ПРИНЦИПЫ ЛАЗЕРОВ

9 МОЩНЫЕ ЛАЗЕРЫ НА ТОНКИХ ДИСКАХ

Прежде чем рассматривать эту тему, стоит кратко обсудить основные ог­раничения, имеющие место в твердотельных лазерах, когда активная среда изготавливается в виде цилиндрического стержня. Эти ограничения возни­кают вследствие термооптических эффектов, которые наводятся в стержне при высоком уровне мощности накачки [58, 59]. Для описания этих эффек­тов рассмотрим стержень, охлаждаемый со стороны цилиндрической поверх­ности подходящим хладагентом (обычно водой), и предположим, что стер­жень однородно накачивается по всему объему. В этом случае из-за тепла, выделяемого вследствие накачки, в стержне возникает радиальный темпе­ратурный профиль с максимальным значением температуры в центре стерж­ня и со спадом температуры (по параболическому закону) к периферии стерж­ня. Данное пространственное распределение температуры приводит, в свою очередь, к радиальному изменению показателя преломления материала стержня с максимумом в центре стержня. В результате в стержне формиру­ется положительная тепловая линза, фокус которой обратно пропорциона­лен мощности накачки. Помимо эффекта тепловой линзы, вследствие ради­ально неоднородного профиля температуры, в стержне возникает второй эф­фект, а именно двойное лучепреломление, вызванное термомеханическими напряжениями. Действительно, из-за неоднородного температурного про­филя центр стержня подвержен большему тепловому расширению, чем его периферийная часть, и это приводит к возникновению механических напря­жений в материале стержня. В цилиндрической системе координат (с осью г вдоль длины стержня) наводимое напряжение можно разложить на продоль­ную а2, радиальную аг и тангенциальную сте составляющие. Продольная ком­понента слабо влияет на работу лазера, в то время как радиальная и танген­циальная компоненты наводят радиальные и тангенциальные изменения показателя преломления за счет так называемого эффекта фотоупругости. Это означает, что в каждой точке плоскости г-0 электрическое поле перво­начально линейно поляризованной моды «отслеживает» различные ради­альную и тангенциальную компоненты показателя преломления, в резуль­тате чего пучок становится эллиптически поляризованным с эллиптично­стью, изменяющейся от точки к точке на этой плоскости.

Таким образом, главными эффектами, возникающими в стержне при высоких мощностях накачки, являются — наведенные тепловая линза и двойное лучепреломление вследствие термомеханических напряжений в ма­териале. Тепловая линза ухудшает качество выходного пучка. Наводимое двой­ное лучепреломление ухудшает поляризационные характеристики пучка, в Частности уменьшает выходную мощность в случае, когда внутри лазерного

Резонатора присутствуют поляризационные элементы. Таким образом, оба эти эффекта накладывают главные ограничения на получение высоких вы­ходных мощностей (например, Р > 1 кВт) в твердотельных лазерах, исполь­зующих активную среду в виде стержней.

Весьма эффективным способом для преодоления этих недостатков явля­ется использование активной среды в виде очень тонкого диска [58, 59]. Прин­ципиальная схема такого лазера показана на рис. 9.3.1а. Активная среда лазера представляет собой диск с очень малой толщиной то есть внешний диаметр диска В много большего размера, чем размер й. Предполагается, что накачка является однородной по диаметру диска. Типичные значения <1 ле­жат в диапазоне между 100 и 200 мкм (в зависимости от типа активной сре­ды, концентрации активных частиц и конфигурации накачки). Типичные значения для В изменяются от 1 до нескольких миллиметров (в зависимости от требуемой выходной мощности). Лазерный диск имеет на задней поверх­ности покрытие с высоким коэффициентом отражения (для длин волн гене­рации и накачки) и просветляющее покрытие для обеих длин волн на перед­ней поверхности. Посредством индиевого или оловянно-золотого припоя диск монтируется на хладопроводе, который охлаждается водой. Такая конст­рукция обеспечивает прочное крепление диска на поверхности хладопрово - да без деформации поверхности диска (которая используется в качестве зер­кала резонатора).

Благодаря такой геометрии и конструкции с системой охлаждения, а так­же в предположении однородности накачки по площади диска (с диамет­ром В), можно получить однородный температурный профиль в радиальном направлении. В итоге остается лишь некоторый температурный градиент в продольном направлении, т. е. вдоль оси резонатора, который слабо влияет на работу лазера, в то время как влияние тепловой линзы и наведенного двойного лучепреломления значительно уменьшаются. Кроме того, из-за эффективного отвода тепла, чему способствует малая толщина диска, можно достигать очень больших значений мощности накачки, поглощенной на еди­ницу объема (до 1 МВт/см3).

