Введение к работе
Актуальность работы
Одним из важных направлений развития лазерной техники является создание лазеров с перестраиваемыми в широких диапазонах параметрами излучения и стабильными характеристиками. При этом реализация режимов генерации импульсов излучения микросекундного диапазона длительностей с высокой стабильностью и воспроизводимостью формы и длительности импульсов для лазеров на стекле с неодимом является технически сложной задачей. Подобные лазеры находят широкое применение в практической медицинее используются для записи дифракционных структур и изготовления голографических оптических элементов, являются инструментом для проведения исследований физических, химических и биологических процессов. Один из современных подходов к увеличению эффективности и предельной энергии излучения на выходе мощных лазерных установок предполагает переход к усилению импульсов микросекундного диапазона. В связи с этим актуальна задача создания простого и надежного в эксплуатации задающего лазера на стекле, излучающего гладкие высокостабильные импульсы микросекундного диапазона с длительностью, регулируемой в широких пределах, и проведения исследований условий достижения предельных энергетических параметров излучения и возможных путей их увеличения в мощных микросекундных лазерах на стекле.
Цель диссертационной работы
Целью диссертационной работы является разработка, создание и исследование лазера на стекле, излучающего гладкие высокостабиль-кые импульсы микросекундного диапазона с длительностью, регулируемой в широких пределах, а также проведение комплекса исследований по изучению особенностей усиления лазерных импульсов микросекундной длительности в неодимовом силикатном и фосфатном стеклах, условий достижения максимальных энергетических параметров излучения и путей их возможного увеличения.
Основная идея. Предлагается для свободного формирования стабильного лазерного импульса микросекундной длительности значительно увеличить время пролета фотона между зеркалами резонатора при
оптимизации уровня накачки и закона включения добротности, а для увеличения эффективности лазера использовать ОМЗ, причем требуешй закон включения добротности осуществить подбором скорости вращения глухого отражателя (призмы), размерами выходного зеркала и конфигурацией резонатора.
Степень новизны полученных в работе результатов состоит в следующем:
-
Впервые показана возможность создания стабильных моноимпульсных лазеров микросекундного диапазона с ОМЗ без использования элементов 00С.
-
Впервые предложен и использован для управления формой и длительностью генерируемрго импульса микросекундного лазера с ОМЗ оригинальный метод управления во времени величиной потерь излучения на зеркалах резонатора, основанный на изменении параметров выходного зеркала в направлении вращения призмы-крыши.
-
Впервые в одинаковых условиях облучения образцов импульсами одномодового одночастотного излучения длительностью, изменяемой в диапазоне 50-1000 не, получены соотношения между порогами разрушений объема и поверхности оптических материалов, применяемых в лазерах на неодимовом стекле.
-
Впервые для диапазона импульсов 50-1000 не измерены пороги ВРМБ усиливаемого излучения в А.Э. усилителей из неодимового силикатного и фосфатного стекол.
-
Впервые проведены исследования усилителей на силикатном и фосфатном неодимовых стеклах в режимах с плотностью энергии на входе усилителя до 35 Дж/cnT. Получены диаграммы усиления, позволяющие проводить предварительные расчеты усилителей в значительно расширенном диапазоне плотностей энергии усиливаемого излучения.
-
Впервые показана возможность повышения эффективности, угловой расходимости, запасенной энергии возбуждения и равномерности ее распределения по сечению А.Э. с поперечными размерами ^ 20 мм при использовании в системе накачки полостных импульсных ламп с диффузно отражающим покрытием на внешней колбе.
-
Экспериментально, на основе результатов исследований лазеров на стекле, показано, что использование внешних квантовых преобразователей УФ излучения ламп накачки нельзя рассматривать
как средство существенного увеличения КПД. Достигнутый эффект для преобразователей на основе окислов редкоземельных элементов Се, Saw и би. в кварцевой матрице не превышает 30$.
