Комплексное исследование излучательных характеристик диодных линеек для накачки активных элементов твердотельных лазеров методом акустооптической спектроскопии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.01, кандидат физико-математических наук Отливанчик, Александр Евгеньевич

• Отливанчик, Александр Евгеньевич
• кандидат физико-математических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Отливанчик, Александр Евгеньевич

Введение

Глава 1. Основы работы твердотельных лазеров с полупроводниковой накачкой (рбзор литературы) ' 1.1. Балансные уравнения генерации лазеров

1.2. Общая методика оценки пороговых и энергетических характеристик лазеров

1.3. Выходная мощность и КПД излучения непрерывных лазеров

1.4. Источники накачки твердотельных лазеров

1.5. Лазеры с полупроводниковой накачкой

Глава 2. Научно-исследовательская установка для исследования излучательных характеристик диодных линеек для накачки активных элементов твердотельных лазеров

2.1. Описание спектрометра и принцип его работы

2.1.1. Требования, предъявляемые к акустооптическому спектрометру

2.1.2. Выбор архитектуры устройства управления

2.1.3. Функциональная схема устройства управления акустооптического спектрометра

2.1.4. Операции, выполняемые АО спектрометром

2.1.5. Прецизионный цифровой синтезатор частоты

2.1.6: Эллиптический фильтр нижних частот

2.1.7. Интерфейсные характеристики акустооптического спектрометра

2.2. Приемная часть акустооптического спектрометра

2.3. Перестроечная характеристика

2.4. Программное обеспечение

2.5. Волоконно-оптический зонд

2.6. Держатель (предметный столик) для крепления образцов

3. Исследование излучательных характеристик элементов накачки твердотельных лазеров

3.1. Исследование излучательных хар-к единичного светодиода

3.2. Исследование излучательных характеристик светодиодной линейки средней мощности

3.3. Исследование излучательных характеристик светодиодной линейки большой мощности

3.4.Методика комплексного исследования излучательных характеристик светодиодных линеек, используемых для накачки тв. лазеров

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Комплексное исследование излучательных характеристик диодных линеек для накачки активных элементов твердотельных лазеров методом акустооптической спектроскопии»

Первым в мире лазером явился лазер на кристалле рубина (1960 год) [1,2]. Хотя за прошедшие годы были разработаны многие другие классы лазеров (газовые, жидкостные, полупроводниковые, эксимерные, лазеры на свободных электронах), твердотельные лазеры на кристаллах не только не утратили своего значения, но и получили существенное развитие. Были созданы новые кристаллы, позволившие в 2-3 раза повысить КПД твердотельных лазеров [3-14]. Кроме того, получили бурное развитие твердотельные лазеры с накачкой инжекционными1 полупроводниковыми лазерами, что позволило создать семейство малогабаритных лазеров с КПД, превышающим 15-20% [15-23].

В настоящее время задача повышения КПД работы лазеров не потеряла своей актуальности. В этой связи источники накачки являются важной составной частью твердотельных лазеров, так как служат для преобразования электрической энергии источника питания в световую энергию, необходимую для создания инверсии населенности в активном, элементе твердотельного лазера. В качестве непрерывных источников накачки наибольшее применение получили дуговые газоразрядные лампы, заполненные кретоном, обладающие большим сроком службы, обеспечивающие КПД до 5% для АИГ-Ш-лазеров и полупроводниковые лазерные диоды, объединенные в диодные линейки или матрицы.

Лазерные диоды как источники накачки компактны, эффективны, прочны, долговечны и достаточно недороги. Возможность подстройки линии излучения подбором состава структуры или изменением температуры позволяет снизить нагрев активного элемента твердотельного лазера и уменьшить тепловую нагрузку, выбрав нужную полосу накачки. Более того, так как лазерные диоды (и линейки из них) являются когерентными направленными источниками, то их излучение легко можно сфокусировать на определенной зоне активного элемента.

Все вышесказанное и определяет важность и актуальность данной диссертационной работы, посвященной комплексному исследованию излучательных характеристик диодных линеек для накачки активных элементов мощных твердотельных лазеров.

Целью работы является комплексное изучение основных характеристик диодных линеек как источников световой накачки активных элементов мощных твердотельных лазеров, а именно частотного и пространственного распределения их излучения.

Научная новизна работы. В работе впервые в едином цикле измерений исследовано не только спектральное распределение излучения диодных линеек, но и распределение их излучения, как по длине линейки, так и по углу. Это позволяет построить полную картину как пространственного, так и частотного распределения излучения диодной линейки в целом как источника световой накачки активного элемента твердотельного лазера.

