, выносимые на защиту.

Использование акустооптической спектрометрии позволяет в едином цикле определять не только пространственное распределение излучательной способности диодных линеек, используемых для накачки твердотельных лазеров, но и их спектральные характеристики в каждой точке по длине линейки.

Разработанная на базе акустооптического спектрометра ближнего ИК-диапазона установка является аппаратурным оформлением методики комплексного исследования излучательных характеристик диодных линеек, используемых для накачки твердотельных лазеров.

Обработка результатов комплексных исследований мощной диодной линейки Silver Bullet АSМ06С020 фирмы "NORTHROP GRUMMAN" показали, что при проведении коррекции выявленного пространственного распределения излучения линейки можно увеличить величину световой мощности закачиваемой в активный элемент (при напряжении 20 А) на 2,4 Вт, что приводит к повышению КПД работы твердотельного лазера с данной линейкой на 9% по сравнению с нескорректированным состоянием.

Апробация работы. Основные результаты работы представлялись на:

6-ой Международной выставке лазерной техники «LIC RUSSIA 2004», 27-30 января 2004 г., Москва, «Сокольники»;

V1-м Международном Форуме «Высокие технологии XXI века», 18-22 апреля 2005 г., Москва, «ЭКСПОЦЕНТР»;

Международной специализированной выставке оптической, лазерной и оптоэлектронной аппаратуры «ФОТОНИКА-2006», 3-6 июля 2006 г., Москва, ЗАО «Экспоцентр» на Красной Пресне;

- 2-ой Международной специализированной выставке оптической, лазерной и оптоэлектронной аппаратуры, комплектующих изделий и компонентов «ФОТОНИКА», 13-16 марта 2007 г., Москва, ЦБК «Экспоцентр»;

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 4-х печатных работах, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Она содержит 106 страниц, 37 рисунков, 1 таблицу и список литературы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована ее цель, описана структура диссертации, приведены положения, выносимые на защиту.

В первой главе представлен обзор литературы, в котором рассмотрены физические основы работы твердотельных лазеров, основные типы накачки активных элементов, приведены и проанализированы основные уравнения, используемые в дальнейшем в оригинальной части работы для оценки эффективности работы диодных линеек в качестве источников накачки. Основным результатом рассмотрения явилось обоснование выбора конкретной методики для комплексного исследования излучательных характеристик диодных линеек.

Вторая глава диссертационной работы посвящена аппаратурному оформлению выбранной методики исследований. Основой научно-исследовательской установки является акустооптический спектрометр видимого и ближнего ИК-диапазона, разработанный в НТЦ Уникального приборостроения РАН.

Для использования в поставленных задачах спектрометр должен иметь достаточно высокое спектральное разрешение и высокий спектральный контраст. Спектрометр на основе акустооптических фильтров позволяет обеспечить необходимое спектральное разрешение. Однако спектральный контраст не высок, прежде всего, из-за наличия медленно спадающих крыльев функции пропускания. Подход к решению этой проблемы, использованный в разработанном в НТЦ УП РАН спектрометре, заключается в двойной монохроматизации излучения путем использования двух последовательно расположенных акустооптических фильтров, настроенных на одну и ту же длину волны. Такой подход, обеспечивает высокий контраст и не требует применения режекционных фильтров, а так же позволяет дополнительно повысить спектральное разрешение в 1,5 раза.

Рис. 1. Функциональная схема акустооптического спектрометра

Схема, используемого в работе спектрометра видимого и ближнего ИК диапазона приведена на Рис.1. Спектрометр включает в себя оптический блок и устройство управления. Спектрометр управляется от любого персонального компьютера, на котором установлена управляющая программа и который соединяется с устройством управления через стандартный последовательный порт RS-232 или USB порт.

Анализ данной принципиальной схемы и алгоритма работы спектрометра показывает, что обеспечение согласованной работы всех блоков и компонентов является наиболее важной задачей. Решение этой задачи обеспечивает блок управления. Он собран на базе малогабаритного одноплатного компьютера - использован микроконтроллер данных ADuC 831 (ANALOG DEVICES) и включает в себя контроллер, плату управления и плату питания. Блок управления выполняет следующие функции:

Обеспечивает связь с компьютером пользователя;

Обеспечивает синхронную работу всех составных частей прибора;

Формирует программные коды для цифрового синтезатора частоты;

Управляет акустической волной в акустооптическом монохроматоре, включая и выключая усилитель мощности;

Принимает сигнал фотоприемника, измеряет его и накапливает;

Выполняет контроль состояния акустооптического монохроматора.

