«Твердотельные квантроны с диодной накачкой ближнего ИК-диапазона, работающие в широком температурном диапазоне без активной системы термостабилизации»

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и
основные задачи исследования, научная новизна, практическая значимость полученных результатов, основные положения, выносимые на защиту, сведения об апробации работы, а также приведены данные о структуре и объеме диссертации.
Первая глава посвящена подробному обзору и анализу состояния на текущий момент исследований в области твердотельных лазеров с модуляцией добротности на основе Nd3+:YAG квантронов с поперечной диодной накачкой по материалам открытых публикаций.
В главе рассматриваются виды импульсных лазерных диодов и существующие на их основе типы конструкций лазерных диодных решеток (ЛДР) для накачки активной среды твердотельных лазеров. Из открытых печатных источников представлены основные характеристики ЛДР наиболее известных производителей. Анализируются современные твердотельные лазеры с диодной накачкой, в частности, работающие в широком температурном диапазоне. Рассматриваются оптические системы подвода излучения накачки, современные усилители на основе квантронов с диодной накачкой. Также проведен обзор существующих математических моделей расчета квантронов с диодной накачкой.
Обзор и анализ опубликованных работ показали, что актуальной и важной научно- технической задачей является разработка квантрона средней и высокой мощности, являющегося основой ТТЛ и лазерных усилителей ближнего ИК – диапазона, с устойчивым распределением инверсной населенности в поперечном сечении активного элемента, нечувствительного к изменению температуры в диапазоне от – 50 до + 50 °C и работающего в режиме мгновенной готовности.
Вторая глава диссертационной работы посвящена разработке комплексной математической модели Nd3+:YAG квантронов и наносекундных ТТЛ лазеров на их основе с поперечной лазерной диодной накачкой. Модель позволяет рассчитывать распределение инверсной населенности в поперечном сечении АЭ при заданной геометрии накачки, выбирать оптимальную геометрию накачки АЭ, осуществлять термодинамический расчет квантрона, формировать требования к оптимальным параметрам лазерного резонатора, а так же описывать динамику генерации наносекундных импульсов в Nd3+:YAG лазерах с пассивной модуляцией добротности.
В главе приведен метод расчета и оптимизации системы оптической накачки АЭ квантрона в программном пакете ZEMAX. Для определения максимальной эффективности поглощения излучения накачки в зависимости от температуры ЛДР, с помощью трассировки лучей по методу Монте-Карло, было рассчитано расположение ЛДР вокруг боковой поверхности, а также вдоль активного элемента. Также был произведен расчет фокусирующей оптики с целью оптимизации распределения поглощенной энергии накачки для достижения однородного распределения энергии по сечению активной среды.
При проектировании квантронов высокой и средней мощности важной задачей является исследование тепловой нагруженности элементов квантрона, а именно ЛДР и АЭ. Расчет проводился численно в среде Comsol Multiphysics (раздел «Heat Transfer in a Solid») методом конечных элементов. В данном приближении теплопередача происходит только за счет теплопроводности. Поэтому численно решается уравнение теплопроводности с граничными условиями второго рода. В случае, когда внешняя поверхность корпуса квантрона омывается хладагентом, температура корпуса считается постоянной. Результатом расчета в пакете Comsol Multiphysics является динамическая картина распределения температуры в элементах квантрона в зависимости от средней мощности ЛДР накачки и конфигурации системы охлаждения.
Третьим этапом математического моделирования был расчет оптимальных параметров лазерного резонатора. Для численного моделирования процесса генерации наносекундных импульсов в лазерах с пассивной модуляцией добротности был создан программный пакет в среде разработки MATLAB. Программа осуществляет численное интегрирование дифференциальной системы скоростных уравнений. Созданный программный пакет позволяет
быстро оценивать выходные характеристики лазерного излучения при заданных параметрах лазера, находить оптимальные конфигурации резонаторов и формулировать необходимые требования к системам накачки.
