eng
Выпуск #1/2016
М.Богданович, А.Григорьев, К.Ланцов, К.Лепченков, А.Рябцев, Г.Рябцев, В.Титовец, М.Щемелев
Портативные твердотельные лазеры с диодной накачкой
Портативные твердотельные лазеры с диодной накачкой
Просмотры: 4388
Компактные и легкие лазеры с малым энергопотреблением, излучающие в диапазоне 1,5–1,6 мкм, незаменимы в малогабаритных дальномерах, системах подсветки и сопровождения цели, портативных медицинских устройствах.
Т
вердотельные лазеры с диодной накачкой (ТЛДН) по сравнению с лазерными излучателями, возбуждаемыми импульсными лампами, при прочих равных условиях обладают более чем на порядок меньшими уровнями энергопотребления, предельно малыми габаритами и весом. Срок службы лазерных диодных линеек (ЛДЛ) и матриц лазерных диодов (МЛД), используемых в качестве источников излучения накачки, в большинстве случаев на два и более порядка превышает ресурс работы импульсных ламп. Все это объясняет тот факт, что в настоящее время ТЛДН являются практически безальтернативными источниками излучения для систем дальнометрии, подсветки целей (целеуказания), спектроскопии, медицины, космических применений и целого ряда устройств специального назначения.
В Институте физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси проводятся обширные исследования и опытно-конструкторские работы в области лазерной физики и техники. Изучаются предельные возможности ЛДЛ и МЛД и оптимизируются их характеристики применительно к условиям функционирования в составе блоков диодной накачки. Большое внимание уделяется поиску путей дальнейшего повышения энергии и качества выходных пучков твердотельных лазеров с диодной накачкой, увеличению их срока службы. С этой целью моделируются электрические, оптические и тепловые процессы, ответственные за работу как отдельных каскадов, так и всего лазерного излучателя в условиях, максимально приближенным к реальным режимам их использования.
Тематика работ, связанных с проектированием и созданием экспериментальных, опытных и серийных образцов лазерных излучателей в Институте физики НАН Беларуси, включает в себя четыре ведущих направления: 1) иттербий–эрбиевые лазеры, генерирующие в условно безопасном для органов зрения спектральном диапазоне (1,5–1,6 мкм), 2) ТЛДН на основе Nd 3+–содержащих активных элементов (АЭ) с воздушным охлаждением (частота следования импульсов излучения до 100 Гц), 3) ТЛДН на основе Nd 3+–содержащих активных элементов с водяным охлаждением (частота следования импульсов излучения до 1 кГц), 4) параметрические генераторы света (ПГС), излучающие в спектральных диапазонах 1,5–1,6 и 3,0–5,0 мкм. В качестве источников излучения накачки используются диодные модули на основе (In, Al) GaAs/AlGaAs гетероструктур, способные генерировать световые потоки с высокой импульсной мощностью в спектральных интервалах 0,94–0,96 и 0,80–0,82 мкм. Как правило, в твердотельных лазерах, создаваемых в Институте физики НАН Беларуси, блоки диодной накачки используются в соответствии с поперечной схемой доставки излучения. Однако в некоторых случаях (например, при разработке технологического пикосекундного лазера или лазера для доплеровского лидара с предельно узким спектром генерации) используется вариант продольного возбуждения АЭ. Следует отметить, что все оптические компоненты, включая диэлектрические зеркала, поляризаторы и т. п., используемые в экспериментальных исследованиях и серийных образцах лазеров, изготавливаются в оптическом отделе Института физики НАН Беларуси.
Для современных малогабаритных дальномеров и оптоэлектронных систем подсветки и сопровождения цели, портативных медицинских устройств, а также систем лазерной спектроскопии и чистки требуются компактные и легкие лазеры с малым энергопотреблением, излучающие в спектральном диапазоне 1,5–1,6 мкм. С этой целью в Институте физики разработана серия иттербий–эрбиевых лазеров с диодной накачкой (рис.1), работающих как в режиме пассивной модуляции добротности, так и с использованием электрооптических затворов. Разработанные образцы лазеров позволяют получать наносекундные импульсы излучения с энергией до 10 мДж и частотами следования импульсов до 10 Гц. Конструкции эрбиевых излучателей обеспечивают их устойчивую работу на основной поперечной ТЕМ00 моде с параметром качества выходного пучка М2 < 1,5 в широком диапазоне температур окружающей среды от –50 до 55°С. Потребляемая мощность эрбиевых лазеров не превышает 20 Вт при частоте следования импульсов 5 Гц во всем рабочем интервале температур.
