Введение к работе
Актуальность работы. В последнее время в таких областях науки и техники как оптические измерения, лазерная спектроскопия, опто-электроника, звуко- и видеосистемы, охранные системы, медицина все чаще появляется необходимость в использовании малогабаритных низкоэнергетических твердотельных лазеров с диодной накачкой и преобразованием излучения в гармоники При создании такого типа лазеров, вследствие малой энергии импульса генерируемого излучения, основным вопросом, требующим решения, является получение максимальной эффективности преобразования излучения в гармоники Это возможно только при условии получения максимально высоких и стабильных пространственно-энергетических характеристик генерируемого излучения и оптимально согласованного каскада преобразования
Одной из проблем при генерации излучения основной частоты является термическое влияние накачки на характеристики лазерного пучка Это связано с тем, что при накачке в активных элементах твердотельных лазеров возникает значительный градиент температуры, что приводит к изменению показателя преломления активной среды в зависимости от температуры dn/dT, и к возникновению в кристалле температурных напряжений dn/daxy Вследствие этого, в активном элементе при накачке образуются термооптические искажения (тепловая линза), которые приводят к появлению аберраций волнового фронта генерируемого лазерного излучения и снижению качества светового пучка, что уменьшает эффективность преобразования излучения в гармоники
На сегодняшний день наиболее высокий КПД лазерной генерации обеспечивает полупроводниковая диодная накачка Особенностью полупроводниковых диодов является узкий спектр излучения, хорошо совпадающий с линией поглощения в активной среде, что приводит к уменьшению доли излучения накачки, выделяемой в тепло, существенному улучшению качества и, соответственно, стабильности излучения В малогабаритных низкоэнергетических твердотельных лазерах в процессе диодной накачки поперечное сечение пучка в активном элементе составляет несколько десятков-сотен микрометров при типичном значении средней мощности в несколько ватт Плотность энергии в этом случае может даже превышать плотность энергии при ламповой накачке В результате образуется тепловая линза, сопоставимая по своей величине с термооптическими искажениями, возникающими при ламповой накачке В случае непосредственного ввода излучения полупроводниковых диодов в активный элемент имеются неоднородности в распределении интенсивности, из-за чего нарушается симметрия тепловой линзы Кроме того, отдельные кристаллы обладают анизотропией коэффициентов теплопроводности Это приводит к появлению сложной картины аберраций волнового фронта лазерного пучка, и, соответственно, ухудшению пространственно-энергетических характеристик генерируемого излучения Для уменьшения влияния термооптических искажений на характеристики выходного излучения малогабаритного твердотельного лазера необходимо иметь о них детальную информацию, а также найти методы их минимизации
Традиционно экспериментальные исследования термической линзы в кристаллах проводятся на основе классических интерференционных и поляризационных методов исследования, описанных в [1, 2] Однако, при разработке малогабаритных лазеров, где расстояния между оптическими элементами излучателя измеряются миллиметрами, построение интерферометрической схемы затруднено, а в отдельных случаях невозможно В диссертации представлен метод исследований термооптических искажений активного элемента на основе измерений локальных наклонов волнового фронта лазерного излучения датчиком Гартмана [3,4]
Способы компенсации термооптических искажений в активных элементах основываются как на применении средств активной и адаптивной оптики, осуществляющей вне- и внутрирезонаторную коррекцию [5-9], так и на использовании пассивной компенсации термооптических искажений [10] В диссертационной работе предложен и исследован метод пассивной компенсации термооптических искажений в активном элементе малогабаритного твердотельного лазера с продольной диодной накачкой, основанный на креплении лазерного кристалла в теплоотвод методом пайки по всей поверхности элемента за исключением оптической апертуры