На основе аналитического решения системы уравнений баланса показано, что в случае
режима пассивной модуляции добротности для заданной мощности оптической накачки
существует пара значений начального пропускания насыщающегося поглотителя T o p t и ini
выходного зеркала R o p t оптического резонатора, при которых энергия выходного лазерного out
импульса является максимальной. Оптимальное значение коэффициента начального
пропускания T o p t ini
насыщающегося поглотителя равно:
opt
  
1e opt 1 1 Mgs
opt ,  SA. (1) 1eopt 11 GM
Topt G 1,  
ini 0 opt 
Выражение для оптимального коэффициента отражения R o p t выходного зеркала имеет вид: out
RoptGopt,  21 1 opt, (2) ini 0 opt  2lnG 1
где G0 — начальный или пороговый коэффициент усиления активной среды;
δ — отношение сечений поглощения насыщающегося поглотителя в возбужденном и основном состоянии на длине волны лазерного излучения;
ρopt — логарифм отношения инверсной населенности N~ , запасенной в среде до начала tr
генерации импульса, и остаточной инверсной населенности N f после выхода импульса из резонатора;
M — отношение эффективных площадей моды в активном элементе и поглотителе;
β — коэффициент, описывающий изменение разности заселенностей рабочих уровней при излучении одного фотона;
σGM — поперечное сечение переходов между рабочими уровнями; gs — поперечное сечение поглощения в основном состоянии;
γ1 — коэффициент, который характеризует потери в резонаторе без учета выходного зеркала и насыщающегося поглотителя.
В третьей главе проведены экспериментальные исследования спектральных и энергетических характеристик излучения ЛДР в температурном диапазоне ΔТ > 100°C. Рассматривались пять ЛДР СЛМ-3 (ООО НПП «Инжект», Россия) с длиной волны около 807 нм при Т=24°С. Суммарная мощность излучения каждой ЛДР СЛМ-3 составляет не менее 1,25 кВт при токе электрической накачки 28 А и напряжении питания 110 В [П2, П8, П9, П11]. Установлено, что зависимость центральной длинны волны излучения ЛДР от температуры является линейной во всем рассмотренном диапазоне. Измеренное смещение
SA

opt
0

длины волны излучения лазерных диодов в рассмотренном температурном диапазоне составляет 0,28 нм/ °C (Рис.1 а), что хорошо согласуется с расчетным значением dλ/dT. При этом ширина и форма спектра излучения остаются неизменными.
На Рис. 1 (б) представлено изменение мощности излучения ЛДР, измеренное в режиме стабилизации амплитуды тока (28,0 ± 0,2 А). С ростом температуры происходит уменьшение мощности излучения, которое при нагреве до 70 °C достигает 25 % от номинального значения при Т=25 °C.
825 а) 820 815 810 805 800 795 790 785
мощности (б) ЛДР СЛМ-3
Проведена теоретическая оценка длины поглощения labs в лазерном кристалле Nd3+:YAG излучения ЛДР СЛМ-3 с центральной длиной волны равной 811 нм (при температуре T = 24 °С) и шириной спектра 2 нм при изменении температуры в диапазоне ΔТ > 100°C. В рассмотренном диапазоне величина labs изменяется от 2 до 12 мм (Рис. 2 сплошная линия). Увеличение ширины спектра излучения ЛДР до 10 нм позволяет сократить в два раза изменение labs, по сравнению с узкополосной накачкой (Рис. 2 пунктирная линия), что приводит к уменьшению температурной зависимости эффективности поглощения накачки в лазерном кристалле.
12 9 6 3
0-60 -40 -20 0 20 40 60
T, oC
Рис. 2. Длина поглощения labs излучения ЛДР СЛМ-3 в кристалле Nd3+:YAG 1 % ат.
Таким образом, использование накачки с центральной длиной волны 811 нм при 24 °С, (808,9 нм при 17 °С) и шириной спектра излучения от 2 нм и более, позволит обеспечить
(1) (2) (3) (4) (5)
-60-40-20 0o 20 40 60 80 T, C
0,8
-60-40-20 0o 20 40 60 80
T, C
Рис. 1. Зависимость от температуры центральной длины волны спектра излучения (а) и
б)
1,5 1,4 1,3 1,2 1,1 1,0 0,9
ширина спктра 2 нм ширина спектра 10 нм
(1) (2) (3) (4) (5)
labs, мм
, нм
P, кВт

эффективную работоспособность Nd3+:YAG лазера в широком температурном диапазоне без предварительной термостабилизации ЛДР.