В принципе, накачку диска можно осуществить по схеме «накачка с тор­ца», как показано на рис. 9.3.1а. Однако на практике из-за малой толщины диска очень малая доля накачки поглощается после двойного прохода чере0 диск. Чтобы преодолеть этот недостаток, была предложена и нашла широкое применение оптимальная схема, изображенная на рис. 9.3.16. В ней имеет место многопроходное поглощение. Излучение диодов накачки сначала фор­мируется (в целях достижения однородности) с помощью подходящей опти­ческой системы (например, пучка оптических волокон), а затем проецирует­ся на поверхность диска с помощью коллимирующих линз и параболическо­го зеркала. Непоглощенная часть излучения накачки направляется с диска обратно на противоположную сторону параболического зеркала (пучок 2), снова коллимируется этим зеркалом и посылается на систему поворотных зеркал (например, состоящую из двух зеркал, наклоненных под углом 90° по отношению друг к другу). При соответствующем расположении этих двух зеркал пучок снова направляется на параболическое зеркало (пучок 3). Затем этот пучок фокусируется на диск с другого направления и снова на­правляется на параболическое зеркало (пучок 4). Вторая система поворот­ных зеркал снова направляет пучок на параболическое зеркало (пучок 5). Эту процедуру можно повторять до тех пор, пока все части зеркала не будут использованы. В конце процедуры пучок с параболического зеркала (пу­чок 8) направляется обратно по отношению к самому себе, например пло­ским зеркалом, и снова проходит весь путь, так что число проходов через диск удваивается. Таким образом, можно получить большое число проходов пучка через диск (16 на рисунке) и достичь поглощения большой доли мощ­ности накачки (обычно до 90%).

Следует отметить, что хорошая однородность пучка накачки, достигае­мая за счет использования оптических волокон, и указанная многопроход­ная схема дает возможность получить однородную накачку диска в радиаль­ной плоскости. Это, в свою очередь, является весьма существенной предпо­сылкой для уменьшения тепловых эффектов, рассмотренных выше. Другое преимущество этой многопроходной схемы следует из того факта, что высо­кие мощности накачки могут поглощаться в относительно малом объеме, сильно увеличивая тем самым скорость накачки. Это особенно важно для квазитрехуровневых лазерных материалов, в которых пороговая скорость на­качки существенно выше, чем для четырехуровневых лазеров вследствие не­обходимости значительного обеднения основного состояния (см. разд. 7.4.1). И еще одно преимущество, снова для квазитрехуровневых лазеров, обуслов­лено тем, что эффективное охлаждение обеспечивает относительно низкую

Температуру диска, что позволяет избежать тепловой населенности уров­ней основного состояния, которая отвечает за поглощение на длине волны генерации.

Согласно рассмотренным доводам, становится очевидным, что конфигу­рация на тонких дисках наиболее предпочтительна для квазитрехуровне - вых лазеров. Действительно, впечатляющие результаты были получены с УЬ:УАО лазерами. Здесь была продемонстрирована выходная мощность до 4 кВт при хорошем электрическом КПД (> 25%) и с относительно хорошим качеством пучка (М2 < 20). Последний параметр оказался значительно луч­ше (примерно в 3 раза в единицах М2), чем для лазеров на стержнях с той же выходной мощностью. При максимальной мощности диаметр пятна накач­ки £> мог достигать 6 мм (см. рис. 9.3.1а). Еще большую мощность (до 16 кВт) можно получить, если использовать несколько дисков (до 4) в одном и том же резонаторе. В диапазоне более низких мощностей удалось получить мощ­ность до 100 Вт, генерируемую в пучке, близком к одномодовому (М2 < 1,2).

Несмотря на то, что наилучшие результаты были пока получены на мате­риале УЬ:УАО, концепция лазеров на тонких дисках испытывалась и на дру­гих активных средах, включая Ыс1:УАО. Помимо этого, в настоящее время наблюдается растущий интерес к возможности использования полупроводни­ковых материалов в качестве оптически накачиваемых тонких дисков. В этом случае материал обычно изготавливается в виде одиночных или множествен­ных квантовых ям. Лазерную накачку можно осуществить либо в слоях-об - кладках, расположенных рядом с ямой/ямами, либо, для лучшей квантовой эффективности лазера, непосредственно в самой квантовой яме/ямах.