При выполнении диссертационной работы была создана новая плата блока управления и обработки сигналов. Данная плата, за счет применения программируемой логической матрицы позволяет:

* перепрограммировать параметры измерений спектрометра в различных областях - от инфракрасной до ультрафиолетовой,

* обеспечивает возможность точно измерять температуру акустооптической ячейки и своевременно вносить коррективы в измерительный цикл;

* добавлять дополнительные функции управления спектрометра, без переделки прибора,

В созданной на базе описанного выше спектрометра научно-исследовательской установке для исследования излучателъных характеристик диодных линеек излучение от исследуемой линейки подводится к оптическому блоку посредством волоконно-оптического зонда. Причем измерительный конец зонда был несколько доработан. Во-первых, он был закреплен на специально изготовленной подвижной платформе, позволяющей перемещать зонд как относительно продольной оси, так и изменять его угол наклона. Во-вторых, на зонд была надета трубка, сужающая апертуру до угла меньше трех градусов.

Третья глава, являющаяся основной в диссертации, посвящена исследованию излучательных характеристик диодных линеек. В работе приведены результаты исследования одиночного светодиода (как тестового образца) и двух диодных линеек для накачки активных элементов твердотельных лазеров.

В первом параграфе описаны результаты исследования распределения световой энергии, выделяемой единичным светодиодом, проведенные с целью тестирования работоспособности используемой установки. Были сняты характеристики излучения по продольной оси диода и в зависимости от угла отклонения относительно продольной оси. На Рис. 2 представлена пространственная диаграмма излучения исследованного светодиода.

Рис. 2

твердотельный излучение диодный лазер

Из рисунка видно, что созданная установка работает корректно, так как распределение излучения по пространству исследованного светодиода совпадает с ожидаемым по литературным источникам.

Во втором параграфе рассмотрена диодная линейка, предназначенная для накачки активных элементов лазеров средней мощности. В первую очередь было исследовано распределение интенсивности излучения по длине линейки в зависимости от длины волны излучения. (Рис. 3):

Рис. 3

Видно, что в данном случае мы имеем равномерное распределение интенсивности излучения вдоль всей продольной оси диодной линейки без искажения спектральной характеристики. Однако, исследование пространственного распределения излучения линейки по углу (отклонение от продольной плоскости) показало, что максимум излучения направлен под углом +10° к вертикальной оси, причем форма падения величины излучения по разные стороны от максимума несимметрична. Соответствующая картина распределения представлена на Рис. 4

Рис. 4

На основе полученных данных была построена общая диаграмма пространственного распределения интенсивности излучения рассматриваемой диодной линейки, ограниченное полной ее длинной (см. Рис. 5).

Следовательно, для повышения эффективности накачки при использовании данной диодной линейки, необходимо зафиксировать активный элемент под углом 10° относительно вертикали к излучательной поверхности линейки.

Рис. 5

Третий параграф посвящен исследованию характеристик диодной линейки марки Silver Bullet АSМ06С020 фирмы "NORTHROP GRUMMAN". В паспорте к ней приводятся основные характеристики, в том числе распределение излучения по спектру, зависимости интенсивности от величины управляющего тока и т.д., но эти характеристики даны для линейки в целом. Для оценки качества диодной линейки как источника накачки активных элементов хотелось бы иметь детализацию ее излучательной способности в разных точках по длине, а не интегрально.

Так же как и для ранее рассмотренной линейки в первую очередь было исследовано распределение излучаемой энергии по продольной оси с одновременной регистрацией спектральной характеристики.

Результаты представлены на Рис. 6. Видно, что распределение интенсивности излучения по длине линейки неравномерно - имеются ярко выраженные особенности на 1/4 и 3/4 длины линейки. Можно предположить, что этот эффект связан с уходом максимумов излучения по частоте из-за разного температурного режима работы центрального и боковых частей линейки. Однако проверка этой гипотезы (регистрация спектров излучения в разных точках диодной линейки) показала, что ухода по частоте не наблюдается и причина нелинейности распределения интенсивности излучения кроется в другом.

Рис.6. Распределение интенсивности излучения линейки по длине

Для выяснения причин было принято решение исследовать интенсивность излучения в зависимости от угла наклона измерительного конца зонда в характерных точках (точках максимальной и минимальной интенсивности излучения) относительно продольной плоскости, т.е. угловые характеристики диодной линейки с одновременной регистрацией спектра излучения. Пример полученных результатов (одна из точек по длине линейки) в максимумах представлены на Рис. 7, а в центральном минимуме - на Рис. 8.

Рис. 7

Рис. 8

Таким образом, в центре линейки виден провал при угле отклонения 0°.

В результате объединения всех полученных данных была построена общая диаграмма для формы пространственного распределения интенсивности излучения данной диодной линейки (см. Рис. 9).

Рис. 9

Как видно из рисунка, в центре линейки мы имеем ярко выраженную седлообразную форму направленности излучения. Таким образом, общая интенсивность излучения по длине линейки находится на одном уровне, т.е. не нарушается закон сохранения энергии излучения по всей длине линейки, но в силу конструктивных особенностей направление максимума излучения не сохраняется. На продольной оси линейки, в центральной части мы имеем как бы два источника, излучающих под углом друг к другу.

