Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Основы работы твердотельных лазеров с полупроводниковой накачкой 7
1.1. Балансные уравнения генерации лазеров 7
1.2. Общая методика оценки пороговых и энергетических характеристик лазеров 15
1.3. Выходная мощность и КПД излучения непрерывных лазеров 22
1.4. Источники накачки твердотельных лазеров 28
1.5. Лазеры с полупроводниковой накачкой 32
Глава 2. Научно-исследовательская установка для исследования излучательных характеристик диодных линеек для накачки активных элементов твердотельных лазеров 40
2.1. Описание спектрометра и принцип его работы 40
2.1.1. Требования, предъявляемые к акустооптическому спектрометру 42
2.1.2. Выбор архитектуры устройства управления 44
2.1.3. Функциональная схема устройства управления акустооптического спектрометра 46
2.1.4. Операции, выполняемые АО спектрометром 51
2.1.5. Прецизионный цифровой синтезатор частоты 52
2.1.6: Эллиптический фильтр нижних частот 53
2.1.7. Интерфейсные характеристики акустооптического спектрометра 5 5
2.2. Приемная часть акустооптического спектрометра 56
2.3. Перестроечная характеристика 58
2.4. Программное обеспечение 61
2.5. Волоконно-оптический зонд 66
2.6. Держатель (предметный столик) для крепления образцов 66
3. Исследование излучательных характеристик элементов накачки твердотельных лазеров 70
3.1. Исследование излучательных хар-к единичного светодиода 70
3.2. Исследование излучательных характеристик светодиодной линейки средней мощности 77
3.3. Исследование излучательных характеристик светодиодной линейки большой мощности 85
3.4.Методика комплексного исследования излучательных характеристик светодиодных линеек, используемых для накачки тв. лазеров 99
Заключение 101
Литература 102
- Общая методика оценки пороговых и энергетических характеристик лазеров
- Лазеры с полупроводниковой накачкой
- Требования, предъявляемые к акустооптическому спектрометру
- Исследование излучательных характеристик светодиодной линейки средней мощности
Введение к работе
Первым в мире лазером явился лазер на кристалле рубина (1960 год)
[1,2]. Хотя за прошедшие годы были разработаны многие другие классы
лазеров (газовые, жидкостные, полупроводниковые, эксимерные, лазеры
на свободных электронах), твердотельные лазеры на кристаллах не только не
утратили своего значения, но и получили существенное развитие. Были
созданы новые кристаллы, позволившие в 2-3 раза повысить КПД
твердотельных лазеров [3-14]. Кроме того, получили бурное развитие
твердотельные лазеры с накачкой инжекционными1
полупроводниковыми лазерами, что позволило создать семейство малогабаритных лазеров с КПД, превышающим 15-20% [15-23].
В настоящее время задача повышения КПД работы лазеров не потеряла своей актуальности. В этой связи источники накачки являются важной составной частью твердотельных лазеров, так как служат для преобразования электрической энергии источника питания в световую энергию, необходимую для создания инверсии населенности в активном, элементе твердотельного лазера. В качестве непрерывных источников накачки наибольшее применение получили дуговые газоразрядные лампы, заполненные кретоном, обладающие большим сроком службы, обеспечивающие КПД до 5% для АИГ^сІ-лазеров и полупроводниковые лазерные диоды, объединенные в диодные линейки или матрицы.
Лазерные диоды как источники накачки компактны, эффективны, прочны, долговечны и достаточно недороги. Возможность подстройки линии излучения подбором состава структуры или изменением температуры позволяет снизить нагрев активного элемента твердотельного лазера и уменьшить тепловую нагрузку, выбрав нужную полосу накачки. Более того, так как лазерные диоды (и линейки из них) являются когерентными направленными источниками, то их излучение легко можно сфокусировать на определенной зоне активного элемента.
Все вышесказанное и определяет важность и актуальность данной диссертационной работы, посвященной комплексному исследованию излучательных характеристик диодных линеек для накачки активных элементов мощных твердотельных лазеров.
Целью работы является комплексное изучение основных характеристик диодных линеек как источников световой накачки активных элементов мощных твердотельных лазеров, а именно частотного и пространственного распределения их излучения.
