Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературный обзор 12
1.1 Выбор активной среды лазера 12
1.2 Тепловые эффекты в активных средах 15
1.3 Пластинчатая геометрия активной среды.. 19
1.4 Выбор конфигурации системы накачки и теплоотвода. 24
Глава 2. Расчет, изготовление, и контроль качества композитного пластинчатого Nd:YAG активного элемент а. 32
2.1 Оценка размеров активного элемента с точки зрения теплоотвода 32
2.2 Расчет распределения температуры вдоль композитного пластинчатого АЭ... 36
2.3 Расчет зигзагообразного хода пучка в АЭ и изготовление композитных элементов 40
2.4 Исследование фазовых искажений тестового пучка в модельных экспериментах 44
2.5 Выводы к Главе 2. 48
Глава 3. Исследование температурных профилей и термооптических искажений в пластинчатом Nd:YAG активном элементе при продольной диодной накачке .. 49
3.1 Измерение профиля температуры вдоль композитного пластинчатого АЭ при продольной накачке 49
3.1.1 Накачка диодными модулями с волоконным выходом (=805 нм) 52
3.1.2 Накачка диодными матрицами (=793нм) 57
3.2 Исследование термооптических искажений пучка в пластинчатом активном элементе с продольной диодной накачкой 65
3.2.1 Искажения лазерного пучка при накачке АЭ диодными модулями с одной фокусирующей линзой.. 66
3.2.2 Искажения лазерного пучка при накачке АЭ диодными модулями с фокусировкой трехлинзовым объективом. 70
3.2.3 Искажения лазерного пучка в случае накачки АЭ диодными матрицами.. 76
3.3 Выводы к Главе 3. 79
Глава 4. Исследование генерационных характеристик лазера на основе пластинчатого Nd:YAG активного элемента с зигзагообразным ходом пучка . 81
4.1 Исследование коэффициента усиления слабого сигнала в пластинчатом активном элементе с продольной диодной накачкой .. 81
4.2 Многопроходный усилитель на основе пластинчатого АЭ с зигзагообразным ходом пучка. 88
4.3 Генерационные исследования лазера на основе пластинчатого активного элемента с зигзагообразным ходом пучка.. 94
4.4 Выводы к Главе 4. 103
Заключение. 105
Литература. 109
- Пластинчатая геометрия активной среды..
- Исследование фазовых искажений тестового пучка в модельных экспериментах
- Исследование термооптических искажений пучка в пластинчатом активном элементе с продольной диодной накачкой
- Исследование коэффициента усиления слабого сигнала в пластинчатом активном элементе с продольной диодной накачкой
Введение к работе
Актуальность темы
Лазеры нашли широкое применение в современном мире в таких областях как телекоммуникации, обработка материалов, медицина. Для использования в технологических целях требуются лазеры с выходной мощностью от 10 Вт до нескольких десятков киловатт. Использование диодной накачки твердотельных лазеров позволило на порядок увеличить эффективность генерации, упростить конструкцию лазерных систем, улучшить частотную и временную стабильность выходного излучения. Таким образом, актуальность данной диссертационной работы обусловлена бурным развитием новых конструкций мощных неодимовых лазеров и иттербиевых лазеров, использующих полупроводниковые лазерные диоды для накачки.
Одной из основных задач при создании твердотельных лазерных систем высокой средней мощности является задача эффективного охлаждения активного элемента (АЭ) лазера. По сравнению с цилиндрическими активными элементами, более эффективным теплосъемом обладают планарные активные элементы в форме тонких дисков или пластин. Использование пластинчатых АЭ с зигзагообразным ходом лазерного пучка позволяет получить высокую мощность генерации с сохранением высокого качества излучения за счет компенсации термооптических искажений пучка. Несмотря на подробное описание результатов, достигнутых с использованием пластинчатых элементов, критически важная информация о методах изготовления активных элементов, системах накачки, теплоотвода, распределении температуры в активной среде, методов защиты поверхностей полного внутреннего отражения (ПВО) и др. представлена в сильно урезанном виде, совершенно недостаточном для практического использования. Основное внимание в публикациях уделяется достижению высокой мощности генерации, но не определению и изучению эффектов, ограничивающих эффективность, мощность генерации и качество излучения. Это определяет основные цели и задачи диссертационной работы.