В четвертом параграфе описана разработанная методика оценки излучающих характеристик светодиодных линеек, которая заключается в следующем:

- рассматриваемый образец закрепляется на предметном столике, имеющем шаговые двигатели, управляемые сигналами, поступающими с управляющего компьютера, что позволяет перемещать измерительный конец световода как вдоль продольной оси рассматриваемого образца с заданным шагом, так и менять угол наклона световода относительно предполагаемой плоскости излучения светодиодной линейки в любой заданной точке по длине образца, следовательно, мы сможем получить спектральные характеристики излучаемой энергии в любой точке при любом угле отклонения для любой заданной длины волны.

- регистрация спектральных характеристик вдоль продольной оси рассматриваемой светодиодной линейки. На основании данных, полученных прибором и занесенных в базу данных, программа обработки результатов выводит график изменения излучения по продольной оси образца.

- в случае если никаких нехарактерных особенностей не обнаружится, программа предложит снять характеристики излучения в зависимости от угла наклона световода относительно плоскости излучения для проверки равномерности распределения излучения в пространстве.

- при равномерности рассматриваемого излучения исследование заканчивается с выводом, что никакие дополнительные меры по увеличению КПД не нужны;

- если же плоскость излучения окажется смещенной относительно предполагаемой, то будут предложены меры по увеличению КПД и выдан результат примерного повышения мощности излучения светодиодной линейки. В случае если исследователь введет характеристики применяемого твердотельного лазера, программа выдаст величину предполагаемого повышения КПД самого лазера.

- если обнаружатся какие-либо нехарактерные особенности в структуре излучения, программа предложит перейти к следующему этапу исследования, а именно: будет проведена проверка зависимости полученных особенностей в характере излучения от температурного режима образца, путем оценки изменения излучающих характеристик при повышенных и пониженных токах накачки относительно номинального значения.

- в случае если ухода по частоте не наблюдается, программа предложит перейти к следующему шагу;

- если же уход по частоте присутствует, то будет сделан вывод о зависимости характера излучения от тока накачки и предложено изменить систему охлаждения светодиодной линейки.

В любой момент проведения оценки характеристик исследователь имеет возможность вернуться к предыдущему шагу или пойти дальше или воспользоваться различными вариантами исследования, в зависимости от его интересов.

На основании все проведенных измерений может быть также получена картина пространственного распределения интенсивности излучения рассматриваемого излучающего элемента.

В заключении сформулированы основные результаты, полученные при выполнении данной диссертационной работы, а именно:

1. Показано что использование акустооптического спектрометра видимого и ближнего ИК диапазона позволяет создать методику, в которой в едином цикле можно определять не только пространственное распределение излучения диодных линеек, используемых для накачки активных элементов твердотельных лазеров, но и их спектральные характеристики в каждой точке по длине линейки.

2. Разработана универсальная плата блока управления и обработки сигналов для акустооптического спектрометра, которая за счет применения программируемой логической матрицы позволяет:

- перепрограммировать параметры измерений спектрометра в различных областях - от инфракрасной до ультрафиолетовой;

- обеспечивает возможность точно измерять температуру акустооптической ячейки и своевременно вносить коррективы в измерительный цикл;

- добавлять дополнительные функции управления спектрометра, без переделки прибора.

3. Создана научно-исследовательская установка для комплексного исследования излучательных характеристик диодных линеек, используемых для накачки активных элементов твердотельных лазеров, и произведено ее тестирование с целью оценки достоверности получаемых результатов на модельном объекте - единичном светодиоде.

4. На созданной установке проведены натурные измерения реальных физических объектов, а именно, диодных линеек, применяемых для накачки активных элементов твердотельных лазеров. Анализ полученных результатов позволил выработать рекомендации для увеличения эффективности конкретных схем накачки и, следовательно, повышения КПД работы твердотельных лазеров, созданных на их основе.

Литература

1. Боритко С.В., Отливанчик Е.А., Отливанчик А.Е., Твердов В.В. «Исследование распределения активаторной примеси в активных элементах твердотельных лазеров методом акустооптической спектроскопии комбинационного рассеяния». Радиотехника и электроника. 2006, №11, с.

2. С.В. Боритко, Е.А. Отливанчик, В.В. Твердов, А.Е. Отливанчик, О возможности использования Рамановской спектроскопии для диагностики ювелирных камней (на примере корундов), Успехи современной радиоэлектроники, 2006, №10, с. 31-35.

3. Пустовойт В.И., Пожар В.Э., Отливанчик Е.А., Боритко С.В., Перчик А. В., Суворов В. А., Шкроб Г.Н., Твердов В. В., Кутуза И.Б., Отливанчик А.Е., Шорин В. И., Мазур М.М., «Современные средства и методы акустооптической спектрометрии», Успехи современной радиоэлектроники, 2007, №8, с.48-56.

4. Боритко С.В., Константинов А.Ю., Отливанчик Е.А., Отливанчик А.Е., Твердов В. В., «Исследование характеристик основных элементов твердотельных лазеров методами акустооптической спектроскопии»., Труды Российского научно-технического общества радиотехники, электроники и связи имени А.С.Попова. Серия: Акустооптические и радиолокационные методы измерений и обработки информации. 2007. Вып.II, стр. 109-112.

Размещено на Allbest.ru