Разработка параметрических генераторов света на основе задающих Nd:YAG-лазеров с диодной накачкой позволяет решить проблему повышения энергии выходного излучения в условно безопасном для органов зрения спектральном диапазоне 1,5–1,6 мкм до уровней 15–50 мДж с увеличением частоты следования импульсов до 30–60 Гц, что необходимо в ряде современных оптоэлектронных приборов различного базирования. Такие ПГС должны иметь предельно малые вес и габариты, потребляемую мощность не более 200 Вт и при этом должны характеризоваться высокой временной стабильностью и высоким качеством выходного пучка. В Институте физики создаются параметрические генераторы света с принудительным воздушным охлаждением и кондуктивным охлаждением через основание. Внешний вид головной части одного из вариантов ПГС (IFL-N5030/N2560-OPO), удовлетворяющего указанным выше параметрам, а также распределение его излучения в выходном пучке представлены на рис.2.
Большинство твердотельных лазеров с диодной накачкой, создаваемых в Институте физики на основе кристаллов и стекол, содержащих ионы неодима, с частотами следования импульсов до 1 кГц базируются на использовании в блоках накачки квантронов с улучшенными мощностными и пространственными показателями [1]. Конвективно–охлаждаемые, без использования охлаждающих жидкостей, квантроны с активными элементами, боковые поверхности которых покрыты патентованным рассеивающим слоем [2], хорошо зарекомендовали себя в составе Nd:YAG ТЛДН, возбуждаемых по схеме поперечной накачки, с энергией выходных импульсов до 200 мДж в режиме модуляции добротности. Для применения в спектроскопических комплексах разработан вариант компактного Nd:YAG-лазера с воздушным охлаждением (IFL-N315-UV), генерирующего четвертую гармонику (0,266 мкм) частоты фундаментальной моды. Длительность выходных импульсов менее 8 нс при частоте следования 15 Гц и энергии 3 мДж. В одном корпусе размерами порядка 100 Ч 200 Ч 350 мм интегрированы излучатель и блок электропитания, рассчитанный на напряжение 24 В постоянного тока.
Имеется ряд применений, в которых требуются компактные лазеры с более высокими уровнями выходной энергии, не использующие жидкостное охлаждение, для чего применяются оптические системы с усилителями. На рис.3 в качестве примера представлен лазерный излучатель для мобильного лидара с энергией выходных импульсов до 400 мДж, способный работать одновременно на длинах волн: 1,064; 0,532 и 0,355 мкм [3], при сохранении относительно высокого качества выходного пучка (М2 < 6). На сегодняшний день в Институте физики завершены испытания Nd:YAG оптической системы с диодной накачкой и воздушным охлаждением, генерирующей импульсы излучения с энергией до 800 мДж (длина волны излучения 1,064 мкм). Как и в случае иттербий–эрбиевых лазеров, излучатели на основе Nd:YAG активных элементов характеризуются относительно низким уровнем энергопотребления (на уровне 200–300 Вт в режиме генерации импульсов с частотой следования 10 Гц и энергией 400 мДж) и малыми габаритами.
В современных системах формирования пикосекундных и/или фемтосекундных импульсов, а также устройствах обработки материалов требуются неодимовые лазеры с высокими частотами повторения импульсов – 500–1000 Гц. Для этих целей в Институте физики ведется разработка Nd:YAG твердотельного лазера с диодной накачкой и водяным охлаждением замкнутого типа, позволяющего получать импульсы с энергиями порядка 50 мДж и частотами до 1 кГц. Экспериментальный образец данного лазера успешно прошел комплекс измерительных и ресурсных испытаний, и на данном этапе готовится опытный образец излучателя.
ЛИТЕРАТУРА
1. Bezyazychnaya T.V., Bogdanovich M.V., Grigor’ev A.V., Kabanov V.V., Kostik O.E., Lebiadok Y.V., Lepchenkov K.V., Mashko V.V., Ryabtsev A.G., Ryabtsev G.I., Shchemelev M.A., Teplyashin L.L. Transversally diode–pumped Q–switched Nd:YAG laser with improved power and spatial characteristics. – Optics Communications, 2013, v. 308, p. 26–29.
2. Патент 8850 РБ. Моноимпульсный Nd:YAG-лазер с поперечной диодной накачкой. Приоритет от 01.06. 2012; Патент 124447 РФ "Моноимпульсный Nd:YAG-лазер с поперечной диодной накачкой. Приоритет от 13.06. 2012 /Безъязычная Т.В., Богданович М.В., Григорьев А.В., Кабанов В.В., Костик О.Е., Лебедок Е.В., Машко В.В., Рябцев А.Г., Рябцев Г.И., Тепляшин Л.Л., Щемелев М.А.
