Пикосекундный Nd:YAG лазер для лунного лазерного дальномера тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.03, кандидат наук Балмашнов Роман Владимирович

• Балмашнов Роман Владимирович
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Балмашнов Роман Владимирович

Реферат

Synopsis

Введение

1 Аналитический обзор

1.1 Современное состояние высокоточной спутниковой лазерной дальнометрии

1.1.1 Проблемы измерения дальности в спутниковой лазерной дальнометрии

1.1.2 Перспективы развития лунной лазерной дальнометрии

1.1.3 Источники лазерного излучения в современных лунных лазерных дальномерах

1.2 Обзор схем современных лазерных излучателей с пикосекундной длительностью импульсов

1.2.1 Варианты построения пикосекундного задающего генератора с выходной мощностью от 0,01 до 10 Вт

1.2.1.1 Лазеры, работающие в режиме синхронизации мод

1.2.1.2 Микрочип лазеры, работающие в режиме пассивной модуляции добротности

1.2.1.3 Лазерные диоды с модуляцией усиления

1.2.1.4 Селекторы импульсов (Pulse-pickers)

1.2.2 Варианты построения основного усилителя с выходной мощностью 10-1000 Вт

1.2.2.1 Примеры MOPA с выходной мощностью 10-1000 Вт с длиной волны излучения 1064 нм

1.2.2.2 Примеры МОРА на основе Yb:YAG с выходной мощностью 101000 Вт

1.2.2.3 Усилители на Yb-содержащих средах с криогенным охлаждением

1.3 Применение адаптивных оптических систем в лазерной технике

1.3.1 Компенсация нестационарных искажений волнового фронта с помощью нелинейных оптических эффектов

1.3.2 Адаптивная оптическая система на основе датчика Шака-Гартмана

1.3.3 Адаптивная оптическая система «Оптический компенсатор»

1.3.4 Адаптивная оптическая система с анализатором на основе квадрантного фотодиода

1.4 Основные проблемы разработки мощного лазерного излучателя с пикосекундной длительностью импульсов

1.4.1 Проблема лучевой прочности оптических элементов

1.4.2 Проблема мелкомасштабной самофокусировки

1.4.3 Проблема низкой эффективность энергосъема

1.4.4 Выводы по первой главе

2 Лазерный излучатель для лунного лазерного дальномера

2.1 Задающий генератор лазерного излучателя

2.1.1 Выбор источника пикосекундных импульсов и схемы предусиления147

2.1.2 Оптическая схема задающего генератора

2.1.3 Характеристики задающего генератора

2.2 Выходной усилитель лазерного излучателя

2.2.1 Выбор активной среды и системы накачки

2.2.2 Исследование системы накачки

2.2.3 Генератор второй гармоники

2.2.4 Оптическая схема основного усилителя

2.2.4.1 Однокаскадная шестипроходовая схема

2.2.4.2 Двухкаскадная двухпроходовая схема

2.3 Выводы по второй главе

3 Адаптивная оптическая система компенсации нестационарных оптических искажений

3.1 Принцип работы адаптивной оптической системы

3.2 Исследование макета адаптивной оптической системы

3.3 Оценка чувствительности и быстродействия адаптивной оптической

системы

3.4 Демонстрация работы адаптивной оптической системы в составе

двухкаскадной двухпроходовой схемы

3.5 Выводы по третей главе

4 Характеристика излучения основной и второй гармоники мощного пикосекундного Кё:УЛОлазера

4.1 Спектральные характеристики лазера

4.1.1 Излучение с длиной волны 1064 нм

4.1.2 Излучение с длиной волны 532 нм

4.2 Энергия в импульсе и частота повторения импульсов

4.3 Длительность импульса и стабильность формы импульса

4.4 Расходимость и стабильность оси диаграммы направленности

4.5 Анализ применимости разработанного лазера для рамановской

спектроскопии ультраспектрального разрешения

4.6 Выводы по четвертой главе

Заключение

Перечень сокращений

Перечень обозначений

Список используемой литературы

Приложение А

Реферат

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Пикосекундный Nd:YAG лазер для лунного лазерного дальномера»