Научная новизна работы. В работе впервые в едином цикле измерений исследовано не только спектральное распределение излучения диодных линеек, но и распределение их излучения, как по длине линейки, так и по углу. Это позволяет построить полную картину как пространственного, так и частотного распределения излучения диодной линейки в целом как источника световой накачки активного элемента твердотельного лазера.
В работе обоснована методика комплексного изучения излучательных характеристик диодных линеек, разработано аппаратурное оформление данной методики и проведены исследования конкретных диодных линеек для накачки активных элементов мощных твердотельных лазеров, подтвердившие «работоспособность» предложенной методики.
Практическая значимость работы заключается в том, что созданная методика комплексного исследования излучательных характеристик диодных линеек позволяет выявлять искажения в пространственном распределении излучения, а последующая коррекция этих искажений - повысить КПД работы конкретного твердотельного лазера в целом.
Достоверность результатов работы обеспечивается информативностью и адекватным использованием методик акустооптической спектрометрии применительно к изучению излучательных характеристик диодных линеек, хорошей воспроизводимостью экспериментальных результатов, а также
интерпретацией данных, полученных независимыми методами, с единых позиций современной науки.
Положения, выносимые на защиту.
Использование акустооптической спектрометрии позволяет в едином цикле определять не только пространственное распределение излучательной способности диодных линеек, используемых для накачки твердотельных лазеров, но и их спектральные характеристики в каждой точке по длине линейки.
Разработанная на базе акустооптического спектрометра ближнего ИК-диапазона установка является аппаратурным оформлением методики комплексного исследования излучательных характеристик диодных линеек, используемых для накачки твердотельных лазеров.
Обработка результатов комплексных исследований мощной диодной линейки Silver Bullet ASM06C020 фирмы "NORTHROP GRUMMAN" показали, что при проведении коррекции выявленного пространственного распределения излучения линейки можно увеличить величину световой мощности закачиваемой в активный элемент (при напряжении 20 А) на 2,4 Вт, что приводит к повышению КПД работы твердотельного лазера с данной линейкой на 9% по сравнению с нескорректированным состоянием.
Апробация работы. Основные результаты работы представлялись на:
6-ой Международной выставке лазерной техники «LIC RUSSIA 2004», 27-30 января 2004 г., Москва, «Сокольники»;
У 1-м Международном Форуме «Высокие технологии XXI века», 18-22 апреля 2005 г., Москва, «ЭКСПОЦЕНТР»;
Международной специализированной выставке оптической, лазерной и оптоэлектронной аппаратуры «ФОТОНИКА-2006», 3-6 июля 2006 г., Москва, ЗАО «Экспоцентр» на Красной Пресне;
- 2-ой Международной специализированной выставке оптической,
лазерной и оптоэлектронной аппаратуры, комплектующих изделий и
компонентов «ФОТОНИКА», 13-16 марта 2007 г., Москва, ЦБК «Экспоцентр»;
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 4-х печатных работах:
Боритко СВ., Отливанчик Е.А., Твердов В.В., Отливанчик А.Е. Возможности использования рамановской спектроскопии для диагностики ювелирных камней. // Успехи современной радиоэлектроники. 2006. №10. С. 31-35.
Боритко СВ., Отливанчик Е.А., Отливанчик А.Е., Твердов В.В. Исследование распределения активаторной примеси в активных элементах твердотельных лазеров методом акустооптической спектроскопии комбинационного рассеяния. // Радиотехника и электроника. 2006. Т.51. №11. С1405-1408.
Пустовойт В.И., Пожар В.Э., Отливанчик Е.А., Боритко СВ., Перчик А.В., Суворов В.А., Шкроб Г.Н., Твердов В.В., Кутуза И.Б., Отливанчик А.Е., Шорин В.И., Мазур М.М., Жогун В.Н. Современные средства и методы акустооптической спектрометрии. // Успехи современной радиоэлектроники. 2007. №8. С.48-56.