В работе обоснована методика комплексного изучения излучательных характеристик диодных линеек, разработано аппаратурное оформление данной методики и проведены исследования конкретных диодных линеек для накачки активных элементов мощных твердотельных лазеров, подтвердившие «работоспособность» предложенной методики.

Практическая значимость работы заключается в том, что созданная методика комплексного исследования излучательных характеристик диодных линеек позволяет выявлять искажения в пространственном распределении излучения, а последующая коррекция этих искажений - повысить КПД работы конкретного твердотельного лазера в целом.

Достоверность результатов работы обеспечивается информативностью и адекватным использованием методик акустооптической спектрометрии применительно к изучению излучательных характеристик диодных линеек, хорошей воспроизводимостью экспериментальных результатов, а также интерпретацией данных, полученных независимыми методами, с единых позиций современной науки.

Положения, выносимые на защиту.

1. Использование акустооптической спектрометрии позволяет в едином цикле определять не только пространственное распределение излучательной способности диодных линеек, используемых для накачки твердотельных лазеров, но и их спектральные характеристики в каждой точке по длине линейки.

2. Разработанная на базе акустооптического спектрометра ближнего ИК-диапазона установка является аппаратурным оформлением методики комплексного исследования излучательных характеристик диодных линеек, используемых для накачки твердотельных лазеров.

3. Обработка результатов комплексных исследований мощной диодной линейки Silver Bullet ASM06C020 фирмы "NORTHROP GRUMMAN" показали, что при проведении коррекции выявленного пространственного распределения излучения линейки можно увеличить величину световой мощности закачиваемой в активный элемент (при напряжении 20 А) на 2,4 Вт, что приводит к повышению КПД работы твердотельного лазера с данной линейкой на 9% по сравнению с нескорректированным состоянием.

Апробация работы. Основные результаты работы представлялись на:

- 6-ой Международной выставке лазерной техники «LIC RUSSIA 2004», 27-30 января 2004 г., Москва, «Сокольники»;

- У 1-м Международном Форуме «Высокие технологии XXI века», 18-22 апреля 2005 г., Москва, «ЭКСПОЦЕНТР»;

- Международной специализированной выставке оптической, лазерной и оптоэлектронной аппаратуры «ФОТОНИКА-2006», 3-6 июля 2006 г., Москва, ЗАО «Экспоцентр» на Красной Пресне;

- 2-ой Международной специализированной выставке оптической, лазерной и оптоэлектронной аппаратуры, комплектующих изделий и компонентов «ФОТОНИКА», 13-16 марта 2007 г., Москва, ЦБК «Экспоцентр»;

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы экспериментальной физики», Отливанчик, Александр Евгеньевич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

В качестве основных результатов работы можно выделить следующее:

1. Показано что использование акустооптического спектрометра видимого и ближнего ИК диапазона позволяет создать методику, в которой в едином цикле можно определять не только пространственное распределение излучения диодных линеек, используемых для.накачки активных элементов, твердотельных лазеров, но и их спектральные характеристики в каждой точке по длине линейки.

2. Разработана универсальная плата блока управления и обработки сигналов для акустооптического спектрометра, которая за счет применения' программируемой логической матрицы позволяет:

- перепрограммировать параметры измерений спектрометра в различных областях - от инфракрасной до ультрафиолетовой;

- обеспечивает возможность точно измерять температуру акустооптической ячейки и своевременно вносить коррективы в измерительный цикл;

- добавлять дополнительные функции управления спектрометра, без, переделки, прибора.

3. Создана научно-исследовательская установка для комплексного-исследования излучательных характеристик диодных линеек, используемых для накачки активных элементов твердотельных лазеров, и произведено ее тестирование с целью оценки достоверности получаемых результатов на модельном-объекте - единичном светодиоде.

4. На созданной установке- проведены натурные измерения реальных физических объектов, а именно, диодных линеек, применяемых для-накачки активных элементов твердотельных лазеров. Анализ полученных результатов позволил выработать рекомендации' для- коррекции конкретных схем^ накачки с целью повышения ее эффективности и, следовательно, повышения КПД работы твердотельных лазеров, созданных на их основе.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Отливанчик, Александр Евгеньевич, 2008 год

1. Т.Н. Maiman. Stimulated optical radiation in ruby. - Nature, 1960, №187, p. 493-494.

2. P.P. Sorokin, M. J. Stevenson. Stimulated infrared emission from trivalent uranium. -Phys.Rev.Lett, 1960, №5, p. 775-559.