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования и степень ее проработки. Лазеры с пикосекундной длительностью импульсов, обладающие одновременно высокой пиковой и высокой средней мощностью, находят применение во многих областях науки и техники, таких как обработка материалов [1], нелинейная оптика [2], спектроскопия [3], физика лазерной плазмы [4]. Одно из важнейших применений лазеров с высокой выходной энергией импульса и короткой длительностью импульса - лунная лазерная дальнометрия [5]. В настоящее время данные, получаемые с действующих лунных лазерных дальномеров, используются в таких областях науки, как навигация, геодезия, геофизика, геодинамика, астрометрия, селенодезия.

В 1962 г. Николай Геннадиевич Басов предложил группе сотрудников Крымской научной станции Физического института имени П. Н. Лебедева (ФИАН) использовать рубиновый лазер для локации Луны [6]. Уже в следующем году на телескопе ЗТШ-2,6 была смонтирована лазерно-локационная аппаратура, с помощью которой были зарегистрированы отраженные Луной лазерные сигналы

[7]. Хронологически этот опыт был вторым, первый провели в США годом раньше Луи Смуллин и Джорджо Фиокко из Массачусетского технологического института

[8]. Указанные эксперименты положили начало новому направлению исследований - лазерной локации космических объектов. Хотя они несколько различались по технической реализации, в обоих использовались рубиновые лазеры в режиме свободной генерации с длительностью импульса порядка 1 -2 мс, что соответствовало ошибке в определении расстояния до Луны ~ 150-300 км, поэтому задача измерения расстояний не ставилась. Цель этих экспериментов заключалась в подтверждении практической возможности лазерной локации Луны.

Первые измерения расстояний до Луны, имевшие определенную практическую ценность, были выполнены в 1965 г. [9]. В них уже использовался лазер с длительностью импульса ~5*10-8 с (ошибка определения дальности 7,5 м).

Однако реальная ошибка в расстоянии определялась не параметрами аппаратуры, а неровностями рельефа Луны в пределах освещаемой площадки и ее наклоном по отношению к лучу лазера, и составляла примерно 200 м. Этот результат уже можно было использовать для оценки точности эфемерид Луны (точность в топоцентрическом расстоянии до поверхности Луны к тому времени была доведена до 3 км).

Первые оценки [6] показали, что лазерные измерения расстояний до Луны позволят существенно уточнить основные параметры системы Земля-Луна и значительно продвинуться в решении многих задач селенодезии, астрометрии, геофизики (стоит отметить, что геодезия и навигация на Земле осуществляются в зависимости от расположения центра тяжести, который находится в связанной системе Земля-Луна). Из оценок в [6] и [10] ясно, что необходимо измерять расстояние до Луны с высокой точностью. Преимущества лазерно-локационных измерений начинают проявляться при точности в несколько метров: основные параметры системы Земля-Луна определяются с точностью, которая на порядок и более превышает точность, достигаемую с использованием классических угломерных методов. Для получения таких результатов необходимо локализовать точки отражения на Луне, т. е. установить на ней малые мишени, эффективно отражающие свет в направлении наблюдателя. В 1969-1973 гг. на Луну были доставлены пять таких мишеней (уголковых светоотражателей): три американских - экспедициями «Аполлон-11», «Аполлон-14», «Аполлон-15», и две французских, установленных на советских аппаратах «Луноход-1» и «Луноход-2».

Необходимо отметить, что осуществление лазерно-локационных измерений расстояний до Луны с высокой точностью представляет собой сложную научно-техническую задачу. Уровень отраженного сигнала в точке приема при реально доступных параметрах лазерно-локационной аппаратуры составляет десятые доли фотона на один импульс лазера. Регистрация такого сигнала с точной (10-6 -10-7 с) привязкой к шкале всемирного времени при наличии паразитных засветок требует применения статистического накопления сигнала в сочетании с эффективным

спектральным и пространственно-временным селектированием принимаемого излучения.