Боритко СВ., Константинов А.Ю., Отливанчик Е.А., Отливанчик А.Е., Твердов В.В. Исследование характеристик основных элементов твердотельных лазеров методами акустооптической спектроскопии. // Труды Российского научно-технического общества радиотехники, электроники и связи имени А.С.Попова. Серия: Аку сто оптические и радиолокационные методы измерений. 2007. Выпуск П. С 109-112.
Общая методика оценки пороговых и энергетических характеристик лазеров
Пороговая мощность накачки, при которой начинается генерация лазера, складывается из двух слагаемых: критической мощности накачки и накачки (через соответствующую инверсию), идущей на преодоление потерь света в резонаторе: ПОР МСР " " MIOT WUO? = WKP " WUOT- (1-І!) Первое слагаемое зависит только от температуры активной среды и при ее постоянстве также постоянно. Второе слагаемое зависит от состава и качества элементов резонатора, от термооптических неоднородностей активной среды и может меняться в широких пределах. По аналогии с первым слагаемым введем для второго термин критическая мощность потерь и обозначим РПот- Критическая мощность потерь представляет собой ту добавку к введенной ранее критической мощности, которая доводит инверсию населенностей и коэффициент усиления активной среды до пороговых значений Nmp, капор. Методики оценки пороговой мощности накачки, так же как и выходной мощности излучения, оказываются существенно различными для непрерывных и импульсных лазеров, что обусловлено достаточно большим временем жизни активаторных ионов на метастабильном уровне.
Пороговая мощность накачки непрерывного лазера. Пороговая мощность накачки, как отмечалось, обеспечивает равенство усиления и потерь света в лазере при круговом обходе резонатора (такое состояние называется порогом генерации лазера). Из этого условия легко находится выражение для пороговой мощности накачки. Для этого можно воспользоваться уравнением генерации одномодового лазера (1.1а), из которого находится пороговая концентрация инверсной населенности активной среды #пор и затем пороговая мощность накачки. Действительно, первый член уравнения в левой части описывает затухание поля за счет потерь в резонаторе, а второй член — усиление поля в активной среде с инверсной населенности ионов неодима, равной N. При некоторой пороговой инверсии TVnop оба члена сравниваются по абсолютной величине, производная обращается в нуль и дальнейшее малейшее повышение инверсии, обусловливая положительную производную энергию ПОЛЯ во времени, приводит к генерации света в лазере, таким образом пороговое значение концентрации инверсии населенности находится1 из (1.1а) при равенстве нулю производной dw/dt: ПОР= VFa (G )Tp. (1.12а) Для полной пороговой инверсии населенности в активной среде: РПОР = Р / (G )V (1.126) Поскольку поле излучения лазера при пороговой накачке практически отсутствует (за исключением спонтанного), то вынужденными переходами рабочих ионов вниз можно пренебречь и считать, что величина JVnop совпадает с величиной стационарной инверсной населенности Ne, вычисленной ранее в предположении отсутствия генерации (1.9).
Полученные формулы относятся к поглощаемой в активном элементе мощности накачки. Для практики необходимо знать соответствующие данные о потребляемой источником накачки мощности — критической или пороговой. Очевидно, что поглощаемая мощность накачки пропорциональна потребляемой с некоторым коэффициентом гн, показывающим суммарную эффективность преобразования электрической энергии накачки в световую, попадающую в полосы накачки рабочих ионов, включающую в себя эффективность фокусировки света накачки внутрь активного элемента.
Критическая и пороговая энергия накачки импульсного лазера в режиме свободной генерации. В лазерах с импульсной накачкой энергетические параметры зависят не только от мощности накачки, но и от длительности действия накачки (т. е. длительности импульса тн). Как правило, энергия накачки приближенно оценивается произведением некоторой, средней по импульсу, мощности накачки Рн на длительность импульса накачки тн по уровню 0,5 от амплитуды. Будем считать форму импульса накачки прямоугольной.