3. D.W. Hughes, J.R. Barr. J.Phys. D, 25, 563 (1992).

4. H.B. Кравцов, O.E. Наний. Высокостабильные одночастотные твердотельные лазеры. М.: Квантовая Электроника, 1993, № 20, с. 322.

5. P.G. Eliseev, V.V. Bezotosny. Proc. SPIE, 1999, 2, p. 3668.

6. F.J. Dinerman, P.F. Moulton P.F. 3-mgr .m cw laser operation in erbium-doped YSGG, GGG, and YAG. Optics Letts, 1994, №19, p. 1143.

7. U. Brauch, A. Giesen, M. Karszewski, C. Siewen, A. Voss. Multiwatt diode-pumped Yb:YAG thin disk laser continuously tunable between* 1018 and 1053 run. Optics Letts, 1995, №20, p. 713.

8. T.Y. Fan, G. Huber, R.L. Byer, P. Mitzeherlich. Continuous-wave operation at 2.1 Mu m of a diode-laser-pumped, Tm-sensitized Ho:Y3A15012 laser at 300K. Optics Letts, 1987, №12, p. 678.

9. R.C. Stoneman, L. Estrowitz. Efficient, broadly tunable, laser-pumped Tm:YAG and Tm:YSGGG cw lasers. Optics Letts, 1990, №15, p. 486.

10. D.S. Sumida, A, Betin, H. Bruesselbach, R. Byren, S. Matthews, R. Reeder, M.S. Mangir. Laser Focus World, 1999, №6, p. 63.

11. F. Hanson. Laser-diode side-pumped Nd:YA103 laser at 1.08 and 1.34 mum. Optics Letts, 1989, №14, p. 675.

12. P. Piorier, F. Hanson. Appl.Optics, 1996, №35, p. 364.

13. D. Kopf, U. Keller. Optic Letts, 1999, №22, p. 99.

14. P. Laperle, K.J. Snell, A. Ghandonnet, P. Galarneau et al. Appl.Optics., 1997, №36, p.-5053.

15. J.P. Cuthbertson, G.J. Dixon. Optics Letts, 1991, №16, p. 386.

16. G.J. Hall, A J. Ferguson. Optics Letts, 1994, №19, p. 57.

17. H.B. Кравцов, П.П. Пашинин, В.В. Фирсов. Квантовая Электроника, 1999, №28, с. 223.

18. G.J. Hall, A.I. Ferguson. Generation of single-frequency radiation at 1064, 1319, and 659.5 nm with an all-solid-state, out-of-plane Nd:YAG ring laser. Optics Letts, 1994, №19, p. 557.

19. H.M. Kretschmann, F. Heine, V.G. Ostroumov, G. Huber. High-power diode-pumped continuous-wave Nd3+ lasers at wavelengths near 1.44 jim. — Optics Letts, 1997, №22, p. 466.

20. B.A. Сычугов, B.A. Михайлов, B.A. Кондратюк, H.M. Лындин, Ю. Фрам, А.И. Загуменный, Ю.Д. Заварцев, П.А. Студеникин. Коротковолновый (Л, = 914 нм) микролазер на кристалле YV04:Nd3+. -Квантовая Электроника, Том 30, № 1, с. 1 93, Январь 2000.

21. R.S. Conroy, A.J. Kemp, G.J. Friel, B.D. Sinclair. Microchip Nd:vanadate lasers at 1342 and671nm. Optics Letts, 1997, №22, p. 1781.

22. А.И: Загуменный, H.B. Кравцов, O.E. Наний, М.Ю. Никольский, A.M. Прохоров, В.В. Фирсов, И.А. Щербаков. Лазер на кристалле1. Л 1

23. GdVO:Nd с полупроводниковой накачкой. Квантовая Электроника, 1993, Т. 20, с. 1993.

24. R. Scheps, J. Myers, G. Mizell, К. Yates. Internally folded Nd:YAG and Nd:YV04 lasers pumped by laser diodes. IEEE J.Quantum Electron., 1994, №30, p. 2132.

25. A. Cordova-Piaza, T.Y. Fan, MJ. Digonnet, R.L. Byer, H.J. Shaw. Nd:Mg0:LiNb03 continuous-wave laser pumped by a laser diode. Optics Letts, 1988, №13, p. 209.

26. A.C. Чиркин, В.В. Волков, Г.Д. Лаптев, Е.Ю. Морозов. Последовательные трехчастотные волновые взаимодействия в нелинейной оптике периодически-неоднородных сред. — М.: Квантовая Электроника, 2000, Том 30, № 10, с. 847 940.