Ключевой составной частью лунного лазерного дальномера, определяющей его характеристики, является источник импульсного лазерного излучения. Необходимыми требованиями, предъявляемыми к лазерному источнику, используемому в лунном лазерном дальномере, является короткая длительность импульсов <100 пс - для обеспечения точности измерения расстояния, а также высокая выходная энергия джоулевого или субджоулевого уровня - для обеспечения уверенного приема отраженного от поверхности Луны светового сигнала. Помимо высокой выходной энергии и короткой длительности импульса важным параметром является частота повторения импульсов. Повышение частоты повторения импульсов позволяет увеличить информационную емкость измерений в дальнометрии.

Создание такого источника лазерных импульсов является сложной научно-технической задачей. Основными проблемами, препятствующими увеличению выходной энергии импульса лазеров с пикосекундной длительностью импульсов, являются низкий порог пробоя оптических элементов, значение которого уменьшается пропорционально квадратному корню из длительности импульса [11], и эффект мелкомасштабной самофокусировки излучения, который приводит к повреждению активных элементов лазера, ухудшению качества выходного излучения и увеличению расходимости лазерного излучения. Оба этих эффекта вызваны высокой пиковой плотностью мощности излучения.

Таким образом, разработка лазеров с высокой выходной энергией импульса, пикосекундной длительностью и высокой частотой повторения импульсов в настоящее время является актуальной задачей.

Целью диссертационной работы является разработка пикосекундного Nd:YAG лазера, обладающего высокой импульсной и средней мощностью, для лунного лазерного дальномера.

Научные задачи:

1. Выбор основных технических решений: активная среда, источники и схема накачки, генератор второй гармоники (ГВГ);

2. Выбор оптической схемы задающего генератора, выбор оптической схемы основного усилителя;

3. Разработка мощного импульсно-периодического №:УЛО лазера с выходной энергией импульса 0,5 Дж, частотой повторения импульсов 200 Гц и длительностью импульса не более 100 пс;

4. Разработка технических решений, позволяющих уменьшить влияние известных проблем создания мощных лазеров с короткой длительностью импульсов: термически наведенное двулучепреломление; мелкомасштабная самофокусировка; низкая лучевая стойкость оптических покрытий при воздействии излучения с пикосекундной длительностью; необходимость компенсации нестационарной компоненты термически наведенной линзы;

5. Исследование характеристик лазера (энергия в импульсе, частота повторения импульсов, длительность импульса, расходимость излучения, длина волны излучения, спектральная ширина линии излучения, стабильность оси диаграммы направленности, эффективность преобразования во вторую гармонику).

Научная новизна. Показано, что в однокаскадной шестипроходовой лазерной схеме на одном активном элементе (АЭ) 015*140 мм возможно получение

энергии в импульсе субджоулевого уровня. Достигнутая выходная энергия импульса на длине волны излучения 1064 нм составляла 0,53 Дж со среднеквадратичным отклонением 1,5% на частоте повторения импульсов 200 Гц. Длительность импульса выходного излучения по полувысоте составляла 81±2 пс. Полученный результат с хорошей точностью совпадает с расчетным значением выходной энергии импульса.

В однокаскадной шестипроходовой лазерной схеме на активном элементе Nd:YAG 015*140 на длине волны излучения 1064 нм получены рекордные для класса компактных пикосекундных Nd:YAG лазеров с жидкостным охлаждением значения пиковой и средней мощности 6,7 ГВт и 106 Вт соответственно.

По результатам математического моделирования шестипроходовой лазерной схемы был предсказан эффект истощения инверсии населенности, вызванный пересечением пучков усиливаемого излучения вблизи оси АЭ. Эффект приводит к ~50% провалу интенсивности в центре поперечного распределения выходного излучения.