Четвертая глава посвящена исследованию возможности создания Nd3+:YAG квантрона с диодной накачкой и кондуктивным охлаждением АЭ, работающего в температурном диапазоне от – 50 до + 50 °C без активной системы термостабилизации, на основе комплексного математического моделирования.
В главе представлены различные схемы боковой накачки активного элемента: трехсторонняя, пятисторонняя (Рис.3) и девятисторонняя. Конструктивный принцип построения данных схем заключается в том, что АЭ вклеивается в цилиндрическую фокусирующую линзу, представляющую собой полированный цилиндр из лейкосапфира с коэффициентом преломления n = 1,76. Лейкосапфир имеет большую теплопроводность (k = 25,2 Вт/м·К при 26 оС) и эффективно отводит тепло от АЭ, что позволяет обеспечить работу без жидкостного хладагента. В этом случае выделяемое тепло от кристалла через линзу и медный отражатель передается на боковую поверхность корпуса квантрона, откуда при высоких частотах повторения следования импульса снимается жидким хладагентом. Данная схема «сухого» квантрона обеспечивает отсутствие жидкости внутри корпуса, что обеспечивает надежность, простоту изготовления и обслуживание устройства (Рис. 4).
Рис. 3 Схема «сухого» квантрона при пятисторонней поперечной диодной накачке с одной фокусирующей линзой
Рис. 4. Фотография действующего макета «сухого» квантрона с пятисторонней накачкой
Экспериментальная регистрация распределения люминесценции в поперечном сечении АЭ при различной температуре ЛДР СЛМ-3 с центральной длиной волны 808,9 нм при 20 °С проводилась по схеме (Рис.5). Спонтанная люминесценция, интенсивность которой пропорциональна инверсной населенности, регистрировалась CCD камерой Ophir SP620U через объектив Jupiter с фокусным расстоянием 85 мм и светосилой 1/2. На камеру фокусировали картину распределения люминесценции в середине АЭ и снимали через 20 мкс после включения накачки (Рис. 6 а). Для нагрева квантрон был обмотан токопроводящей проволокой
с суммарным сопротивлением 1 Ом, через которую пропускали ток величиной 4 – 5 А. Температура ЛДР СЛМ-3 определялась по показаниям терморезистора, закрепленного на теплоотводе диодной решетки.
1
170 мм
170 мм
1 — квантрон; 2 — объектив; 3 — CCD камера Ophir SP620U.
Рис. 5. Схема экспериментальной регистрации распределения спонтанной люминесценции в поперечном сечении активного элемента
Методами геометрической оптики в пакете ZEMAX было реализовано численное моделирование процесса накачки АЭ квантрона и построена картина распределения поглощенного излучения накачки в поперечном сечении АЭ (Рис. 6 б).
а) б)
Рис. 6. Экспериментальная картина распределения спонтанной люминесценции с соответствующим диаметральным профилем накачки (а) и расчетная картина поглощения излучения (б) в поперечном сечении активного элемента при пятисторонней накачке, Т=20 °С
Пиковая интенсивность люминесценции (зеленые точки) соответствует максимумам распределения инверсной населенности (синяя линия) с изменением температуры (Рис. 7). Яркость пятна накачки увеличивается с увеличением интенсивности люминесценции. Численное моделирование и экспериментальные исследования хорошо согласуются между собой и показывают, что реализованная схема поперечной накачки решетками лазерных диодов, расположенных с пяти сторон вокруг кристалла Nd3+:YAG диаметром 5мм и сфокусированных одной цилиндрической лейкосапфировой линзой диаметром 20мм, формирует максимум инверсной населенности (люминесценции в случае эксперимента) в центре кристалла, то есть профиль имеет параболический вид и практически не меняется для продольной координаты (Рис. 6). В случае использования квантрона в составе лазерного
13

излучателя такое пятно накачки в сечении АЭ является удовлетворительным, так как согласуется с модой оптического резонатора.