Цели и задачи работы
Целью работы является создание непрерывных твердотельных лазеров на основе пластинчатых активных элементов, излучающих в ближней ИК-области, и исследование их тепловых и генерационных характеристик в различных режимах излучения. Достижение поставленной цели потребовало применения новых технологий изготовления активных элементов, создания стендов для
исследования тепловых эффектов в активной среде и оптимизации условий генерации.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
^ Расчет и изготовление композитного активного элемента Nd:YAG в форме пластины с зигзагообразным ходом пучка. Проверка качества изготовленного АЭ.
^ Исследование тепловыделения и профиля температуры вдоль пластинчатого активного элемента при различных конфигурациях продольной диодной накачки.
^ Изучение термоиндуцированных искажений волнового фронта лазерного пучка в пластинчатом активном элементе с зигзагообразным ходом пучка при различных конфигурациях продольной диодной накачки.
^ Исследование потерь и коэффициента усиления слабого сигнала в пластинчатом активном элементе Nd:YAG и построение многопроходного усилителя на основе АЭ с зигзагообразным ходом лазерного пучка.
^ Изучение генерационных характеристик лазера на основе пластинчатого активного элемента Nd:YAG с зигзагообразным ходом пучка при различных конфигурациях продольной диодной накачки.
Научная новизна
^ Измерено распределение температуры вдоль композитного пластинчатого АЭ при продольной диодной накачке при различных коэффициентах поглощения излучения накачки;
^ Продемонстрировано влияние неоднородного распределения поглощенной мощности накачки в сечении пластинчатого АЭ при продольной накачке на эффективность лазерной генерации;
^ Предложено использовать в качестве защитного покрытия на плоскостях ПВО активного элемента полимера СИЭЛ и реализован лазер на основе пластинчатого АЭ с выходной мощностью более 100 Вт.
Практическая ценность
Практическая ценность работы заключается в выявлении преимуществ и недостатков схемы продольной накачки пластинчатых активных элементов, что необходимо для создания практических изделий. Проведенные эксперименты демонстрируют эффекты, которые ограничивают эффективность, мощность генерации и качество излучения в лазерах с пластинчатыми активными
элементами. Выводы, сделанные на основе экспериментов и проведенные расчеты позволяют проводить проектирование систем накачки и охлаждения мощных лазеров на пластинчатых активных элементах. В работе также предложен метод защиты поверхности активного элемента с помощью специальных полимеров, который превосходит по своим характеристикам традиционно применяемые пленки SiC>2.
Защищаемые положения
^ Распределение температуры вдоль композитного пластинчатого активного элемента при продольной диодной накачке сильно зависит от эффективного коэффициента поглощения излучения накачки;
^ Термооптические искажения лазерного пучка при зигзагообразном проходе через пластинчатый активный элемент в значительной мере определяются распределением поглощенной мощности накачки в сечении пластины;
^ Потери в пластинчатом активном элементе определяются в основном качеством защитного покрытия на плоскостях полного внутреннего отражения (ПВО). Покрытие из кремнийорганического компаунда СИЭЛ является эффективным защитным покрытием на плоскостях ПВО;
^ Реализация многопроходного усилителя на основе пластинчатого Nd:YAG активного элемента с зигзагообразным ходом пучка; Вывод о том, что основным фактором ограничивающим усиление является действие термооптических эффектов на пучок и дополнительные потери излучения за счет виньетирования пучка на выходном торце АЭ;
^ Реализация лазера на основе композитного пластинчатого активного элемента Nd:YAG с защитным покрытием на плоскостях ПВО в виде полимера СИЭЛ с зигзагообразным ходом пучка с выходной мощностью более 100 Вт.
Личный вклад диссертанта
Изложенные в диссертации результаты получены А.Д. Ляшедько лично или совместно с соавторами при непосредственном его участии.