Показано, что в двухкаскадной двухпроходовой лазерной схеме, собранной на АЭ Nd:YAG 015x140 мм и Nd:YAG 010x140 мм, возможно получить в импульсе энергию субджоулевого уровня. Достигнутая выходная энергия импульса на длине волны излучения 1064 нм составляла 0,5 Дж со среднеквадратичным отклонением 1% на частоте повторения импульсов 200 Гц. Полученный результат с хорошей точностью совпадает с расчетным значением выходной энергии импульса. Длительность импульса выходного излучения по полувысоте составляла 71±2 пс.

В двухкаскадной двухпроходовой лазерной схеме на активных элементах Nd:YAG 015x140 мм и Nd:YAG 010x140 мм на длине волны излучения 532 нм получены рекордные для класса компактных пикосекундных Nd:YAG лазеров с жидкостным охлаждением значения пиковой и средней мощности 5 ГВт и 64 Вт соответственно. В схеме в качестве генератора второй гармоники использовался кристалл LBO 17x17x7 мм3. Максимальная эффективность преобразования во вторую гармонику составила 64%.

Проведено подробное сравнение двух лазерных схем выходного усилителя: однокаскадная шестипроходовая схема на активном элементе Nd:YAG 015x140 мм, двухкаскадная двухпроходовая схема на двух активных элементах Nd:YAG 015x140 мм и Nd:YAG 010x140 мм. Показано, что последняя из перечисленных схем обеспечивает требуемые для использования в лунном лазерном дальномере параметры лазера и является более устойчивой с точки зрения проблем лучевой стойкости оптических элементов и мелкомасштабной самофокусировки.

Для анализа кривизны и наклона волнового фронта в двухкаскадной двухпроходовой лазерной схеме была разработана и впервые применена

оптическая схема с анализатором на основе квадрантного фотодиода, расположенного в пятне наилучшей фокусировки астигматической линзы. Система технически проста, работа ее анализатора не зависит от длительности импульсов и спектральной структуры выходного излучения. Анализатор системы имеет чувствительность к изменению стрелки прогиба волнового фронта Ш00 при длине волны излучения 1064 нм. Компенсация кривизны осуществлялась с точностью не хуже Х/50 при длине волны излучения 1064 нм. Подобная система может использоваться почти во всех твердотельных лазерах на основе цилиндрических активных элементов.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Шестипроходовый усилитель на основе Nd:YAG позволяет на одном АЭ получить энергию выходного импульса субджоулевого уровня на длине волны выходного излучения 1064 нм при длительности импульса 81 пс, и частоте повторения импульсов 200 Гц. Расходимость выходного излучения по уровню 0,5 энергии импульса составляет 1,5*DL. Полученное значение энергии импульса 0,53 Дж соответствует рекордным для класса компактных пикосекундных №:УЛО лазеров с жидкостным охлаждением значениям пиковой и средней мощности 6,7 ГВт и 106 Вт соответственно. Пересечение пучков усиливаемого излучения вблизи оптической оси активного элемента вызывает эффект локального истощения инверсии населенности, что приводит к уменьшению интенсивности в центре поперечного распределения интенсивности выходного излучения.

2. Двухкаскадная двухпроходовая схема на активных элементах №:УЛО 010*140 мм и 015*140 мм обеспечивает технические характеристики лазера, требуемые для обеспечения точности лазерной локации ±5 мм. Энергия выходного импульса на длине волны излучения 1064 нм составляет 0,5 Дж, при длительности импульса излучения 71 пс и частоте повторения импульсов 200 Гц. Генерация второй гармоники позволяет получить на длине волны излучения 532 нм энергию импульса 0,32 Дж, что соответствует рекордным для класса компактных пикосекундных №:УЛО лазеров с жидкостным охлаждением значениям 5 ГВт

пиковой мощности и 64 Вт средней мощности. Расходимость выходного излучения с длиной волны 532 нм по уровню 0,5 энергии импульса составляет 1,9*DL.