1,2 1,0 0,8 0,6
0,4 -50-40-30-20-10 0 10 20 30 40 50T,oC
Рис. 7. Пиковая интенсивность люминесценции активного элемента (зеленые точки) и
теоретическая зависимость максимума инверсной населенности (синяя кривая)
Необходимым условием при использовании квантронов в качестве лазерных усилителей является однородность распределения поглощенной накачки, а, следовательно, инверсной населенности и коэффициента усиления в сечении лазерного кристалла, что контролируется по однородности интенсивности люминесценции. Для формирования однородного профиля поглощенной накачки численно было предложено несколько моделей квантрона с усовершенствованной геометрией накачки активного элемента.
Оптимизация системы накачки в ZEMAX показала, что увеличение диаметра центральной цилиндрической лейкосапфировой линзы до 50мм позволяет получить однородное распределение плотности поглощенной энергии излучения накачки в сечении АЭ (Рис.8).
а) б)
Рис. 8 Расчетное распределение плотности поглощенной энергии излучения накачки (а) и экспериментальное распределение люминесценции (б) в плоскости поперечного сечения АЭ с соответствующим диаметральным профилем при labs = 3,5 мм для квантрона с 5-ти сторонней накачкой и фокусирующей линзой диаметром 50 мм
Степень однородности Δ распределения поглощенной накачки определяется как
усредненное отношения разницы максимального и минимального значений к среднему 14
Ilum, o.e.

значению интенсивности поглощенного излучения (люминесценции в случае эксперимента) в рабочем диапазоне, составляющем 80% от поперечного сечения АЭ, и имеет вид:
1 2(Imax Imin) Imax Imin
(3)
Степень однородности пятна поглощенной накачки в поперечном сечении АЭ для расчета и эксперимента хорошо согласуются. При длине поглощения накачки labs = 10 мм составляет 60 %, а при labs = 3,5 мм около 90%.
Экспериментальные результаты хорошо совпадают с теоретическими расчетами и показывают, что для квантрона с пятисторонней диодной накачкой АЭ диаметром 5 мм и фокусировке излучения лейкосапфировой цилиндрической линзой диаметром 50мм, однородность пространственного распределения инверсной населенности в поперечном сечении активного элемента составляет 90 %, что позволяет усиливать лазерные импульсы без искажения профиля пучка.
Для оценки эффективности теплоотвода у «сухого» квантрона был произведен термодинамический расчет Nd3+:YAG квантрона в среде Comsol Multiphysics методом конечных элементов. Рассматривался квантрон с пятисторонней диодной накачкой в два кольца, с общей пиковой мощностью накачки более 20 кВт. При работе квантрона на частоте 25 Гц с длительностью импульсов накачки 250 мкс средняя мощность тепла, выделяемого 10-ю ЛДР СЛМ-3, и средняя световая мощность излучения накачки, поглощаемая АЭ, составляет около 125 Вт. Тепловыделение в кристалле Nd:YAG составляет около 40%, поэтому в наших условиях тепловыделение в АЭ составило около 50 Вт, а полное – около 175 Вт.
На Рис.9 представлено рассчитанное распределение температуры вдоль сечения квантрона для различных моментов времени. При работе квантрона на частоте 25 Гц происходит выход на стационарную температуру 39 °С у АЭ за 200 с, у ЛДР на 28 °С за 4 с (Рис. 9 а).
Для определения ограничения по средней мощности учитывается длина поглощения labs излучения ЛДР СЛМ-3 в кристалле Nd3+:YAG (Рис. 2) и световая мощность ЛДР в широком температурном диапазоне (Рис.1 б). При f = 50 Гц ЛДР нагревается до 36.5 °С, а АЭ до 82 °С, квантрон еще находится в зоне предельных допустимых температурных значений (Рис. 9 б). А уже при f = 100 Гц температура ЛДР достигает 50 °С, что приводит к падению эффективности квантрона.
Таким образом, применение кондуктивного охлаждения АЭ при помощи окружающей его лейкосапфировой цилиндрической линзы обеспечивает стабильную работу Nd3+:YAG квантрона с пиковой мощностью лазерной диодной накачки до 20 кВт при частоте повторения
50Гц и средней мощности тепловыделения около 350 Вт без использования жидкого хладагента внутри корпуса.
