eng
Разработка твердотельных (т/т) лазеров (ТТЛ), использующих в качестве накачки мощные лазерные диоды (ЛД) и линейки ЛД (ЛЛ) – одна из важных задач лазерной техники. ТТЛ с полупроводниковой (п/п) накачкой сочетают в себе малые габариты, высокую эффективность преобразования энергии, временную и пространственную когерентность и узкую диаграмму направленности [1].
В данной работе приводятся результаты разработки мощных п/п источников излучения с выходной оптической мощностью до 4 кВт (удельная мощность 400 Вт/см2), выполненных в виде сборки (вертикального стека) 100-Вт квазинепрерывных импульсных лазерных линеек (рис.1) [2].
Разработанные п/п источники предназначены для накачки ТТЛ на основе неодимовых активных сред. С использованием таких источников разработан ТТЛ для информационных систем с энергией излучения до 150 мДж.
100-Вт ЛЛ изготавливались на основе квантоворазмерных AlInGaAs/GaAs гетероструктур, конструкция которых была описана в работе [2]. Чипы ЛЛ представляли собой периодическую структуру (с периодом 200 мкм) п/п диодов (50 единиц) с шириной излучающей площадки 160 мкм и длиной резонатора около 1 мм. Чипы ЛЛ напаивались на медный теплоотвод (ТО) с помощью припоя, содержащего индий, р-стороной вниз.
Для сборки ЛЛ в стек была разработана оригинальная конструкция теплоотвода, которая позволила последовательно соединять ЛЛ. Электрически ЛЛ в таком стеке включены также последовательно, а для изоляции электродов каждой ЛЛ используется Al2O3-керамика типа "Поликор" (ВК-100-1), имеющая хорошие теплопроводящие свойства (около 20 Вт/м·град).
Типичная ватт-амперная характеристика представлена на рис.2. Из рисунка видно, что излучатель обладает высоким КПД: коэффициент преобразования электрической энергии в оптическую составляет около 50%. Это определяет эффективность накачки ионов неодима в ТТЛ.
Ресурсные испытания разработанных стеков, проведенные в рабочих условиях, когда выходная оптическая мощность составила 4 кВт, длительность импульсов накачки – 20 Гц и частота повторения – 500 мкс (при температуре ТО 25°С), показали, что время жизни таких излучателей составляет не менее 108 импульсов.
Основные характеристики стеков ЛЛ:
Режим работы квазинепрерывный
Режим генерации многомодовый
Выходная оптическая мощность в импульсе, кВт 2–4
Число линеек в сборке, шт 20–40
Выходная оптическая мощность одной линейки, Вт 100
Размер излучающей площадки
одной линейки, мкм2 1×10 000
Длительность импульса тока накачки, мкс 500
Частота повторения импульсов, Гц 20
Рабочий ток, А 120
Максимальный ток, А 140
Рабочее напряжение, В, не более 40–80
Длина волны излучения при 25°С, нм 802–806
Полуширина спектра излучения, нм, не более 4,0
Минимальная наработка на отказ, имп, не менее 108
Для информационных систем был разработан ТТЛ (использующий для оптической накачки п/п источники на основе 100-Вт ЛЛ) с энергией излучения до 150 мДж (без жидкостного охлаждения) при длительности импульсов 10 нс и частоте их следования до 30 Гц. В этом лазере активный элемент из алюмоиттриевого граната, легированного неодимом, размером 5×100 мм помещается в кварцевый отражатель с диэлектрическим покрытием. Боковая накачка активного элемента осуществляется стеком импульсной мощностью 3800 Вт при площади излучающей поверхности стека 10×95 мм2. Длительность импульсов накачки составляет 250–300 мкс. Температурную стабилизацию диодного стека и активного элемента обеспечивают термоэлектрические элементы. Внешний вид ТТЛ представлен на рис.3. В ближайшем будущем планируется серийный выпуск таких лазеров.