Апробация работы
Основные результаты работы были доложены на международных конференциях 18th International Laser Physics Workshop (LPHYS'09, Барселона, Испания), CLEO/Europe-2011 (Мюнхен, Германия), на XVII Международной
конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов 2010» (г. Москва), на 4-ой (2010 г.) и 5-ой (2011 г.) Всероссийской школе для студентов, аспирантов, молодых ученых и специалистов по лазерной физике и лазерным технологиям (г. Саров), на конкурсе молодых ученых НЦЛМТ ИОФ РАН 2010 г. и 2012 г. (г. Москва), на X Всероссийская молодежная научная школа «Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники и волоконной оптики: физические свойства и применение» (ВНКШ-2011, г. Саранск)
Публикации
Основные результаты опубликованы в 2 статьях в журналах, рекомендованных ВАК РФ, и в 8 тезисах российских и международных конференций. Список публикаций по теме диссертации приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Объем диссертации составляет 117 страниц, включая 58 рисунков, 6 таблиц и список литературы из 87 наименований.
Пластинчатая геометрия активной среды..
При использовании активных элементов (АЭ) традиционной цилиндрической формы существуют значительные трудности, связанные с генерацией мощного излучения с расходимостью, близкой к дифракционному пределу [38]. По сравнению с цилиндрическими активными элементами, более эффективным теплосъемом обладают планарные активные элементы в форме тонких дисков или пластин [11-13]. В планарных элементах излучение генерации либо удерживается в активной среде за счет эффекта полного внутреннего отражения от поверхностей АЭ [39], либо направляется перпендикулярно плоскости пластины [40]. Использование планарных АЭ позволяет получить высокую мощность генерации с сохранением высокого качества излучения за счет меньших проблем, связанных с термооптическими искажениями пучка [14-18]. В дисковых лазерах это обеспечивается за счет того, что лазерное излучение распространяется вдоль температурного градиента. В пластинчатых лазерах – за счет зигзагообразного хода пучка через температурный градиент, что обеспечивает одинаковые условия распространения для всех лучей в пучке.
В 1972 году было предложено использовать геометрию активной среды в форме прямоугольной тонкой пластины [12, 13], которая позволяла производить эффективное охлаждение кристалла за счет большой площади боковых граней пластины. Использование пластинчатой геометрии позволило снизить термонаведенные напряжения в активной среде и связанный с ними эффект двулучепреломления [41]. Для компенсации действия тепловой линзы было предложено использовать зигзагообразный ход пучка через пластину. Пучок направлялся на скошенный торец активного элемента под углом, внутри пластины пучок отражался от боковых граней кристалла под углом полного внутреннего отражения (рис. 3). Эти плоскости принято называть плоскостями полного внутреннего отражения (ПВО). Через плоскости ПВО предлагалось производить накачку активного элемента и охлаждение.
В рассматриваемой геометрии наиболее нагретой являлась центральная часть кристалла, а градиент температуры направлен от центра к боковым плоскостям. Лазерный пучок проходил под углом через градиент температуры, отражаясь от плоскостей ПВО. Таким образом, все лучи в пучки распространялись в одинаковых условиях и приобретали одинаковый фазовый набег, что позволяло сохранить высокое качество излучения.
В работах [42, 43] проведен детальный теоретический анализ пластинчатой геометрии активной среды с зигзагообразным ходом лазерного пучка, и проведено сравнение пластинчатой и цилиндрической геометрии активных элементов. Показано, что в случае пластины тепловая мощность, которая приводит к разрушению элемента, зависит от соотношения сторон пластины: где Pтепл/l – тепловая мощность на единицу длины пластины, w – ширина пластины, t – толщина пластины, R – константа материала определяющаяся формулой (2). По сравнению с цилиндрическими активными элементами тепловая мощность, которая приводит к разрушению
АЭ, может быть увеличена на порядок выбором соответствующего соотношения сторон пластины.