Рис. 9. Температура элементов квантрона при частоте следования импульсов накачки 25 Гц (а) и 50 Гц (б)
В пятой главе рассматривается возможность использования твердотельного Nd3+:YAG квантрона с лазерной диодной накачкой в качестве импульсного усилителя слабого сигнала и лазера с модуляцией добротности, генерирующего импульсы наносекундной длительности. Измерены коэффициенты усиления, подобраны оптимальные параметры лазерного резонатора и продемонстрирована работоспособность Nd3+:YAG лазера с пассивной модуляцией добротности в температурном диапазоне от – 50 до + 50 °C без активной термостабилизации [П6, П7].
Для экспериментального исследования параметров усилителя слабого сигнала на базе «сухого» квантрона был изготовлен действующий макет, состоящий из 10-ти матриц СЛМ-3 ООО «НПП «Инжект» пиковой мощностью 2 кВт каждая. Центральная длина волны излучения ЛДР составляла 808,1 нм при температуре теплоотвода 24 °С, ширина спектра по полувысоте около 5 нм. ЛДР располагались с пяти сторон в два кольца вокруг лазерного кристалла Nd3+:YAG 1% ат. размером Ø5×100 мм. Торцы кристалла имели просветляющее покрытие на длине волны 1064 нм. Для получения однородного профиля коэффициента усиления кристалл вклеивался в центр цилиндрической линзы из лейкосапфира диаметром 50 мм.
Для оценки эффективности рассматриваемого квантрона производились измерения выходной энергии лазерных импульсов в режиме свободной генерации при установки его в оптический резонатор (Рис. 10), образованный плоскими зеркалами с коэффициентами отражения 99,6 % (глухое зеркало) и 50 % (выходное зеркало) на длине волны 1064 нм.
16
2
1 — глухое зеркало, R = 99,5 %; 2 — квантрон; 3 — выходное зеркало, R = 50 %;
4 — пироэлектрический измеритель энергии Ophir PE25-DIF-С
Рис. 10. Схема измерения выходной энергии лазерных импульсов квантрона, которая
проводилась в режиме свободной генерации
Зависимость выходной энергии лазерных импульсов Eout от суммарной энергии накачки Ein, представлена на Рис. 11 для различной длительности импульса тока питания (100, 200, 300 мкс). Максимальное значение Eout = 1,9 Дж достигается при амплитуде и длительности тока питания 55 А и 300 мкс, соответственно. При этом дифференциальный КПД равен 42 %, а полный коэффициент оптической конверсии составлял около 30 %.
Коэффициент усиления квантрона определялся при пропускании через него одиночного зондирующего лазерного импульса длительностью 200 пс на длине волны 1064 нм. Энергия зондирующего импульса составляла 2,5, 18 и 300 мкДж в зависимости от установленного ослабляющего фильтра. Длительность импульса накачки квантрона до прихода зондирующего импульса составляла 200 мкс.
2.5 мкДж 18 мкДж 300 мкДж
100 мкс 200 мкс 300 мкс
2,0 1,5 1,0 0,5 0,0
0 1 2 3 4 5 6 7 Энергия оптической накачки, Дж
180 160 140 120 100
80 60 40 20
0 10 20 30 40 50 60
Ток питания (A)
Рис. 12. Коэффициент усиления квантрона от тока питания
Рис. 11. Выходная энергия импульсов квантрона в режиме свободной генерации
Зависимость измеренного коэффициента усиления от амплитуды тока питания матриц лазерных диодов квантрона представлена на Рис. 12. Максимальный коэффициент усиления в случае малой энергии зондирующего импульса (2,5 и 18 мкДж) составил К = 165, при амплитуде тока питания I = 50 А, что соответствует суммарной энергии оптической накачки Ein = 4 Дж. При дальнейшем увеличении тока питания в АЭ происходит развитие паразитной генерации и коэффициент усиления падает. В случае энергии зондирующего импульса
Выходная энергия, Дж
Коэффициент усиления

300мкДж происходит насыщение усиления и максимальный коэффициент усиления не превышает 65.
