Введение к работе
*2т^2ьноть_темы_диссертауии^ Одним из важных направлений современной квантовой электроники является разработка и построение Еысокоэнергетнчных мощных твердотельных лазерных усилителей с высокой эффективнотыо накачки. Одной из перспективных схем таких усилителей является усилитель с крупногабаритным плитообраэным активным элементом (АЭ) из неодикового стекла, имеющем полированные грани, от которых отражается сигнал при его распространении по <оду типа "эиг-эагп[1-2]. Система накачки таких АЭ обладает высокой эффективностью, так как близкое расположение ламп накачки к 5оковой поверхности плиты позволяет получить хороший КПД преобразования излучения ламп накачки. В результате энергия, запасенная в среднем в единице объема оказывается несколько выше, чем для других типов АЭ. Вследствие, хорошего теплоотвода через боковую по-зерхность плитообразные АЭ допускает частотный режим работы. Основной недостаток плит - сильная неравномерность распределения шверсной населенности по поперечному сечении. Инверсная населен-іость оказывается максимальной у поверхностей плиты, через которые зеуществляется накачка, и значительно падает к центральной плос-сости плиты [3]. Кроме того, в плитах имеются заметные термооп-гические искажения с градиентом, направленным в основном перпенди-сулярно боковым поверхностям плиты [4]. Использование "зиг-іаговой" схемы для плитообразного АЭ с полированными боковыми гра-іями позволяет получить равномерное усиление по апертуре пучка и в іначительной степени устранить влияние термооптических искажений іа усиливаемое излучение. При этом можно реализовать многопроход-гую схему для получения максимального энергосъема.
Использование АЭ с полированными гранями приводит к возможности юзникновения в объеме АЭ мод паразитной генерации (МПГ), возникали* вдоль замкнутых траекторий световых лучей в АЭ [5]. В дис-:ертации МПГ в плитообразном АЭ и определяется порог их развития ;ля базового варианта АЭ, применяемого на установке "Радуга", построенной в Отделе Когерентной и Нелинейной Оптики ИОФ РАН [б].
Вторым источником излучательных потерь в крупногабаритном АЭ вляется суперлюминесцентное излучение (СИ) [7]. В диссертации ;еследуется влияние СИ на запасенную в АЭ энергию и на поперечное аспределеиие инверсной населенности в зависимости от геометричес-
ких размеров АЭ, мощности накачки и концентрации активных ионов в стекле. Исследование такого типа реально можно провести только теоретически, поскольку сложность создания и дороговизна мощного усилителя позволяют экспериментировать только с базовым АЭ. Для установки "Радуга" базовым АЭ является плита из неодимового фосфатного стекла ГЛС-22П с размерами 720x240x40 мм .
При распространении усиливаемого излучения в АЭ может быть достигнут порог разрушения материала за счет развития того или иного механизма, например, за счет развития мелкомастшабной самофокусировки [2]. В диссертации для базового АЭ рассчитываются предельные значения выходной плотности энергии усиленного импульса на выходе АЭ при различных значениях длительности импульса и мощности накачки, определяемые порогом развития мелкомасштабной самофокусировки.
_Н23Ь_ЗИСсер.тационной_р.аботы - исследовать влияние паразитной генерации и суперлюминесцентного излучения (СИ) на энергию, запасенную в крупногабаритных плитообразных АЭ из неодимового стекла; рассчитать с учетом СИ профили инверсной населенности в поперечном сечении базового варианта АЭ; определить предельные по порогу развития мелкомасштабной самофокусировки (ММСФ) плотности выходной энергии лазерного импульса в многопроходной схеме типа "зиг-эаг" для базового варианта АЭ для различных значений длительности импульса и мощности накачки.
_USS2SiJS5_iJS22S2SSHSSi_ Для выполнения цепи работы были разработаны две основные физические модели, которые численно решались. 1) Модель расчета пространственно-временного распределения инверсной населенности в АЭ с учетом СИ. 2) Модель переноса усиливаемого импульса в АЭ с начальным пространственным распределением инверсной населенности, полученным в результате решения первой задачи. При этом линия лазерного перехода усиливающей среды моделировалась с учетом штарковского расщепления уровней, неоднородного уоирения и больцмановской термализации штарковских компонент нижнего лазерного уровня [8].