27. J. Bartschke, R1 Knappe, K.J. Boiler, R. Wallenstein. Investigation of . efficient self-frequency-doubling NdrYAB lasers. IEEE J.Quantum

28. Electron., 1997, №33, p> 2295.

29. I. Schutz, I. Freitag, R. Wallenstein. Backward second-harmonic and third-harmonic generation in a periodically poled potassium titanyl phosphate -waveguide. Optics Letts, 1999, №24, p. 127.

30. Gu X., Makarov M, Ding;Y.J:, Khurgin Ji, Risk W. Optics Letts, 1999^№ 24, p. 127. '

31. О. Звелто. Принципы лазеров: Пер. с англ./ Под. Ред. Т.А. Шмаонова. — М.: Мир, 1984, с. 395.

32. В.А. Беренберг, О.А. Болдырев, Г.С. Леонов и др. Твердотельные микролазеры с накачкой миниатюрными импульсными лампами. М.: Квантовая электроника, 1985, Том 12, № 2, с. 375-377.

33. Н.В. Кравцов. Основные тенденции развития тверд отельных; лазеров; с полупроводниковой накачкой; Квантовая Электроника, 2001, Т. 31, №8, с. 667.

34. T.Y. Fan, R.L. Byer. Diode laser-pumped solid-state lasers; IEEE J.Quantum Electron.,1988, №24, p. 895.

35. K.J. Snell, D. Lee, K.F. Wall. Techn.Dig.CLEO'2000 (San Francisco, USA, 2000, p. 200).

36. C. Bollig , R.A. Yayward, W.A. Clarkson, D.C. Hanna. 2-W Ho:YAG laser intracavity pumped by a diode-pumped Tm:YAG laser. Optics Letts, 1998, № 23, p. 1757.

37. W.A. Clarkson, PJ. Hardman, D.C. Hanna. High-power diode-bar end-pumped Nd:YLF laser at 1.053 цт. Optics Letts, 1998, № 23, p.1363.

38. Y. Akiyama, T. Takase, A. Takada, H. Yuasa, A. Ono. Techn.Dig. GIEO'99 (San Francisco, USA, 1999, p. 31).

39. T.J. Kane, R.L. Byer. Monolithic, unidirectional single-mode Nd:YAG ring laser. Optics Letts, 1985, №10, p. 65.40: J.P. Park, Т.Н. Yoon, M.S. Chung, H.W.Le. Appl.Optics,1999, № 38; p.4566.

40. J. Richards, A. Mclnnes. Optics Letts, 1995, № 20, p. 371.

41. Y. Hirano, Y. Koyata, S. Yamamoto, K. Kasahara, T. Tajime. 208-W TEM00 operation of a diode-pumped Nd:YAG rod laser. Optics Letts, 1999, №24, p. 679.

42. C.D: Marshall, L.K. Smith; RJ. Beach, M.A. Emanuel, K.L Schaffers, J. Skidmore, S.A. Payne, B.H. Chai. Diode-pumped ytterbium-doped-Sr5(P04)3 F laser performance. IEEE J.Quantum Electron; 1996,- №32, p. 650.

43. W. Streifer, D.R. Scifres, G.L. Harnagel, D J. Welch et al. IEEE J, 1988, Vol. QE-24, № 6, p. 883-894:

44. R. Solarz. Diode Pumped Solid State Lasers. Dual Use Initiative High Power Laser Assessment Study. International Workshop, Moscow, January 20-22, 1993.

45. Справочник по лазерам. В 2-х т. Под ред. A.M. Прохорова. М.: Сов. Радио, 1978, Т.1, с. 504, Т. 2, с. 400.

46. Г.М. Зверев, Ю.Д. Голяев, Е.А. Шалаев, А.А. Шокин. Лазеры не алюмоиттриевом гранате с неодимом. -М.: Радио и связь, 1985, с. 144'. ■

47. Tunable Solid State Lasers (Technical Digest). North Farmouth Cape.Cod; MA, 1989, p. 134-135.

48. Ю.Г. Дьякова, И.И. Куратаев, T.A. Мирошниченко. Твердотельные лазеры с накачкой лазерными диодами перспективные источники когерентного излучения. -М.: ЦНИИ «Электроника», 1989, с. 72.

49. Акустооптический спектрометр рамановского рассеяния РАОС (серийный номер 2). Техническое описание и руководство по; эксплуатации.

50. С.В. Боритко, Е.А. Отливанчик, В1В. Твердов; А.Е. Отливанчик, О возможности использования Рамановской спектроскопии для диагностики ювелирных камней (на примере корундов), Успехи современной радиоэлектроники, 2006, №10, с. 31-35.