3. Для анализа кривизны и наклона волнового фронта мощного лазерного излучения предложена оптическая схема на основе квадрантного фотодиода, расположенного в пятне наилучшей фокусировки астигматической линзы. Анализатор системы имеет чувствительность к изменению стрелки прогиба волнового фронта Ш00 при длине волны излучения 1064 нм и позволяет осуществлять компенсацию кривизны волнового фронта с точностью не хуже Х/50 при длине волны излучения 1064 нм.

Практическая значимость диссертации заключается в том, что полученные результаты были использованы для создания опытного образца мощного пикосекундного Nd:YAG лазера, который вошел в состав разрабатываемого АО «Научно-производственная корпорация «Системы прецизионного приборостроения» (АО «НПК «СПП») лунного лазерного дальномера в качестве источника зондирующего лазерного сигнала. Разработанный лазер может использоваться в различных областях науки и техники, таких как обработка материалов, нелинейная оптика, спектроскопия, физика лазерной плазмы.

Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием современных методов численного моделирования и экспериментальных исследований, которые всесторонне апробированы и широко используются. Математическое моделирование и обработка экспериментальных данных осуществлялись при помощи известных пакетов прикладных программ MathCad, OriginPRO, MATLAB и Wolfram Mathematica.

Внедрение результатов работы. Результаты диссертационного исследования обладают актуальностью, представляют практический интерес и внедрены в научную и производственную деятельность АО «НПК «СПП». Опытному образцу пикосекундного Nd:YAG лазера, разработанного по результатам диссертационного исследования, присвоен децимальный номер СНАБ.433712.009 и заводской номер 001.17ЛФ. В августе 2018 г опытный образец прошёл предварительные испытания и вошел в состав разрабатываемого АО «НПК «СПП» лунного лазерного дальномера в качестве источника

зондирующего лазерного сигнала. Также результаты диссертационного исследования внедрены в научную и производственную деятельность на предприятии ООО «Лазеры и оптические системы».

Апробация результатов работы. Результаты были представлены в виде устных и стендовых докладов на следующих конференциях и выставках, в т.ч. международных:

- XVI международная научная конференция "Laser Optics 2014";

- XVII международная научная конференция "Laser Optics 2016";

- 12-я международная специализированная выставка лазерной, оптической и оптоэлектронной техники "ФОТОНИКА. МИР ЛАЗЕРОВ И ОПТИКИ-2017";

- Седьмая Всероссийская конференция «Фундаментальное и прикладное координатно-временное и навигационное обеспечение» (КВНО-2017);

- VI Всероссийский конгресс молодых ученых (КМУ-2017);

- XVIII международная научная конференция "Laser Optics 2018";

- Восьмая Всероссийская конференция «Фундаментальное и прикладное координатно-временное и навигационное обеспечение» (КВНО-2019);

- VIII Всероссийский конгресс молодых ученых (КМУ-2019);

- 2019 Conference on Lasers & Electro-Optics / Europe and European Quantum Electronics Conference (CLEO® / Europe-EQEC).

Публикации. Основные научные результаты диссертации опубликованы в 11 публикациях, из них 4 публикаций в изданиях, рецензируемых Web of Science или Scopus, 2 публикация в журналах из перечня ВАК.

Личный вклад автора. Цель и задачи работы были сформулированы автором диссертации совместно с научным руководителем. Задачи, поставленные в рамках диссертационного исследования, были решены лично автором либо при его решающем участии. Выбор технических решений, направленных на достижение требуемых параметров лазера, проводился автором лично или при его непосредственном участии. Приведенные в тексте диссертации расчеты параметров лазера, а также подтверждающие их экспериментальные результаты получены автором лично. Анализ результатов и

формирование выводов проводились автором лично. Содержание диссертации и основные положения, выносимые на защиту, отражают личный вклад автора. Подготовка публикаций по результатам работы проводилась совместно с соавторами, причем вклад автора диссертации был определяющим.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения. Основной текст работы изложен на 175 страницах, содержит 79 рисунков, 14 таблиц. Список использованной литературы включает 192 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность диссертационной работы. В первой главе рассмотрены основные проблемы лунной лазерной дальнометрии, проведен обзор источников лазерного излучения в действующих лунных лазерных дальномерах. Показано, что для современных лунных лазерных дальномеров необходим мощный двухдлинноволновый лазерный источник пикосекундных импульсов с субджоулевым уровнем выходной энергии импульса работающий на частоте повторения импульсов порядка сотен герц.