Литература
1. High-Power Diode Lasers. – Topics in Appl. Phys. R.Diehl (Ed.). – Berlin: Springer-Verlag, 2000.
2. Демидов Д.М. и др. 100-ваттные лазерные линейки на основе фазированных решеток. – Письма в ЖТФ, 2001, т.27, вып.2, с.36.
Разработанные п/п источники предназначены для накачки ТТЛ на основе неодимовых активных сред. С использованием таких источников разработан ТТЛ для информационных систем с энергией излучения до 150 мДж.
100-Вт ЛЛ изготавливались на основе квантоворазмерных AlInGaAs/GaAs гетероструктур, конструкция которых была описана в работе [2]. Чипы ЛЛ представляли собой периодическую структуру (с периодом 200 мкм) п/п диодов (50 единиц) с шириной излучающей площадки 160 мкм и длиной резонатора около 1 мм. Чипы ЛЛ напаивались на медный теплоотвод (ТО) с помощью припоя, содержащего индий, р-стороной вниз.
Для сборки ЛЛ в стек была разработана оригинальная конструкция теплоотвода, которая позволила последовательно соединять ЛЛ. Электрически ЛЛ в таком стеке включены также последовательно, а для изоляции электродов каждой ЛЛ используется Al2O3-керамика типа "Поликор" (ВК-100-1), имеющая хорошие теплопроводящие свойства (около 20 Вт/м·град).
Типичная ватт-амперная характеристика представлена на рис.2. Из рисунка видно, что излучатель обладает высоким КПД: коэффициент преобразования электрической энергии в оптическую составляет около 50%. Это определяет эффективность накачки ионов неодима в ТТЛ.
Ресурсные испытания разработанных стеков, проведенные в рабочих условиях, когда выходная оптическая мощность составила 4 кВт, длительность импульсов накачки – 20 Гц и частота повторения – 500 мкс (при температуре ТО 25°С), показали, что время жизни таких излучателей составляет не менее 108 импульсов.
Основные характеристики стеков ЛЛ:
Режим работы квазинепрерывный
Режим генерации многомодовый
Выходная оптическая мощность в импульсе, кВт 2–4
Число линеек в сборке, шт 20–40
Выходная оптическая мощность одной линейки, Вт 100
Размер излучающей площадки
одной линейки, мкм2 1×10 000
Длительность импульса тока накачки, мкс 500
Частота повторения импульсов, Гц 20
Рабочий ток, А 120
Максимальный ток, А 140
Рабочее напряжение, В, не более 40–80
Длина волны излучения при 25°С, нм 802–806
Полуширина спектра излучения, нм, не более 4,0
Минимальная наработка на отказ, имп, не менее 108
Для информационных систем был разработан ТТЛ (использующий для оптической накачки п/п источники на основе 100-Вт ЛЛ) с энергией излучения до 150 мДж (без жидкостного охлаждения) при длительности импульсов 10 нс и частоте их следования до 30 Гц. В этом лазере активный элемент из алюмоиттриевого граната, легированного неодимом, размером 5×100 мм помещается в кварцевый отражатель с диэлектрическим покрытием. Боковая накачка активного элемента осуществляется стеком импульсной мощностью 3800 Вт при площади излучающей поверхности стека 10×95 мм2. Длительность импульсов накачки составляет 250–300 мкс. Температурную стабилизацию диодного стека и активного элемента обеспечивают термоэлектрические элементы. Внешний вид ТТЛ представлен на рис.3. В ближайшем будущем планируется серийный выпуск таких лазеров.
Литература
1. High-Power Diode Lasers. – Topics in Appl. Phys. R.Diehl (Ed.). – Berlin: Springer-Verlag, 2000.
2. Демидов Д.М. и др. 100-ваттные лазерные линейки на основе фазированных решеток. – Письма в ЖТФ, 2001, т.27, вып.2, с.36.
Отзывы читателей