С учетом этого для вычисления критических и пороговых значений мощности и энергии накачки можно воспользоваться формулами переходного процесса при ступенчатом включении постоянной накачки. При этом учтем, что поглощаемая световая мощность накачки пропорциональна населенности основного уровня, которая для четырехуровневой схемы меняется мало и близка к концентрации Na а для трехуровневой схемы меняется существенно: для трехуровневой схемы Рн (0 = W H (1 - wHT, + w e-"7-), N(f) = -N. +2N,wHTl(l-e "T ), (1Л5а) для четырехуровневой схемы рнпо(0 = к1лгайй)СІ,№н N(t) = NuwHT,(l-e- T )-N22 U56 Световая энергия накачки, поглощенная в активном элементе за весь импульс, длительностью тн, легко вычисляется через интеграл от поглощаемой мощности: для трехуровневой схемы W = rHNJfia,c?wn\-wHTt + wX(X-е-т»,т,)/тн] (иб) для четырехуровневой схемы КГ" = гнЛда »Ь."Ъ (1.17) Поскольку длительность импульса накачки выбирается заметно меньшей, чем время релаксации инверсной населенности (хц Т{), то множитель в квадратных скобках выражения для трехуровневой схемы всегда меньше 1.
Поэтому энергия накачки, поглощаемая в трехуровневой активной среде, при прочих равных условиях, будет меньше, чем в четырехуровневой. Обусловлено это уменьшением относительной доли поглощаемой мощности накачки от начала импульса к его концу за счет существенного уменьшения населенности основного уровня. Однако с точки зрения расходуемой источником накачки энергии она не зависит от способности поглощения активной среды. Поэтому в оценках этот факт уменьшения как правило не учитывается.
Лазеры с полупроводниковой накачкой
Лазеры с ламповой накачкой имеют заметный недостаток, который в некоторых случаях оказывается решающим, — низкий КПД использования излучаемого света накачки. Например, основные полосы поглощения ионов неодима в АИГ-Nd поглощают около 10% светового излучения криптоновой лампы накачки [46, 47]. Остальное световое излучение уходит в тепло, выделяемое большей частью в теле активного элемента. Зависимость выходной мощности линейки инжекционных лазеров и их эффективности от тока накачки. относительно большой энергетический порог генерации лазеров и не позволяет работать им при маленьких электрических энергиях накачки, когда это необходимо. Прорыв в этом узком месте обеспечивает применение для накачки когерентного, монохроматичного излучения другого лазера. Таким другим лазером, в частности, может быть полупроводниковый лазер на длине волны, совпадающей с какой-либо линией поглощения рабочего иона. Например, для ионов неодима хорошо подходит излучение лазерных диодов на GaAlAs с длиной волны около 810 нм. На сегодняшний день именно такая комбинация получила наибольшее распространение. В этом случае излучение света накачки поглощается практически полностью, и, кроме того, оно может быть, сфокусировано в тонкий канал внутрь активного элемента. Последнее обеспечивает необходимую для генерации лазера плотность света накачки при малых абсолютных мощностях этого света. Наглядно это можно увидеть, например, из выражения , для пороговой мощности накачки непрерывного четырехуровневого лазера, получаемого делением на гН выражения (1.136).
Из этого выражения видно, что для заданной активной среды и заданных потерь резонатора выражение в квадратных скобках также задано и представляет собой пороговую, поглощенную в единице объема активной среды, световую мощность накачки. Полная же электрическая мощность накачки, потребляемая источником накачки (лампой или лазерным диодом), находится умножением этой объемной плотности на объем активной среды Va, где поглощается накачка, и делением на эффективность преобразования-электрической мощности в полезно поглощенную световую МОЩНОСТЬ TJH- В случае лампы объем Va, куда может быть сфокусировано излучение, не может быть малым и равным полному объему активного элемента (Рис. І.б.а). При использовании для накачки лазерного диода нетрудно сфокусировать свет накачки в канал генерации диаметром 0,2 мм и длиной полного поглощения света 4 мм, чему соответствует весьма малое значение Va 1,25-10"4 см3 .
Схемы фокусировки света накачки внутрь активного элемента лазера: а. - от газоразрядной лампы с помощью отражателя; б. - от лазерного полупроводникового диода с помощью объектива. 25% и разумном предположении, что примерно 50% излученного света накачки будет поглощено в канале генерации, достигаемая величина гн 0,125. В итоге пороговая электрическая мощность накачки может быть снижена до величины, равной 150-1,25-10 /0,8-0,125-19 мВт, что качественно согласуется с экспериментальными данными.