Проведен аналитический обзор современных источников лазерных импульсов с пикосекундной длительностью импульсов, а также рассмотрены варианты построения мощного выходного усилителя. В первой главе также рассмотрены различные схемы компенсации нестационарных искажений волнового фронта, вызванных изменениями термических искажений в активной среде лазера. Показано, что для решения задач лунной лазерной дальнометрии необходим источник лазерных пикосекундных импульсов, построенный по схеме «пикосекундный Nd:YVO4 микрочип лазер + регенеративный усилитель (РУ) на кристаллах Nd:YAG + мощный выходной усилитель на кристаллах Nd:YAG + генератор второй гармоники LBO».

( \ Регенеративный усилитель 5 мДж Выходной усилитель мощности 0,5 Дж Генератор второй гармоники 0,25 Дж

-^^—> -> 1064 нм -> 1064 нм -► 532 нм

Рисунок 1 - Принципиальная схема мощного пикосекундного лазера для лунного лазерного дальномера

Для компенсации нестационарной компоненты термически наведенной линзы в схеме лазера предложено использовать адаптивную оптическую систему с анализатором на основе квадрантного фотодиода и астигматической оптической системы.

Во второй главе описана оптическая схема задающего генератора (ЗГ) лазера, и приведены его выходные характеристики. ЗГ построен по схеме усиления излучения микрочип-лазера с пассивным затвором в РУ. Сидинговый источник пикосекундных импульсов основан на микрочип лазере компании BATOP GmbH включающем в себя Nd:YVO4 активный элемент, пассивный затвор и зеркала резонатора.

На рисунке 2 приведена принципиальная оптическая схема сидингового источника пикосекундных импульсов задающего генератора. Импульсное излучение диодного лазера с длиной волны 808 нм (1) фокусируется линзой (2) в микрочип-лазер (6), который генерирует спектрально-ограниченные импульсы на длине волны излучения 1064 нм с длительностью 90 пс и энергией импульса 100 нДж. Пластина (3) служит для защиты диода накачки от излучения микрочип-лазера. Затем излучение при помощи двухлинзовой телескопической системы (7, 9) вводится в волоконно-оптическую линию задержки (10) (ВОЛЗ). Пластины (5, 8) используются для юстировки ввода излучения в ВОЛЗ.

Рисунок 2 - Принципиальная оптическая схема сидингового источника пикосекундных импульсов: 1 - волоконный ввод накачки;2 - формирующая линза; 3 - защитная пластина AR@808, HR@1064; 5, 8 - юстировочная пластина; 6 - микрочип-лазер с пассивной модуляцией добротности; 7, 9 - телескопическая система для ввода излучения в волокно; 10 - волоконный ввод линии оптической

задержки

На рисунке 3 приведена принципиальная оптическая схема задающего генератора, где 1 - рассмотренный выше источник пикосекундных импульсов. ВОЛЗ (2) сделана на основе одномодового оптического волокна с сохранением поляризации излучения. ВОЛЗ используется для оптического запуска драйвера ячейки Поккельса (19) и для задержки оптического импульса.