8. Предложены конструкции А.Э. и модернизирован способ усиления в расходящихся пучках, позволяющие увеличить эффективность энергосъема в активной среде усилителей наносекундных и субнанс-секундных импульсов при условии ограничения плотности энергии на торцах порогом оптического пробоя.
Научная и практическая ценность результатов исследования
Научное значение работы состоит в получении данных о возможности генерации гладких стабильных импульсов с длительностью, регулируемой в пределах от сотни не до нескольких мке, без использования в резонаторе лазера элементов 00С, а также простом способе реализации этой возможности в лазере с ОМПД.
Кроме того, в работе представлены:
-
Результаты изучения особенностей усиления импульсов микросекундной длительности в усилителях на неодимовсм силикатном и фосфатном стеклах, в которых показано, что импульсы микросекундной длительности усиливаются эффективнее 50 не импульсов с теми же спектральными характеристиками. Результаты позволяют проводить корректный расчет усилителей в широком диапазоне плотностей энергии усиливаемого сигнала.
-
Результаты определения порогов нелинейных эффектов (оптического пробоя и ВРМБ), ограничивающих плотность энергии лазерного излучения в А.Э. из неодимового силикатного и фосфатного стекол и эффективность съема запасенной энергии для импульсов одно-модового одночастотного излучения широкого диапазона длительностей (50-1000 не).
-
Результаты исследований возможности увеличения эффективности систем оптической накачки лазеров на стекле путем использования лазерных отражателей, материал которых включает окислы редкоземельных элементов ( Сг. , Л'еп , &и. ) и выполняет функции внешнего квантового преобразователя УФ излучения ламп, а также применения для возбуждения стержневых А.Э. 0 20 мм полостных импульсных ламп, в которых показано, что применение указанных отражателей позволит до 1,3 раза поднять эффективность лазера, а пеполь-
зование ламп дает возможность создать компактные усилители с большим усилением на проход (до 10 ) при высокой равномерности распределения инверсии по сечению Л.Э.
Полученные данные могут быть использованы при разработке и оптимизации мощных лазерных установок, расчете усилителей и оценке их продельных параметров.
Личный вклад автора
Непосредственно автором выполнены:
исследования условий генерации гладких импульсов микросекундной длительности в лазере на стекле и выбран путь построения стабильного лазера микросекундного диапазона с ОШ и без элементов 00С в резонаторе;
разработка и экспериментальная апробация методов регулировки длительности импульса выходного излучения микросекундного лазера с ОМЗ;
исследования особенностей усиления лазерных импульсов микросекундной длительности в неодимовых силикатных и фосфатных стеклах ;
измерения порогов нелинейных эффектов (оптический пробой и ІЗШБ), ограничивающих энергетику излучения и эффективность усилителей, а также исследования, показавшие возможность достижения максимума эффективности энергосъема при усилении импульсов микросекундного диапазона длительностей;
исследования возможности увеличения эффективности лазеров на стекле как за счет увеличения эффективности СОН, так и за счет увеличения эффективности съема запасенной энергии возбуждения в Л.Э. усилителей;
для повышения эффективности лазеров на стекле предложены:
а) отражатели СОН из кварцевой керамики, легированной окис
лами редкоземельных элементов;
б) полостные импульсные лампы для возбуждения стержневых Л.Э.
0 20 мм и менее;
в) конструкции А.Э. усилителей и способ усиления в расходя
щихся пучках;
- разработки методик и оптических схем для проведения иссле
дований, подготовка и проведение экспериментов;
- анализ подученных результатов и формулировка выводов.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Всесоюзной конференции "Оптика лазеров" - 1984 г., Всесоюзном совещании по нерезонансному взаимодействию излучения с веществом -1981 г., XI конференции молодых специалистов ГОИ им.С.И.Вавилова - 1976 г.
Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 15 печатных работ (из них 12 статей) и получено 12 авторских свидетельств на изобретение.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения,четырех разделов, заключения и списка используемой литературы (177 наименований). Она представлена па 179 страницах машинописного текста, содержит 43 рисунка и II таблиц.