3. Рябцев Г.И., Богданович М.В., Григорьев А.В., Кабанов В.В., Костик О.Е., Лебедок Е.В., Лепченков К.В., Осипенко Ф.П., Рябцев А.Г., Чайковский А.П., Щемелев М.А., Титовец В.С. Мощный полностью твердотельный многоволновой лазер для аэрозольных лидаров. – Оптический журнал, 2014, т. 81, № 10, с. 20–25.
вердотельные лазеры с диодной накачкой (ТЛДН) по сравнению с лазерными излучателями, возбуждаемыми импульсными лампами, при прочих равных условиях обладают более чем на порядок меньшими уровнями энергопотребления, предельно малыми габаритами и весом. Срок службы лазерных диодных линеек (ЛДЛ) и матриц лазерных диодов (МЛД), используемых в качестве источников излучения накачки, в большинстве случаев на два и более порядка превышает ресурс работы импульсных ламп. Все это объясняет тот факт, что в настоящее время ТЛДН являются практически безальтернативными источниками излучения для систем дальнометрии, подсветки целей (целеуказания), спектроскопии, медицины, космических применений и целого ряда устройств специального назначения.
В Институте физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси проводятся обширные исследования и опытно-конструкторские работы в области лазерной физики и техники. Изучаются предельные возможности ЛДЛ и МЛД и оптимизируются их характеристики применительно к условиям функционирования в составе блоков диодной накачки. Большое внимание уделяется поиску путей дальнейшего повышения энергии и качества выходных пучков твердотельных лазеров с диодной накачкой, увеличению их срока службы. С этой целью моделируются электрические, оптические и тепловые процессы, ответственные за работу как отдельных каскадов, так и всего лазерного излучателя в условиях, максимально приближенным к реальным режимам их использования.
Тематика работ, связанных с проектированием и созданием экспериментальных, опытных и серийных образцов лазерных излучателей в Институте физики НАН Беларуси, включает в себя четыре ведущих направления: 1) иттербий–эрбиевые лазеры, генерирующие в условно безопасном для органов зрения спектральном диапазоне (1,5–1,6 мкм), 2) ТЛДН на основе Nd 3+–содержащих активных элементов (АЭ) с воздушным охлаждением (частота следования импульсов излучения до 100 Гц), 3) ТЛДН на основе Nd 3+–содержащих активных элементов с водяным охлаждением (частота следования импульсов излучения до 1 кГц), 4) параметрические генераторы света (ПГС), излучающие в спектральных диапазонах 1,5–1,6 и 3,0–5,0 мкм. В качестве источников излучения накачки используются диодные модули на основе (In, Al) GaAs/AlGaAs гетероструктур, способные генерировать световые потоки с высокой импульсной мощностью в спектральных интервалах 0,94–0,96 и 0,80–0,82 мкм. Как правило, в твердотельных лазерах, создаваемых в Институте физики НАН Беларуси, блоки диодной накачки используются в соответствии с поперечной схемой доставки излучения. Однако в некоторых случаях (например, при разработке технологического пикосекундного лазера или лазера для доплеровского лидара с предельно узким спектром генерации) используется вариант продольного возбуждения АЭ. Следует отметить, что все оптические компоненты, включая диэлектрические зеркала, поляризаторы и т. п., используемые в экспериментальных исследованиях и серийных образцах лазеров, изготавливаются в оптическом отделе Института физики НАН Беларуси.
Для современных малогабаритных дальномеров и оптоэлектронных систем подсветки и сопровождения цели, портативных медицинских устройств, а также систем лазерной спектроскопии и чистки требуются компактные и легкие лазеры с малым энергопотреблением, излучающие в спектральном диапазоне 1,5–1,6 мкм. С этой целью в Институте физики разработана серия иттербий–эрбиевых лазеров с диодной накачкой (рис.1), работающих как в режиме пассивной модуляции добротности, так и с использованием электрооптических затворов. Разработанные образцы лазеров позволяют получать наносекундные импульсы излучения с энергией до 10 мДж и частотами следования импульсов до 10 Гц. Конструкции эрбиевых излучателей обеспечивают их устойчивую работу на основной поперечной ТЕМ00 моде с параметром качества выходного пучка М2 < 1,5 в широком диапазоне температур окружающей среды от –50 до 55°С. Потребляемая мощность эрбиевых лазеров не превышает 20 Вт при частоте следования импульсов 5 Гц во всем рабочем интервале температур.
Разработка параметрических генераторов света на основе задающих Nd:YAG-лазеров с диодной накачкой позволяет решить проблему повышения энергии выходного излучения в условно безопасном для органов зрения спектральном диапазоне 1,5–1,6 мкм до уровней 15–50 мДж с увеличением частоты следования импульсов до 30–60 Гц, что необходимо в ряде современных оптоэлектронных приборов различного базирования. Такие ПГС должны иметь предельно малые вес и габариты, потребляемую мощность не более 200 Вт и при этом должны характеризоваться высокой временной стабильностью и высоким качеством выходного пучка. В Институте физики создаются параметрические генераторы света с принудительным воздушным охлаждением и кондуктивным охлаждением через основание. Внешний вид головной части одного из вариантов ПГС (IFL-N5030/N2560-OPO), удовлетворяющего указанным выше параметрам, а также распределение его излучения в выходном пучке представлены на рис.2.
