DPSS лазер Юпитер

Лазер построен по схеме генератор-усилитель (МОРА) на 3-х квантронах с раздельным питанием квантрона генератора и 2-х квантронов усилителя. Накачка осуществляется 65 импульсными лазерными диодными линейками фирмы Northrop Grumman Cutting Edge Optronics, США мощностью по 100 Вт каждая (при токе 90 А и длительности импульса накачки 250 мкс). Генератор содержит электро-оптический затвор в виде Ячейки Поккельса с поляризатором. Усилитель развязан с генератором оптическим изолятором.
 
Параметры системы:
Длина волны излучения 1064 нм
Энергия импульса 100-400 мДж
Длительность импульса 20-25 нс
Частота следования 100 Гц (400 мДж) — 400 Гц (100мДж)
Качество излучения М2 < 1.5

 

Применение
Лазер разработан для вакуумного распыления материалов в рамках проводимых в Физико-Техническом институте им. А.Ф.Иоффе РАН исследований по наноструктурам. Лазер может быть также использован для эффективной маркировки «на лету» быстро движущихся объектов (например, изоляции проводов и кабелей), для генерации гармоник фундаментальной полосы излучения, для лидарных систем и т.д.
 
Состав системы
— лазерный излучатель;
— источники импульсного питания квантронов (драйверы e-Drive);
— AC/DC преобразователи с выходными напряжениями 110 и 42 В: блок охлаждения (БО) лазера;
 
Оптическая схема лазерного излучателя
Оптическая схема системы приведена на Рис.1. Лазерный излучатель выполнен по схеме – задающий генератор (ЗГ) – двухкаскадный двухпроходовый усилитель (УС).
 
Активный элемент (АЭ) квантрона ЗГ накачивается с трех сторон 15 линейками лазерных диодов мощностью 100 Вт в импульсе каждая. Общая мощность накачки 1500 Вт при питающем импульсе тока 90А и длительности 250 мксек. Активный элемент ЗГ имеет размер Ø3 × 86 мм3.
 
Ячейка Поккельса для модуляции добротности выполнена на основе кристалла ДКДР с термостатированием кристалла. Она запирается напряжением 3-4.5 кВ и в момент максимальной инверсии происходит сброс напряжения за время 10 нс, получается короткий импульс излучения 25 – 30 нс.
 
Резонатор ЗГ плоский. Однако, при частоте следования импульсов 100 Гц, он превращается в плоско- сферический из-за возникающей в активном элементе (АЭ) тепловой линзы с фокусом около 1.4 м (при импульсах тока 90 А). Для увеличения диаметра выходного пучка квантрон расположен рядом с выходным зеркалом резонатора. Внутрирезонаторная диафрагма отсутствует, так как в обоих режимах формируется мода близкая к нулевой (М2~1.5) из-за большей величины прокачки вблизи оси (на Рис.2 приведена фотография интенсивности люминесценции на выходном торце АЭ ЗГ). Усиление слабого сигнала АЭ ЗГ на проход при величине тока 90 А превышает 10.
 
Каждый АЭ квантронов усилителя Ø5 × 94 мм3 накачиваются с пяти сторон 25 линейками лазерных диодов мощностью 100 Вт в импульсе каждая, общая световая мощность накачки 2500 Вт в импульсе длительностью 250 мкс при токе 90 А.
 
Распределение инверсной населенности в АЭ усилителя Ø5 × 94 мм3 приведено на Рис.3. Зависимость тепловой линзы квантрона от частоты следования импульсов при токе 90 А приведена на Рис.4.
 
Схема измерения зависимости усиление слабого сигнала в каскаде усилителя от тока при длительности импульса накачки 250 мкс приведена на Рис. 5, а результаты измерений показаны на Рис. 6.
 
Для развязки ЗГ и УС, а также для защиты элементов ЗГ от деполяризованной части излучения УС используется изолятор Фарадея 9 на постоянных магнитах с апертурой 6 мм на кристалле TGG. Установленная перед ним 45-градусная кварцевая пластина 8 согласует азимуты поляризаций ЗГ и ЯФ.
 