_М2Х2Ц52_ї22225_Е25ТУд Впервые проведены расчеты
пространственно-временного распределения инверсной населенности в плитообразном АЭ с учетом суперлюминесцентных потерь и с учетом
їксперинентально полученных распределений спектральной плотности «лучения лакп накачки и спектрального коэффициента поглощения
«лучения в неодимовом стекле. Предложена методика определения
степени влияния СИ на запасенную энергию по экспериментально «меренным профилям инверсной населенности. Проведено сравнение эффективности накачки для АЭ различных геометрических размеров, *ля различных значений концентрации ионов неодима в стекле и раэ-1Ичных значений мощности накачки. С учетом рассчитанных распреде-іений инверсной населенности рассчитаны предельные значения выход-гой плотности энергии для многопроходной схемы усиления в плитооб-зазном АЭ с полированными гранями. Проведена классификация мод іаразнтной генерации (МИГ) в плитообраэнои АЭ. Рассчитан диапазон іначений угла наклона торцевых граней для базового АЭ, для которо--о подавлены основные МПГ.
_5ESl?3S25SS_21i5321!2Z5_ES52ZSi Разработанные модели для расчета энергетических и усилительных характеристик усилителя с плито->бразным АЭ позволяют проводить численное моделирование целью оп-имизации параметров мощного усилителя и определения предельных 1ЫХ0ДНЫХ параметров усилителя. Для базового АЭ, используемого< в 'становке "Радуга", величина угла наклона торцевых граней выбира-іась на основе проведенных нани расчетов.
_0222ESiiilS-322SBT2mJ2i выносимые на защиту: 1. Предложена классификация мод паразитной генерации в АЭ в :ечении, имеющем форму параллелепипеда. Показано, что для базового арианта АЭ существует диапазон углов наклона боковых граней, для оторого выполняется условие подавления основных мод паразитной енерации.
2. Для базового варианта АЭ показано, что суперлюминесцентные отери при уровнях оптической накачки 15-70 кДж в 2-5 раз снижают апасенную в АЭ энергию и зависимость запасенной энергии от мощ-ости накачки при этих параметрах носит характер насыщения. Пока-ано, что в этом режиме больших суперлюминесцентных потерь повыше-ие концентрации ионов неодима в материале АЭ не приводит к замет-ому увеличению запасенной энергии: при увеличении концентрации в .4 раза запасенная энергия увеличивается примерно на 10%. Показа-о, что заметное (на 75%) увеличение запасенной в АЭ энергии дос-игается при одновременном увеличении концентрации ионов неодима
в 2.4 раза, толщины плиты до 6 см и разрезании АЭ по длине на две оптически не связанные части.
3. Предложена методика определения степени влияния суперлюми-
несцентных потерь на запасенную энергию в произвольном АЭ по экс
периментально измеренным профилям инверсной населенности.
4. Показано, что для базового АЭ при уровнях оптическое
накачки 35 кДж (что соответствует электрической энергии накачки і
100 кДж) усилительные характеристики различных схем прохождения и»
пульса в диапазоне длительностей импульса 3-100 не отличается нез
начительно (порядка 5%). Предельная по уровне развития МИС4
выходная плотность энергии для базового АЭ при уровне накачк*
Е =100 кДж составляет для 3- и 10 не импульса соответственно 250 *
615 Дж, при Е »200 КДж - соответственно 340 и 730 Дж.
-
Показано, что двухчастотный режим усиления (npt оптимальном подборе пары частот) увеличивает значение локальногс энергосьема в неодимовом стекле примерно на 10%, трехчастотныЯ режим увеличивает значение локального энергосьема еще примерно на 3%.
-
Показано, что для базового варианта АЭ зффекі интерференции пересекающихся частей импульса незначителен и при максимальном самопересечении 1-нс импульса в режиме сильного насыщения приводит к уменьшению выходной плотности излучения примерно на 10%.
7. Показано, что учет больцнановской термализаци»
населенностей штарховских компонент лазерных уровней при
фиксированной длительности импульса приводит к увеличению значених
локального энергосьема лишь при достаточно больших плотностях
энергии импульса. Так, при длительнотси импульса 10 не плотность
энергии импульса должна превышать 1 Дж/см2.
_dSB25ySS_E32TSi Результаты работы докладывались на ХІ-оЯ Международной .конференции по когерентной и нелинейной оптике КиНО-91, С.-Петербург, 1991 г, на семинарах отдела КиНО и отдела колебаний ИОФ РАН. Практическая апробация связана с применение» результатов работы при разработке и испытаниях мощной лазерной установки "Радуга" в отделе КиНО ИОФ РАН.
_2Х5її2У2її.і Основные результаты диссертации опубликованы в 9 работах.
-CZEYSXZES-iJ-SSbe^gaCoTbu. Диссертация состоит из вводной главы, трех основных глав, заключения и списка литературы, объем диссертации —139 страниц,-включая 40 рисунков, 14 таблиц и~список литературы из 98 библиографических наименований.