Для оптимизации характеристик выходного излучения малогабаритных твердотельных лазеров необходимо иметь полную информацию о качестве пучка На данный момент наиболее распространен стандартизованный параметр качества лазерного излучения — М (ISO 11146), который дает количественную оценку отличия расходимости и диаметра реального пучка излучения относительно гауссова [11] М2 является интегральным параметром, дающим только общее представление о качестве лазерного излучения Для получения детальной информации об амплитудном и фазовом распределении волнового фронта излучения можно использовать метод, основанный на измерениях датчиком Гартмана Однако, традиционные алгоритмы восстановления фазового распределения являются неустойчивыми к возможным скачкам фазы на пк радиан, что существенно сказывается на ошибке измерения [12-14] В связи с этим, актуальна разработка методов определения пространственных характеристик лазерного излучения по результатам измерений датчиком Гартмана с минимальным уровнем ошибки
Необходимо отметить, что, при малой энергии импульса основного излучения, высокого качества лазерного пучка недостаточно для решения задачи максимально эффективного преобразования частоты [15-17] Требуется также провести оптимизацию каскада преобразования генерируемого излучения для получения гармоник с высокими поляризационными характеристиками, такими как линейность поляризации, оптимальная пространственная ориентация поляризаций взаимодействующих волн
Таким образом, необходимо решение комплекса задач, которые заключаются в исследовании и уменьшении термооптических искажений, возникающих в активных элементах при накачке, разработке методов анализа и улучшения пространственно-энергетических характеристик генерируемого излучения, а также оптимизации оптической схемы преобразования излучения в гармоники
Основной целью работы являлось повышение эффективности преобразования низкоэнергетического излучения малогабаритных твердотельных лазеров с диодной накачкой в гармоники путем оптимизации и улучшения пространственно-энергетических характеристик излучения и схемы преобразования
Основные задачи работы
Исследование термооптических искажений (тепловой линзы) активных элементов малогабаритных низкоэнергетических твердотельных лазеров, возникающих в процессе продольной диодной накачки, а также их влияния на характеристики генерируемого излучения с помощью метода, основанного на измерениях датчиком Гартмана
Разработка математической модели для расчета оптической силы тепловой линзы, возникающей в активном элементе, закрепленном в теплоотвод методом пайки, малогабаритных твердотельных лазеров с диодной накачкой
Разработка метода восстановления волнового фронта лазерного излучения на основе измерений датчиком Гартмана с использованием информации о распределении интенсивности пучка в двух поперечных сечениях и фазы в одном сечении, обеспечивающего восстановление распределения поля при наличии скачков фазы на ля-радиан
Проведение комплексной оптимизации резонатора и схемы преобразования излучения в гармоники малогабаритного низкоэнергетического твердотельного лазера с продольной диодной накачкой
Научная новизна работы определяется тем, что в ней впервые
Предложен метод измерения термооптических искажений активных элементов малогабаритных низкоэнергетических твердотельных лазеров, которые возникают в процессе продольной диодной накачки, основанный на измерениях датчиком Гартмана, где в качестве опорного пучка используется непосредственно излучение накачки Предложенный метод отличается возможностью прямого исследования областей накачки активного элемента = 50-500 мкм, простой схемой исследования и быстродействием обработки полученных результатов измерения
Разработана математическая модель расчета оптической силы тепловой линзы, возникающей в лазерном кристалле, закрепленном в теплоотвод методом пайки, что обеспечивает отвод тепла практически со всей поверхности активного элемента
Проведены исследования тепловой линзы в активном элементе малогабаритного низкоэнергетического твердотельного лазера с диодной накачкой методом, основанном на измерениях датчиком Гартмана, изучено изменение ее фокусного расстояния в зависимости от мощности накачки и спектра излучения лазерного диода
Представлен метод пассивной компенсации тепловой линзы активного элемента Исследованы термооптические искажения и проведен анализ наведенных аберраций активного элемента Nd YV04 в процессе продольной диодной накачки при различных способах его охлаждения