Следует отметить, что выходную мощность излучения лазера1 при использовании для накачки полупроводникового лазера можно увеличить за счет уменьшения длины активного элемента до 5мм, что заметно уменьшает потери, связанные с резонатором, оптимизацией прозрачности выходного зеркала, улучшением согласования каустики пучка накачки и пучка генерируемой- моды резонатора, повышением КПД полупроводникового- лазера накачки и т. п. В частности, в [48] сообщается о достижении,КПД, равного 19%, на экспериментальном образце лазера на YVO4 : Nd с продольной накачкой решеткой полупроводниковых лазеров.
Однако повышенный КПД и возможность работать при весьма, малых мощностях накачки, когда газоразрядные лампы вообще не работают, являются не единственными преимуществами лазеров с полупроводниковой накачкой. В последнее время наблюдается дальнейшее развитие мощных и даже сверхмощных твердотельных лазеров с полупроводниковой накачкой [45, 49]. Это основано прежде всего на качественно новом этапе разработки и создании мощных линеек полупроводниковых лазерных излучателей.
Твердотельные лазеры с полупроводниковой накачкой по методам накачки делятся на две группы — продольную и поперечную. При продольной накачке ее пучок направляется вдоль пучка генерации и максимально совмещается с ним (Рис. 1.7). При поперечной накачке ее пучок направляется в поперечном направлении по отношению к пучку генерации, подобно ламповой накачке.
Варианты схем лазеров с продольной накачкой от полупроводниковых ЛД: а - с призменным моноблочным резонатором; 6-е накачкой через световолокно. Лазеры с продольной накачкой вследствие хорошего пространственного совмещения пучков накачки и генерации обеспечивают минимальные пороги генерации. Недостатком такого типа накачки является трудность освещения большого объема активной среды. Поэтому данный способ накачки применяется в лазерах с относительно небольшой мощностью генерации, когда основными являются другие параметры, например малые габаритные размеры, стабильность частоты и мощности излучения, монохроматичность и т. п. Достигаемые мощности излучения составляют от единиц до сотен милливатт [50].
Для достижения больших мощностей излучения используется поперечная накачка, позволяющая освещать большие объемы активной среды. При этом применяются линейки лазерных диодов, размещаемые либо вдоль, боковой поверхности активного элемента, либо на некотором расстоянии от него [49]. Поперечный способ накачки позволяет достигать мощности генерации до единиц ватт, а в перспективе — десятков ватт. Однако с ростом мощности накачки быстро нарастают трудности отвода тепла от матриц полупроводниковых лазеров. Поэтому дальнейший прогресс в повышении мощности накачки и генерации возможен лишь с повышением КПД самих полупроводниковых лазеров и соответствующего уменьшения их нагрева.
В заключении еще раз отметим, что при использовании для накачки лазерных диодов излучение накачки поглощается практически полностью, и оно может быть сфокусировано в тонкий канал внутрь активного элемента. Последнее обеспечивает необходимую для генерации лазера плотность накачки при малых абсолютных мощностях. Следовательно, знание пространственного распределения интенсивности излучения источника накачки и контроль ухода максимума частоты излучения вдоль диодной линейки является важной практической задачей.
Требования, предъявляемые к акустооптическому спектрометру
Во всем многообразии оптических блоков (головок) акустооптических спектрометров, несмотря на различное их конструктивное исполнение, существуют общие их функциональные, логические и электрические особенности. Этот факт позволяет сконструировать некое универсальное устройство управления. Иными словами, акустооптический спектрометр представляет собою аппаратурно-программный комплекс, предназначенный для обеспечения работы различных модификаций оптических головок [52].
Функционально, логически и электрически блок управления должен легко пристыковываться к любой оптической головке, создавая тем самым прибор с теми, или иными характеристиками. А универсальная программа, позволяя учитывать конкретные особенности каждого акустооптического фильтра и соответствующего ему фотоприемника, создает удобный интерфейс экспериментатора - пользователя прибора.