Большинство твердотельных лазеров с диодной накачкой, создаваемых в Институте физики на основе кристаллов и стекол, содержащих ионы неодима, с частотами следования импульсов до 1 кГц базируются на использовании в блоках накачки квантронов с улучшенными мощностными и пространственными показателями [1]. Конвективно–охлаждаемые, без использования охлаждающих жидкостей, квантроны с активными элементами, боковые поверхности которых покрыты патентованным рассеивающим слоем [2], хорошо зарекомендовали себя в составе Nd:YAG ТЛДН, возбуждаемых по схеме поперечной накачки, с энергией выходных импульсов до 200 мДж в режиме модуляции добротности. Для применения в спектроскопических комплексах разработан вариант компактного Nd:YAG-лазера с воздушным охлаждением (IFL-N315-UV), генерирующего четвертую гармонику (0,266 мкм) частоты фундаментальной моды. Длительность выходных импульсов менее 8 нс при частоте следования 15 Гц и энергии 3 мДж. В одном корпусе размерами порядка 100 Ч 200 Ч 350 мм интегрированы излучатель и блок электропитания, рассчитанный на напряжение 24 В постоянного тока.
Имеется ряд применений, в которых требуются компактные лазеры с более высокими уровнями выходной энергии, не использующие жидкостное охлаждение, для чего применяются оптические системы с усилителями. На рис.3 в качестве примера представлен лазерный излучатель для мобильного лидара с энергией выходных импульсов до 400 мДж, способный работать одновременно на длинах волн: 1,064; 0,532 и 0,355 мкм [3], при сохранении относительно высокого качества выходного пучка (М2 < 6). На сегодняшний день в Институте физики завершены испытания Nd:YAG оптической системы с диодной накачкой и воздушным охлаждением, генерирующей импульсы излучения с энергией до 800 мДж (длина волны излучения 1,064 мкм). Как и в случае иттербий–эрбиевых лазеров, излучатели на основе Nd:YAG активных элементов характеризуются относительно низким уровнем энергопотребления (на уровне 200–300 Вт в режиме генерации импульсов с частотой следования 10 Гц и энергией 400 мДж) и малыми габаритами.
В современных системах формирования пикосекундных и/или фемтосекундных импульсов, а также устройствах обработки материалов требуются неодимовые лазеры с высокими частотами повторения импульсов – 500–1000 Гц. Для этих целей в Институте физики ведется разработка Nd:YAG твердотельного лазера с диодной накачкой и водяным охлаждением замкнутого типа, позволяющего получать импульсы с энергиями порядка 50 мДж и частотами до 1 кГц. Экспериментальный образец данного лазера успешно прошел комплекс измерительных и ресурсных испытаний, и на данном этапе готовится опытный образец излучателя.
ЛИТЕРАТУРА
1. Bezyazychnaya T.V., Bogdanovich M.V., Grigor’ev A.V., Kabanov V.V., Kostik O.E., Lebiadok Y.V., Lepchenkov K.V., Mashko V.V., Ryabtsev A.G., Ryabtsev G.I., Shchemelev M.A., Teplyashin L.L. Transversally diode–pumped Q–switched Nd:YAG laser with improved power and spatial characteristics. – Optics Communications, 2013, v. 308, p. 26–29.
2. Патент 8850 РБ. Моноимпульсный Nd:YAG-лазер с поперечной диодной накачкой. Приоритет от 01.06. 2012; Патент 124447 РФ "Моноимпульсный Nd:YAG-лазер с поперечной диодной накачкой. Приоритет от 13.06. 2012 /Безъязычная Т.В., Богданович М.В., Григорьев А.В., Кабанов В.В., Костик О.Е., Лебедок Е.В., Машко В.В., Рябцев А.Г., Рябцев Г.И., Тепляшин Л.Л., Щемелев М.А.
3. Рябцев Г.И., Богданович М.В., Григорьев А.В., Кабанов В.В., Костик О.Е., Лебедок Е.В., Лепченков К.В., Осипенко Ф.П., Рябцев А.Г., Чайковский А.П., Щемелев М.А., Титовец В.С. Мощный полностью твердотельный многоволновой лазер для аэрозольных лидаров. – Оптический журнал, 2014, т. 81, № 10, с. 20–25.
Отзывы читателей