Разработан метод восстановления волнового фронта лазерного излучения на основе измерений датчиком Гартмана с использованием информации о распределении интенсивности пучка в двух поперечных сечениях и фазы в одном сечении Предложен
итерационный алгоритм нахождения распределения поля, основанный на расчете поля в приближении Френеля
Реализован метод повышения эффективности преобразования излучения в гармоники для низкоэнергетических твердотельных лазеров на основе компенсации пространственного сноса излучения второй гармоники относительно излучения основной частоты в нелинейных двухосных кристаллах LBO
Представлен способ уменьшения уровня деполяризации излучения основной частоты на основе управления разностью фаз волн основного излучения путем смещения вдоль кривой фазового синхронизма
Практическая значимость работы состоит в том, что результаты проведенных исследований являются основой для разработки малогабаритных низкоэнергетических твердотельных лазеров с диодной накачкой и высокой эффективностью преобразования излучения в гармоники, обладающих стабильностью выходных параметров генерируемого излучения Использование представленного метода измерения термооптических искажений позволяет исследовать тепловую линзу в миниатюрных кристаллах при величине аберраций до 30 X С помощью разработанного итерационного алгоритма восстановления волнового фронта лазерного излучения обеспечивается нахождение распределения поля лазерного излучения с точностью до ХЛ5 Использование предложенного способа минимизации уровня деполяризованной компоненты основного излучения и метода компенсации пространственного сноса для кристаллов КТР и LBO позволяет повысить эффективность внерезонаторного преобразования излучения в третью гармонику
Результаты работы были использованы при разработке Установки УФ-лазерной полупроводниковой портативной со световодом для введения излучения в пораженную область через инъекционную иглу при лечении деструктивных форм легочного и костного туберкулеза Улуф-01/10 «Амулет» (ТУ 9444-001-29079063-2003), а также в рамках программы Президиума РАН «Поддержка инноваций и разработок» Проект Разработка необратимых светочувствительных регистрирующих сред для оптических дисков сверхбольшой информационной емкости Личный вклад автора.
Все основные результаты работы получены автором лично Основные положения, выносимые на защиту:
Метод исследования термооптических искажений активных элементов малогабаритных твердотельных лазеров с продольной диодной накачкой на основе измерений датчиком Гартмана с использованием в качестве опорного пучка непосредственно излучения накачки,
Математическая модель расчета фокусного расстояния тепловой линзы в активном элементе, закрепленном в теплоотвод практически по всей поверхности кристалла, обеспечивающий минимизацию термооптических искажений активной среды малогабаритного твердотельного лазера, возникающих в процессе накачки,
Итерационный алгоритм восстановления волнового фронта лазерного излучения, основанный на измерениях пучка датчиком Гартмана с использованием информации о
распределении интенсивности излучения в двух поперечных сечениях и фазы в одном сечении, который позволяет найти распределение поля при наличии возможных скачков на пя-радиан,
Способ повышения эффективности преобразования лазерного излучения в третью гармонику низкоэнергетического малогабаритного твердотельного лазера с продольной диодной накачкой путем минимизации уровня деполяризованной компоненты основного излучения и использования метода компенсации пространственного сноса излучения второй гармоники относительно излучения основной частоты для нелинейных двухосных кристаллов КТР и LBO
Апробация работы
Результаты работы обсуждались на семинаре молодых ученых и специалистов ИОФРАН и докладывались на следующих конференциях
Международная конференция молодых ученых и специалистов «Оптика-2005», ИТМО, Санкт-Петербург
Научная конференция «Лазеры, измерения, информация - 2005», СПбГПУ, Санкт-Петербург
Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2005», МГУ, Москва
4 Second International Conference on Advanced Optoelectronics and Lasers "CAOL-
2005", Ukraine
Публикации.
Основные результаты диссертации опубликованы в 9 работах (2 статьи в ведущих рецензируемых журналах, 3 публикации в трудах международных конференций, 3 тезиса докладов, 1 патент)
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитируемой литературы Материал изложен на 120 страницах, содержит 54 рисунка, 10 таблиц и список литературы из 86 наименований