Расчет тепловой линзы показал, что оптическая сила линзы в пластине при прямом распространении пучка приблизительно в два раза выше, чем в случае цилиндрической геометрии. Однако зигзагообразный ход пучка позволяет компенсировать действие тепловой линзы первого порядка. Эффекты фокусировки второго порядка малости являются незначительными, так как проявляются при мощностях накачки, превосходящих тепловую мощность, при которой наступает разрушение активного элемента. При наличии равномерного тепловыделения и охлаждения бесконечной пластины, при которых существует одномерный градиент температуры между плоскостями ПВО, искажения волнового фронта пучка возможны только вследствие искривления поверхностей ПВО или входных и выходных торцов.
В случае пластины с конечными размерами в поперечном сечении возможны градиенты температуры вдоль плоскостей ПВО, которые могут быть связаны как неоднородным распределением поглощенной мощности накачки, так и наличием теплоотвода с торцевых плоскостей. Кроме того, вблизи свободных торцевых поверхностей возникают дополнительные механические напряжения, которые распространяются внутрь пластины на длину порядка толщины пластины. Данные эффекты приводят к изменению оптической длины пути вдоль плоскостей ПВО (ось Y), которая может быть выражена следующей формулой: пути в пластине, T(y) - температура, усредненная по толщине пластины, sxx (y) - усредненное значение напряжений.
В СССР «волноводные» активные элементы были предложены в 1972 году. В работе [12] обсуждается компенсация термооптических эффектов в «волноводных» резонаторах с пластинчатыми активными элементами. В работе рассматривался активный элемент в виде плоской пластины с полированными боковыми гранями. Лазерный пучок падает на торец пластины под некоторым углом и, испытывая полное внутреннее отражение, выходит через второй торец (рис.4)
Исследование фазовых искажений тестового пучка в модельных экспериментах
Для изучения влияния механических напряжений и перепадов температуры в АЭ на волновой фронт проходящего пучка были проведены модельные эксперименты. Изготовленный активный элемент с размерами 6x0,6x0,2 см3 с центральной частью, легированной ионами Nd3+, длиной 4 см со скошенными под углом 45 торцами закреплялся на столике (см. рис. 17). Нижняя грань АЭ располагалась на нагревателе, верхняя грань в контакте с воздухом. При включении нагревателя в активном элементе создавался температурный градиент. Для создания в кристалле механических напряжений использовалась калиброванная пружина жесткостью 0,6 Н/мм с тефлоновым наконечником в форме призмы. АЭ прижимался к плоской поверхности с расположенной на ней ребрами на расстоянии около 5 мм (рис. 17)
Призменный расширитель пучка
ПМ-15 Измерения фазовых искажений в тестовом пучке проводились с помощью интерферометра Жамена. В качестве тестового пучка использовался пучок He-Ne лазера с длиной волны 632,8 нм. Для засвечивания всего сечения кристалла применялся призменный расширитель пучка [76]. С помощью зеркала З1 расширенный пучок направлялся на плоскопараллельную пластину (ПМ-15), на заднюю сторону которой нанесено металлическое зеркало. На пластине пучок разделялся на два пучка, один из которых распространялся через АЭ зигзагообразным образом, а второй проходил выше. Вторая пластина ПМ-15 располагалась параллельно первой, и на передней поверхности пучки совмещались, и формировалась интерференционная картина. Картина проектировалась на бумажный экран с помощью линзы с фокусным расстоянием 10 см. Полученные интерференционные картины фотографировались. Обработка полученных интерференционных картин производилась в программе Quick Fringe.
Интерференционная картина, возникающая при прохождении тестового пучка через ненагретый АЭ и в отсутствии механических напряжений, представлена на рис. 18а.
Две светлых интерференционных полосы на картине являются следствием непараллельности скошенных под углом 450 торцов [77]. В дальнейших экспериментах этот начальный фазовый набег вычитался из фазовых искажений тестового пучка путем обработки интерференционных картин в программе Quick Fringe.
Перепад температуры в АЭ создавался как в направлении между плоскостями ПВО (вдоль оси X), так и в направлении вдоль плоскостей ПВО (вдоль оси Y). Обработанные интерференционные картины в двух различных случаях представлены на рис. 19.