Четвертьволновая фазовая пластинка нулевого порядка 13 поворачивает плоскость поляризации падающего излучения на ортогональную, в результате излучение выводится из лазерного излучателя через поляризатор 4.

pic1_jupiter
Рис 1. Схема лазера оптическая: 1,2 — R=100% и R=30% зеркала резонатора; 3 — электрооптический затвор; 4 — диэлектрические многослойные поляризаторы; 5 — 100% поворотные зеркала; 6 — квантрон задающего генератора; 7 — линза с f=37 см; 8 — пластина, вращающая поляризацию на 45 градусов; 9 — ячейка Фарадея на постоянных магнитах; 11, 12 — квантроны усилителя; 13 — фазовая четвертьволновая пластина нулевого порядка; 14 — 100% зеркало.
 
Распределение инверсной населенности в поперечном сечении АЭ
На Рис.2 приведена фотография распределения интенсивности люминесценции на выходном торце активного элемента ЗГ и соответствующее ей распределение интенсивности вдоль горизонтальной линии сечения, проходящей через центр АЭ.
 
pic2_jupiter
Рис.2. Распределение интенсивности люминесценции (пропорциональна lnG, G- усиление) в отн.ед. от номера пикселя ПЗС-матрицы камеры в АЭ ЗГ и фотография распределения.
 
Видно, что прокачка АЭ имеет осесимметричный вид. Наиболее прокачен центр АЭ (диаметр приблизительно 2 мм.
 
На Рис. 3 приведены такие же распределения для АЭ усилителя с диаметром 5 мм. Оно также получено вдоль горизонтальной линии сечения, проходящей через центр АЭ.
pic3_jupiter
Рис.3. Распределение интенсивности люминесценции (в отн.ед.) от номера пикселя ПЗС-матрицы камеры в АЭ усилителя и фото распределения.
 
Результаты измерения тепловых линз при F = 40…100 Гц
Измерения проводились с помощью коллимированноного пучка гелий-неонового лазера. Определялось расстояние Ft от точки фокусировки до выходного торца АЭ
pic4_jupiter
Рис.4. Длина теплового фокуса Ft (метров) для одного квантрона усилителя в зависимости от частоты следования импульсов f (Гц).
 
Усиление квантрона на один проход
Для измерения интегрального по сечению усиления использовалась стандартная методика — измерение усиления слабого сигнала непрерывного лазера на один проход. Все измерения проводились при t = 22 градусов Цельсия и токах от 30 до 90 А.
 
На Рис.5 приведены результаты измерения усиления одного каскада усилителя на один проход слабого сигнала.
pic5_jupiter
Рис. 5. Зависимость усиления G слабого сигнала одним квантроном усилителя на проход от тока импульса накачки I (А).
 
Результаты измерения энергетических и временных характеристик
На выходе лазера получены импульсы с длительностью 25 нс и энергией 0.35 Дж при частоте следования импульсов 100 Гц. На выходе ЗГ энергия равна 30- 40 мДж. Ближнепольное распределение и дальняя зона излучения приведены на рисунке 7.
 
Отметим, что при работе на частоте следования 100 Гц становятся заметными потери вследствие деполяризации излучения в АЭ усилителя из-за возникающего двулучепреломления вследствие неравномерного выделения тепла. Потери на выходном поляризаторе достигают величины 30%, а ближнее поле пучка на выходе лазера имеет вид «мальтийского креста (Рис.6).
pic6_jupiter
Рис.6. Распределение излучения в ближнем поле, искаженное потерями излучения на выходном поляризаторе из-за двулучепреломления, возникающего в активных элементах усилительных каскадов.
 
Потери удалось практически полностью устранить, установив между квантронами 900 вращающую плоскость поляризации пластину.
pic7_jupiter
Рис. 7 — Окончательное распределение интенсивности лазера Юпитер