Для экспериментальных исследований генератора лазерных импульсов на базе «сухого» квантрона был изготовлен действующий макет лазера с пассивной модуляцией добротности (Рис. 4). Макет состоял из 5-ти матриц СЛМ-3 ООО «НПП «Инжект» пиковой мощностью 1,25 кВт каждая. Центральная длина волны излучения ЛДР составляла 811 нм при температуре теплоотвода 24 °С, ширина спектра по полувысоте — около 5 нм. ЛДР располагались с пяти сторон в виде кольца вокруг АЭ Nd3+:YAG 1% ат. размером Ø5×50 мм [П4].
Излучение пяти ЛДР фокусировалось в лазерный кристалл лейкосапфировой цилиндрической линзой диаметром 20 мм. При этом, как было показано в главе 4, в диапазоне температур от –50 до +50°С профиль инверсной населенности в поперечном сечении кристалла имеет параболический вид (Рис. 6).
Суммарная максимальная мощность лазерной диодной накачки в макете составляла 6,25 кВт при длительности тока накачки 250 мкс. При этом соответствующая энергия импульса накачки при максимальной амплитуде тока накачки 55 А составляла более 1,5 Дж.
Для определения параметров Tini и Rout используемого лазерного кристалла были произведены расчеты в соответствии с главой 2. На Рис. 13 представлено тоновое изображение зависимости выходной энергии Eout (Tini, Rout) лазера. Видно, что энергия импульсов возрастает с уменьшением значений Tini и Rout..
Рис.13. Тоновые изображения зависимости выходной энергии Eout(Tini,Rout) от начального
коэффициента пропускания насыщающегося поглотителя Tini и коэффициента отражения
выходного зеркала резонатора Rout для Nd3+:YAG лазера, при радиусе пучка накачки
(генерации) rmod = 2мм. Пунктирными кривыми изображены семейства точек {Tini, Rout},
соответствующие фиксированным значениям N~ . Сплошная линия определяет оптимальные tr
значения (T o p t , R o p t ) , при которых выходная энергия E o p t  E (T o p t , R o p t ) максимальна
ini out
out out ini out
При Tini = Rout = 20 % расчетная выходная энергия лазерного импульса составляет 130 мДж, время накачки, необходимое для генерации лазерного импульса, равняется 97 мкс. Расчетная длительность лазерного импульса — 2,5 нс.
Для экспериментальных исследований был заказан композитный лазерный кристалл с рассчитанными параметрами Tini=Rout=20% в компании ООО «Лазерные компоненты» и установлен в квантрон. При комнатной температуре Т = 24°С была получена лазерная генерация на длине волны 1,06мкм при частоте повторения до 25Гц со следующими параметрами: энергия в импульсе Eout = 135 ± 2 мДж (Рис. 16 а). Временной профиль импульса P(t) представлен на Рис. 14. Длительность импульса по полувысоте амплитуды составляет τout = 3,5 ± 0,2 нс (полная ширина по полувысоте). Пиковая мощность импульса достигает значения Pmax = 40 ± 2,5 МВт. Распределение интенсивности в плоскости поперечного сечения пучка, зарегистрированное на ССD камеру в ближней зоне, представлено на Рис. 15. Время накачки, необходимое для генерации лазерного импульса, составило 250 мкс. Эффективность оптической конверсии при этом достигает 25 %. Экспериментально полученные параметры лазерной генерации хорошо соответствуют численному моделированию.
44
40
36
32
28
24
20
16
12
8 4 0
tout, нс
Рис. 14. Временной профиль лазерного импульса
-15 -10 -5 0 5 10 15 20
Для исследования влияния температуры в диапазоне от –50 до + 50 °C на параметры излучения лазера, он был помещен в термостатическую камеру, температура в которой изменялась в диапазоне от –55 до + 55 °C. На Рис. 16 а приведена зависимость энергии Еout лазерных импульсов от температуры. Видно, что минимальное значение энергии Eout = 100 ± 2 мДж достигается при температуре Т ≈ –50 °С, когда длина волны излучения ЛДР выходит за спектр поглощения лазерного кристалла [П3, П10]. В точках Т ≈ –26 и –12°С наблюдаются локальные минимумы зависимости выходной энергии от температуры, так как длина волны ЛДР накачки близка к значениям λP = 798 и 802 нм, соответствующим провалам в спектре поглощения кристалла Nd3+:YAG. При температуре Т ≈ 17 °С длина волны излучения ЛДР составляет λP = 808,9 нм и попадает в пик поглощения АЭ. В этом случае выходная
Рис. 15. Распределение интенсивности в плоскости поперечного сечения пучка
P, МВт

энергия лазерных импульсов становится максимальной и составляет Eout = 141 ± 2 мДж. Следует отметить, что во всем рассмотренном температурном диапазоне относительное изменение энергии импульсов не превышает 30 %.