Механические напряжения в АЭ создавались с помощью калиброванной пружины, давление прикладывалось к центру кристалла со стороны плоскости ПВО. В эксперименте было проведено сравнение композитного АЭ и монолитного АЭ точно таких же размеров. Интерференционные картины для композитного и монолитного АЭ, возникающие при приложении к одной из плоскостей ПВО силы 9 Н, представлены на рис. 20. Фазовые искажения тестового пучка, распространяющегося зигзагообразно через пластину в обоих случаях составляют около 4 длин волн тестового излучения (=632,8 нм). Данные фазовые искажения связаны, по-видимому, с изменением геометрии пластины вследствие ее прогиба.
В ходе проведенных модельных экспериментов по измерению фазовых искажений в композитном пластинчатом Nd:YAG активном элементе показано, что перепад температуры между плоскостями ПВО эффективно компенсируется зигзагообразным ходом пучка. В направлении вдоль плоскостей ПВО перепад температуры около 6 0С приводит к фазовым искажениям тестового пучка около 5 длин волн тестового излучения (=632,8 нм). Эксперименты по измерению фазовых искажений тестового пучка связанных с механическими напряжениями в АЭ показали, что в монолитном и композитном активном элементе возникают одинаковые фазовые искажения пучка, что говорит о том, что места сварки легированной и нелегированной частей АЭ не вносят дополнительных напряжений.
В ходе работы был произведен расчет и изготовление композитного пластинчатого активного элемента Nd:YAG с зигзагообразным ходом лазерного пучка. Геометрические размеры АЭ составили 0,2x0,6x6 см3 со скошенными под углом 45 торцами, с центральной частью легированной ионами 0,8 ат.% Nd +, размерами 0,2x0,6x4 см .
Произведен расчет температуры вдоль пластинчатого АЭ, показано, что при коэффициенте поглощения в активной среде 2 см"1 максимальная температура нагрева АЭ составляет 140 С, а температурные перепады превышают критические при симметричной накачке с суммарной поглощенной мощностью 200 Вт. Показано, что снижение коэффициента поглощения в активной среде до 1 см"1 позволяет в 1,5 раза снизить максимальную температуру нагрева АЭ и приблизительно в два раза температурные перепады вдоль пластины.
Проведены модельные эксперименты по измерению фазовых искажений тестового пучка распространяющегося через пластинчатый активный элемент с искусственно созданными температурными градиентами и механическими напряжениями. Показано, что зигзагообразный ход пучка эффективно компенсирует действие температурного градиента между плоскостями ПВО на волновой фронт пучка. При наличии механических напряжений в монолитном и композитном активном элементе возникают одинаковые фазовые искажения пучка, что говорит о том, что места сварки легированной и нелегированной частей АЭ не вносят дополнительных напряжений.
Исследование термооптических искажений пучка в пластинчатом активном элементе с продольной диодной накачкой
При использовании пластинчатых активных элементов организация зигзагообразного прохода лазерного излучения через активную среду позволяет компенсировать действие термооптических искажений, связанных с градиентом температуры между охлаждаемыми гранями кристалла. Однако, как показали первые эксперименты по созданию лазеров с пластинчатыми АЭ, возникновение перепада температуры вдоль плоскостей охлаждения (но перпендикулярно оптической оси АЭ), приводит к термооптическим искажениям, которые не компенсируются зигзагообразным ходом пучка и значительно ухудшают качество выходного излучения [80]. Возникновение перепада температуры в данном направлении в большинстве случаев связано с неоднородным распределением поглощенной мощности накачки. Для оценки величины термооптических искажений пучка в зависимости от степени неоднородности поглощенной мощности накачки в пластинчатом активном элементе с продольной диодной накачкой был проведен ряд экспериментов. В данной части работы была проведена оценка фокусного расстояния тепловой линзы, формирующейся в пластинчатом Nd:YAG активном элементе, при схеме накачки диодными модулями с волоконным выходом с использованием одной фокусирующей линзы. Накачка активного элемента осуществлялась симметрично с обоих торцов, схема накачки с одного из торцов представлена на рис. 23А. Центральная длина волны излучения модулей накачки составляла около 805 нм, коэффициент поглощения составлял порядка 2 см-1. Фотография люминесценции активного элемента, представленная на рис. 23Б позволила оценить распределение излучения накачки в поперечном сечении пластинчатого активного элемента (рис. 34). Распределение интенсивности накачки в сечении АЭ при использовании диодных модулей с волоконным выходом с одной фокусирующей линзой является сильно неоднородным.