Оптическая головка акустооптического спектрометра видимого и ближнего ИК диапазона для своей работы требует: Питание: 1) Напряжение +12 В с током 20 мА для предварительного усилителя сигнала фотодиода. 2) Напряжение +24 В с током 0.2 А для предварительного усилителя мощности радиочастоты. 3) Напряжение +24 В с током до 1.0 А для усилителя мощности радиочастоты. Управление: 1) Сигнал радиочастоты для возбуждения звуковой волны в акустооптической ячейке. Синусоидальное напряжение. Диапазон частот 36 - 175 МГц. Амплитуда - 2.0 В +/-0.5 В. 2) Сигнал модуляции радиочастоты. Импульсы TTL. Длительность 2 мсек, период от 2 до 10 мсек. 3) Управление режимом фотодиода. Напряжение постоянного тока от 0.5 В до 2.0 В. Результат: Напряжение с выхода предварительного усилителя фотодиода - напряжение постоянного тока в интервале значений от 10 мВ до 1.0В. Таким образом, устройство управления акустооптического спектрометра обеспечивает: 1. Трансляцию сетки питающих напряжений из автономного блока питания. 2. Формирование управляющих сигналов: 1) Сигнала модуляции радиочастоты, представляющего собою серию импульсов программируемой длительности (от 0.5 мсек до 20 мсек), программируемым интервалом (от 0.5 мсек до 100 мсек) и программируемым числом (произвольное число). 2) Сигнал управления режимом работы фотодиода: напряжение постоянного тока в интервале величин от 0.5 В до 4.0 В. 3) TTL сигнал переключения диапазона счета числа фотонов. 3. Измерение сигнала с фотоприемника. Это - либо напряжение постоянного тока в интервале величин от 10 мВ до 2.0 В, либо поток TTL - импульсов с частотою следования до 1 МГц.
Современный уровень развития элементной базы радиоэлектроники и программирования предполагает применение микропроцессорной техники для построения аппаратурно-программного комплекса. Для облегчения работ по подготовке программного пакета желательно применение широко распространенного, отработанного и снабженного массой приложений программного ядра.
Кроме того, для удобства работы пользователя целесообразно разделить интерфейс пользователя и приборный интерфейс. Здесь интерфейс пользователя - это набор программ, отображающих на экране монитора в диалоговом режиме весь процесс управления спектрометром, сбора данных, обработки результатов измерений и интерпретацию их итогов в виде таблиц и графиков. Приборный интерфейс - это набор программ, принимающих команды от пользовательского компьютера, интерпретирующих эти команды в сигналы управления приборной частью спектрометра, принимающих сигналы от фотоприемника и выполняющих их измерение, накопление и первичную обработку, передачу результатов пользовательскому компьютеру. Связь выполняется, по интерфейсу RS-232 или USB.
Во время работы оптической головки необходимо не только считывать сигнал с фотоприемника, но и контролировать состояние акустооптических ячеек: поступающую в них электрическую мощность и температуру кристалла. Все это требует, как минимум, шесть каналов измерения. Кроме того, подлежащий измерению сигнал может быть не только напряжением, но и потоком TTL - импульсов.
Для управления состоянием оптической головки потребуется формирование двух TTL - сигналов и напряжения постоянного тока программируемой величины. Для генерации сигнала радиочастоты необходим цифровой высокоточный синтезатор частот.
Устройство управления, обеспечивающее такие параметры, построено на основе контроллера ADuC812 фирмы ANALOG DEVICES, представляющего собою 8 - канальный прецизионный 12-разрядный АЦП со встроенным микропроцессором и FLASH ЭРПЗУ. Это - интегральная 12-разрядная система сбора информации, включающая в себя прецизионный 8-канальный АЦП с самокалибровкой, два 12-разрядных ЦАП и программируемое 8-битное микропроцессорное ядро (совместимое с MCU8051). MCU поддерживается внутренними 8К FLASH- ЭРПЗУ программ, 640 байт ЭРПЗУ памяти данных и 256 байт статической памяти данных с произвольной выборкой (RAM). MCU поддерживает следующие функции: сторожевой таймер, монитор питания, канал прямого доступа в память для АЦП. Для мультипроцессорного обмена и расширения ввода/вывода имеются 32 программируемые линии, I2C, SPI и UART интерфейсы.