На Рис. 16 б приведена зависимость времени выхода tgen лазерных импульсов при различной температуре лазерного излучателя. Видно, что максимальное значение tgen > 150 мкс достигается при Т ≈ – 8 °С и при приближении к границам рассматриваемого температурного диапазона. Увеличение времени выхода связано с уменьшением эффективности поглощения излучения накачки в лазерном кристалле. Рост времени выхода при значительном нагреве ЛДР так же связан со снижением КПД полупроводникового излучателя и, как следствие, с падением излучаемой световой мощности ЛДР. Области минимальных значений tgen ≈ 80 мкс соответствуют температурам ЛДР, при которых длина волны накачки наиболее эффективно поглощается в лазерном кристалле.
Эффективность оптической конверсии ηopt в температурном диапазоне от –50 до +50 °C варьируется от 10 до 25 % (Рис. 16 в).
а)
б)
в)
140
120
100
90 80
200
160
120
80 60
25 20 15 10
5 0o
-60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 T, C Рис. 16. Зависимость энергии Еout (а), времени выхода tgen (б), эффективности оптической
конверсии ηopt (в) лазерных импульсов от температуры 20
КПД Время срабатывания Энергия
opt tgen, мкс E, мДж

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Созданная модель математического моделирования твердотельных лазеров с диодной накачкой, отличающаяся использованием множителей Лагранжа для нахождения условного экстремума решений трансцендентных уравнений, описывающих процессы генерации, позволяет оптимизировать параметры резонаторов с пассивной модуляцией добротности, выбирать эффективную геометрию накачки активного элемента, осуществлять термодинамический расчет.
2. Впервые выполнены экспериментальные исследования спектральных и энергетических параметров ЛДР СЛМ-3 в температурном диапазоне ΔТ > 100 °C. Установлено, что измеренное смещение длины волны излучения лазерных диодов в рассмотренном температурном диапазоне составляет 0,28 нм/ °C. При этом ширина и форма спектра излучения остаются неизменными, а эффективность ЛДР падает с ростом температуры.
3. Реализованная схема поперечной накачки решетками лазерных диодов, расположенных с пяти сторон вокруг кристалла Nd3+:YAG диаметром 5мм и сфокусированных одной цилиндрической лейкосапфировой линзой диаметром 20мм, формирует устойчивый параболический профиль инверсной населенности при изменении температуры от – 50 до + 50 °C, что обеспечивает работоспособность Nd3+:YAG лазера с пассивной модуляцией добротности в указанном температурном диапазоне без активной термостабилизации.
4. Реализованная схема поперечной накачки решетками лазерных диодов, расположенных с пяти сторон вокруг кристалла Nd3+:YAG диаметром 5мм и сфокусированных одной цилиндрической лейкосапфировой линзой диаметром 50мм, обеспечивает однородность пространственного распределения инверсной населенности более 90 % в поперечном сечении лазерного кристалла, что позволяет усиливать лазерные импульсы без искажения профиля пучка.
5. Реализованный способ кондуктивного охлаждения активного элемента квантрона, отличающийся использованием цилиндрической линзы на базе лейкосапфира в качестве теплоотвода, обеспечивает стабильную работу Nd3+:YAG квантрона с пиковой мощностью лазерной диодной накачки до 20 кВт и частоте повторения до 50 Гц без использования жидкого хладагента внутри корпуса.
6. Экспериментально продемонстрировано, что Nd3+:YAG лазер с поперечной диодной накачкой и пассивной модуляцией добротности генерирует импульсное лазерное излучение с практически неизменной модовой структурой и стабильностью выходной энергии не менее 70 % в температурном диапазоне от –50 до + 50 °C без активной системы термостабилизации.