Проведенные эксперименты показали, что на выходе из многомодового волокна диаметром 600 мкм распределение интенсивности в поперечном сечении пучка близко к прямоугольному. При распространении в свободном пространстве или при прохождении через оптические элементы распределение интенсивности в пучке изменяется, и в общем случае становится гауссовым [81, 82]. Профиль пучка при его распространении через оптическую систему соответствует начальному только вблизи плоскости изображения оптической системы.
Оценка фокусного расстояния линзы проводилась по отклонению нескольких тестовых лазерных пучков [83]. В качестве пробного пучка использовался пучок Nd:YVO4 лазера с длиной волны 1.064 мкм, предварительно расширенный телескопом. Расширенный пучок направлялся на маску, в которой были сделаны 4 отверстия. Маска располагалась в непосредственной близости от АЭ. Таким образом, на поверхность активного элемента падало четыре параллельных пучка. После прохождения через активный элемент (рис. 35) пучки попадали на экран, который располагался на расстоянии 10 см от АЭ. При этом прохождение пробного пучка через активный элемент точно повторяло зизгзаг-ход пучка генерации с 12 отражениями от плоскостей полного внутреннего отражения. При включении излучения накачки активный элемент нагревался и в нем возникала тепловая линза – тестовые пучки отклонялись от своего первоначального пути распространения. По изменению расстояния между парами точек было вычислено фокусное расстояние линзы как в направлении зигзаг-хода лучей, так и в перпендикулярном направлении – параллельно плоскостям полного внутреннего отражения. Рис. 35 Оптическая схема эксперимента по изучению термолинзы в пластинчатом АЭ при зигзагообразном ходе тестового пучка.
На рис. 36 представлены фотографии, сделанные при различных поглощенных мощностях излучения накачки 0, 60, 100, 140, 200 Вт. Из представленных фотографий видно, что при повышении мощности накачки происходит фокусировка пробного излучения как X-направлении (направление зигзаг-хода), так и в Y-направлении (параллельном плоскостям полного внутреннего отражения). По изменению расстояния между центрами пучков была оценена оптическая сила формирующейся тепловой линзы. Из представленных на рис. 37 графиков видно, что оптическая сила линзы растет линейно с мощностью накачки (с учетом большой погрешности метода ±0,4 дптр). Оптическая сила линзы в Y-направлении (вдоль плоскостей полного внутреннего отражения) достигает величины 3 дптр, а в X-направлении (направление зигзагообразного хода пучка) в случае пары нижних пучков до 4 дптр. Наличие тепловой линзы в направлении зигзагообразного хода пучка, по-видимому, связано с сильно неоднородным профилем накачки как в сечении пластинчатого АЭ (рис. 34), так и вдоль оптической оси АЭ (рис. 23Б). Это приводит к высоким градиентам температуры и связанных с ними механическим напряжениям. Тепловая линза в направлении зигзагообразного хода пучка, которая не должна наблюдаться в случае равномерного тепловыделения, в данном случае, вероятно, связана с искривлением плоскостей ПВО вследствие термомеханических напряжений.
Исследование коэффициента усиления слабого сигнала в пластинчатом активном элементе с продольной диодной накачкой
Основной целью настоящей части работы являлось измерение потерь и коэффициента усиления излучения с длиной волны 1064 нм в пластинчатом активном элементе Nd:YAG. В экспериментах использовался композитный пластинчатый АЭ геометрические размеры элемента представлены на рис. 14. Оптическая схема по измерению коэффициента усиления и оценки потерь в пластинчатом АЭ представлена на рис. 45.
