Строительные исследования
страница - 0
Малошумящие твердотельные лазеры с диодной накачкой видимого диапазона спектра.
Куратев И.И., Цветков Ю.В., Иолтуховский А.А., Алексахин А.Н., Шкарубо А.С. (ik@lcompact.msk.ru)
ООО НПФ "Лазер-компакт".
В ряде областей применения лазерной техники предъявляются высокие требования к уровню оптических шумов в излучении лазера. Иными словами, важной характеристикой является отсутствие быстрых флуктуаций интенсивности выходного излучения по времени. Особый интерес у потребителей, использующих лазеры в производимом ими оборудовании, вызывают малошумящие приборы со спектром излучения, лежащим в видимой области. К подобному оборудованию можно отнести различные виды метрологических устройств, в том числе работающих на интерферометрических принципах; системы записи и воспроизведения информации; устройства осуществляющие сканирование или растрирование луча, например с целью создания изображений в лазерных дисплеях или в печатающих устройствах.
В некоторых типах такого оборудования используются полупроводниковые лазерные диоды и широко представленные на рынке газовые лазеры, но их применение ограничено. Для лазерных диодов характерна низкая когерентность излучения и недостаточная выходная мощность. К тому же отсутствуют диоды, излучающие в области спектра 450 - 550 нм. Существующие коротковолновые диоды видимого диапазона излучают на длинах волн 400 - 420 нм. Недостатками газовых лазеров являются большие габариты, высокое энергопотребление и тепловыделение.
Естественно, что в этой ситуации внимание разработчиков обращается к твердотельным лазерам с накачкой лазерными диодами, для которых характерны малые габариты, высокий КПД и хорошая когерентность излучения. На рынке уже предлагается большое количество излучающих в зеленой области спектра малошумящих моделей, в том числе и работающих в режиме генерации одной продольной моды. Но применяемость предлагаемых лазеров такого типа ограничена тем, что реально надежно работающие приборы стоят слишком дорого, и не каждая фирма способна производить их в требуемых количествах. И конечно, по-прежнему остаются редко встречающейся экзотикой синие лазеры с низким уровнем шумов.
Научно-производственная фирма «Лазер-компакт» на протяжении всего времени своего существования не оставляет без внимания проблему создания малошумящих лазеров видимого диапазона. Обеспечить отсутствие медленных изменений средней мощности излучения лазера относительно несложно при помощи термостабилизации резонатора и введения обратной связи, которая поддерживает выходную мощность на постоянном уровне посредством изменения мощности накачки, а вот избавиться от быстрых флуктуаций гораздо сложнее. Колебания интенсивности излучения на частотах выше 1 кГц не могут быть устранены такими способами. При использовании внутрирезонаторного преобразования во вторую гармонику в линейном резонаторе твердотельного лазера главной причиной возникновения шумов является конкуренция продольных мод. Причинами возникновения этого процесса являются, с одной стороны, эффект "выгорания дыр" в инверсной населенности по длине активного элемента, что вызывает снижение коэффициента усиления для вышедшей в генерацию продольной моды резонатора. С другой стороны, потери на преобразование во вторую гармонику снижают добротность резонатора для генерирующей моды. Эти процессы
позволяют выходить в генерацию другим модам. Колебания мощности, вызванные конкуренцией мод, не могут быть скомпенсированы изменением накачки, так как характерные времена для них короче времени жизни люминесценции в активной среде. Типичная осциллограмма шумов лазера на активном элементе из кристалла YVO4:Nd3+ с внутрирезонаторной генерацией второй гармоники на кристалле КТ? (KTiPO4) представлена на рис. 1.
IV10us
Рис. 1. Осциллограмма шумов многомодового режима.
В генерацию выходит 5-7 продольных мод (см. спектр излучения лазера на рис.2), конкуренция между которыми и обуславливает возникновение шумов с уровнем 20-30% RMS (среднеквадратичное отклонение).
Интенсивность, отн. ед.
25000-Р 1 1 1 I
531.9532532.1532.2 ДлИНО. ВОЛНЫ, НМ
Рис. 2. Спектр многомодового режима.
Были опробованы различные способы снижения шумов. Одним из способов является создание условий, при которых в генерацию могло бы выходить очень большое количество продольных мод резонатора. Однако, для организации такого режима необходимо использовать длинный резонатор, что требует увеличения габаритов лазера. Кроме того, многомодовый режим работы для многих применений оказывается непригодным. Поэтому, наибольший интерес представляет устранение конкуренции продольных мод путем создания условий для генерирования только одной из них, то есть путем построения одночастотного лазера. В этом направлении было
проведено много экспериментов. Были опробованы различные типы селекторов продольных мод, в том числе поглощающая металлическая пленка, вносимая в резонатор, которая позволяет существовать только той продольной моде резонатора, узел стоячей волны которой попадает на эту пленку. Пробовались различные схемы с преобразователем частоты, помещенным в линейный или кольцевой внешний резонатор, что позволяло устранить дестабилизирующий фактор, связанный с динамическими потерями, вносимыми процессом генерирования второй гармоники в основном резонаторе. И, конечно, предпринимались попытки создать очень короткий резонатор ("чип"). Все эти схемы не позволяли получить надежный и повторяемый результат. Только в результате последних проведенных исследований удалось построить схему резонатора с фазово-поляризационным селектором и создать лазер, устойчиво работающий в малошумящем режиме. Схема резонатора приведена на рис.3.
12345
Рис.3. Схема резонатора. Цифрами обозначены элементы:
1- заднее зеркало (зеркало, через которое осуществляется накачка);
2- активный элемент из YVO4;
3- поляризатор;
4- нелинейный элемент;
5- выходное зеркало;
Активный элемент, ванадат иттрия, легированный ионами неодима, является одноосным кристаллом. Кристалл вырезан так, чтобы изучение распространялось вдоль одной из осей, перпендикулярно к главной оптической оси. Наибольшим сечением генерации обладает а-поляризация, когда волна поляризована вдоль главной оптической оси. Поляризатор установлен так, что а-поляризация проходит через него без потерь. В качестве поляризатора используется пластинка из стекла, установленная под углом Брюстера. Коэффициенты отражения и пропускания для поляризации, перпендикулярной плоскости угла Брюстера:
4n2
= (n2 - Г/T = 4n
1 (n2 +1)21 (n2 +1)2
Отражение происходит от обеих граней пластинки, поэтому суммарный коэффициент отражения будет:
Ro = R1+R1T1 Отношение отраженной энергии к падающей будет:
Iотр/Iпад=Ro*100%
Поляризатор изготовлен из стекла марки К8, n=1.52. Ro=0.29;
Таким образом, для перпендикулярной поляризации будут вноситься потери
содержание:
[стр.Введение] [стр.1] [стр.2]