Исследование излучательных характеристик светодиодной линейки средней мощности
Используя созданную подвижную площадку, было проведено измерение интенсивности излучения светодиода по продольной оси. Для этого площадка со светодиодной линейкой, так же как и предыдущем случае, сдвигалась относительно световода установки с помощью шагового двигателя с шагом 1 мм. В каждой точке производились замеры спектральной картины, воспроизводимой исследуемой светодиодой линейкой. В первую очередь было исследовано распределение интенсивности излучения по длине линейки на центральной частоте (частоте максимума интенсивности излучения) (Рис. 3.6). На данном графике в плоскости XY мы имеем спектральную характеристику. Как видно, максимум излучения приходится на длину волны 810 нм, что соответствует заявленным параметрам рассматриваемой светодиодной линейки. По оси Z отложено количество измерений, соответствующих сдвигу по продольной оси линейки.
Далее были произведены измерения интенсивности излучения диодной линейки в зависимости от угла отклонения измерительного конца световода от вертикали. Несимметричность полученного графика указывает на то, что максимум излучения направлен под углом +10 к вертикальной оси, причем форма падения величины излучения по разные стороны от максимума несимметрична На основании ранее полученных данных был построен график пространственного распределения интенсивности излучения рассматриваемой светодиодной линейки. Он представлен на Рис. 3.10. На данном графике по оси X отложен сдвиг по продольнойоси; по оси Y - угол наклона измерительного конца световода относительно плоскости максимальной интенсивности излучения диодной линейки; по оси Z -интенсивность излучения линейки на длине волны 810 нм. Из графика видно, что интенсивность излучения по длине линейки равномерна, но несимметрична относительно вертикальной оси, а направлена под углом а 10.
Следовательно, для повышения эффективности накачки при использовании данной диодной линейки, необходимо зафиксировать активный элемент под углом 10 относительно вертикали к излучательной поверхности линейки.
Оценки на основании методов оценки световых характеристик твердотельных лазеров , рассмотренных в первой главе, показали, что для конкретной изученной диодной линейки, при условии, что светодиодная линейка расположена относительно активного элемента таким образом, что основная интенсивность излучения попадает в тело активного элемента, при проведении коррекции выявленного пространственного распределения излучения можно увеличить величину световой мощности закачиваемой в активный элемент при напряжении 10 А на 1,4 Вт, что приводит к повышению КПД работы твердотельного лазера с данной линейкой на 9% по сравнению с некорректированным состоянием.
Если же относительное расположение светодиодной линейки и активного элемента таково, что основная мощность не попадает на активный элемент (в случае относительно большого расстояния между рассматриваемыми элементами), то выигрыш в мощности, закачиваемой в активный элемент, составляет более 5 Вт, что приводит к повышению КПД работы лазера более чем на 15% по сравнению с некорректированным состоянием и позволяет добиться более равномерного нагрева активного элемента. В данном параграфе приведены результаты исследования диодной линейки марки Silver Bullet ASM06C020 фирмы "NORTHROP GRUMMAN"[56]. В паспорте к ней приводятся основные характеристики, в том числе распределение излучения по спектру, зависимости интенсивности от величины управляющего тока и т.д., но эти характеристики даны для линейки в целом. Например, на Рис.3.11. представлен график зависимости интенсивности излучения от мощности тока, подаваемого на линейку. По,оси X отложена величина тока, по оси Y соответствующие им величины световой мощности. Но для оценки качества диодной линейки как источника накачки активных элементов хотелось бы иметь детализацию ее излучательной способности в разных точках по длине, а не интегрально. Поэтому в первую очередь было исследовано распределение интенсивности излучения по длине линейки на частоте максимума интенсивности излучения. Используя созданную подвижную площадку, было проведено измерение интенсивности излучения светодиода по продольной оси. Для этого площадка со светодиодной линейкой, так же как и предыдущем случае, сдвигалась относительно световода установки с помощью шагового двигателя с шагом 1 мм. В каждой точке регистрировалась спектральная картина светодиодой линейки. Измерения, полученные во время сдвига по продольной оси, представлены на Рис. 3.12.