В качестве пробного лазера использовался Nd-лазер фирмы «Лазер-экспорт», =1,064 мкм, выходная мощность до 1 Вт, имеющий линейную поляризацию 100:1, диаметр пучка около 1мм. Потери в активном элементе главным образом определяются потерями вследствие отражения от торцевых поверхностей АЭ и потерями при полных внутренних отражениях внутри АЭ. Потери за счет частичного отражения излучения от торцов кристалла можно существенно уменьшить нанесением просветляющего покрытия и соответствующим выбором поляризации излучения. При использовании просветляющего покрытия потери на отражение от торцов составляли от 0,1% до 0,5% в зависимости от угла падения a для поляризации излучения в плоскости падения. Потери внутри активного элемента при отражениях под углом полного внутреннего отражения связаны с тем, что излучение проникает через границу раздела на расстояние порядка длины волны. И если поверхности кристалла загрязнены или защитное покрытие обладает поглощением на длине волны генерации, то происходит поглощение или рассеивание излучения.
Для оценки потерь в АЭ было проведено измерение величины пропускания пробного пучка Nd-лазера при зигзагообразном проходе через АЭ с 10 полными внутренними отражениями. Измерения проводились при различных условиях:
АЭ при непосредственном контакте незащищенной поверхности полного внутреннего отражения с термопастой КПТ-8 в водоохлаждаемом держателе
АЭ при контакте незащищенной поверхности полного внутреннего отражения с воздухом.
АЭ в водоохлаждаемом держателе при контакте поверхностей полного внутреннего отражения с защитным покрытием в виде тонкого слоя полимера СИЭЛ (толщина слоя около 30 мкм) с термопастой КПТ-8 на внешней поверхности защитного покрытия.
АЭ при контакте поверхности полного внутреннего отражения с нанесенным на нее просветляющим покрытием на длину волны 805 нм и тонким слоем полимера СИЭЛ (толщина слоя около 30 мкм). Результаты экспериментов представлены в Таблице 3.
Наибольшие потери излучения (до 7,5% на одно отражение) наблюдались в случае, если на незащищенную поверхность кристалла наносится термопаста, как поглощающая, так и рассеивающая излучение. В случае очищенных боковых плоскостей и их контакта с воздухом значение потерь существенно снижается и составляет порядка 0,65% на одно полное внутреннее отражение. При нанесении защитного покрытия в виде полимера СИЭЛ потери остаются приблизительно на таком же уровне, но отличаются от эксперимента к эксперименту в пределах ±0,15% на одно отражение. Нанесение на плоскости ПВО просветляющего покрытия совместно с покрытием полимером СИЭЛ позволяет снизить потери до величины около 0,45% на одно отражение. Данный результат связан, по-видимому, с более тщательной очисткой поверхности при нанесении просветляющего покрытия.
Основываясь на описанных в главе 2 экспериментах по исследованию термооптических искажений в пластинчатом активном элементе с продольной накачкой, для исследования генерационных характеристик была выбрана схема накачки с использованием диодных модулей с волоконным выходом и трехлинзовой системой фокусировки излучения (см. п. 3.2.2). Путем регулировки температуры охлаждения диодных модулей накачки эффективный коэффициент поглощения в активной среде варьировался от приблизительно 0,7 см-1 до 2 см-1. При коэффициенте поглощения около 2см-1 излучение накачки полностью поглощается в кристалле, при коэффициенте около 0,7 см-1 примерно 6% излучения выходило из активного элемента. Коэффициент усиления был измерен как отношение мощности выходного излучения при диодной накачке к мощности выходного излучения в отсутствии накачки:
Из представленных графиков видно, что наблюдается загиб кривой усиления с увеличением поглощенной мощности накачки. Наиболее сильно это проявляется при высоком коэффициенте поглощения излучения накачки. Значение коэффициента усиления при этом ограничено значением около 1,5 (или g0=0,2 см-1, при условии, что усиление происходит на длине активной среды, приблизительно равной эффективной длине поглощения излучения накачки, которая при коэффициенте поглощения 2 см-1 составляет около 1 см).