Рисунок 3 - Принципиальная оптическая схема задающего генератора: 1 -микрочип лазер; 2 - волоконно-оптическая линия задержки; 3 - согласующая линза; 4 - изолятор Фарадея; 5, 7, 9, 10 - глухое зеркало 45°; 6 - поляризатор; 8, 11 - призма Дове; 12, 13 - активный элемент Nd:YAG; 14, 16 - дихроичное зеркало 45° AR@808, ИЯ@1064; 15 - кварцевый вращатель 90°; 17, 18 -двухлинзовая система накачки; 19, 20 - ячейка Поккельса (затвор и селектор

импульсов)

Пучок излучения микрочип-лазера после ВОЛЗ совмещен с основной модой (ТЕМ00) резонатора регенеративного усилителя с помощью положительной линзы (3). Излучение вводится в резонатор регенеративного усилителя через изолятор Фарадея (4). Резонатор регенеративного усилителя представляет собой шести-

зеркальную схему (7, 9, 10, 14, 16) с поляризационным выводом (6). Две ортогональные призмы Дове (8, 11), установленные в резонаторе, обеспечивают низкую чувствительность к угловым разъюстировкам.

Два активных элемента Кё:УЛО (12, 13) продольно накачиваются двумя диодными модулями с длиной волны излучения 808 нм (17, 18). Для компенсации термически наведенного двулучепреломления используется 90° кварцевый вращатель, установленный между активными элементами задающего генератора. Собственные ортогональные компоненты поляризации излучения, проходящего через первый термически деформированный активный элемент, меняются местами. При этом фазовый сдвиг, накопившийся после первого прохода усилителя, компенсируется во втором активном элементе.

Остаточная деполяризация излучения и пропускание выходного поляризатора приводят к появлению предымпульсов на выходе задающего генератора. Чтобы избавиться от этих предымпульсов используется селектор импульсов. Когда импульс сидингового лазера попадает в резонатор РУ, на электрооптический модулятор добротности подается полуволновое напряжение, и резонатор переключается в состояние, соответствующее минимальным потерям.

По мере увеличения количества обходов резонатора РУ энергия импульса растет. Когда энергия импульса достигает максимума, излучение выводится из резонатора с помощью электрооптического модулятора добротности. Особенностью регенеративного усиления является то, что форма выходного импульса и длина волны излучения полностью определяются импульсом генератора пикосекундных импульсов. При точности поддержания температуры микрочип лазера ±0,1°С стабильность длины волны излучения составляет не хуже ±10-3 нм. Габариты лазерного излучателя ЗГ составляют (Ш*В*Г) 150*80*600 мм3.

Максимальная энергия импульса ЗГ составляет 5,3 мДж (СКО 0,2%) на длине волны излучения 1064 нм при мощности накачки 100 Вт. Импульс имеет стабильную колоколообразную форму. Длительность импульса генерации составляет 90 пс, среднеквадратичное отклонение длительности не превышает 1,5%.

Также во второй главе приведено описание разработанной для выходного усилителя системы накачки активных элементов Nd:YAG. Требуемая длина волны излучения ~ 1 мкм и энергетические параметры лазера делают практически безальтернативным использование активной среды Nd:YAG с накачкой полупроводниковыми матрицами лазерных диодов [12]. Для решения задачи построения лазера с требуемыми параметрами целесообразно использовать активный элемент Nd:YAG 015 мм.

В результате расчетов и анализа различных схем реализации диодной накачки в лазере была предложена конструкция квантронов с поперечной диодной накачкой тремя полупроводниковыми матрицами лазерных диодов с максимальной суммарной импульсной мощностью до 18 кВт. Схема конструкции показана на рисунке 4. Матрицы лазерных диодов расположены вдоль оптической оси активного элемента.

Рисунок 4 - Схема конструкции полупроводниковой системы накачки с тремя

полупроводниковыми матрицами

Активный элемент располагается внутри отражателя, на поверхность которого нанесено диффузное отражающее покрытие (ДОП) с коэффициентом отражения до 99%. Высокая отражательная способность ДОП обеспечивала высокую эффективность накачки и низкую зависимость эффективности накачки от концентрации ионов №3+. Это дает возможность использования АЭ Nd:YAG с относительно низкими концентрациями ионов №3+, что позволяет уменьшить тепловые аберрации в АЭ.

Отражатель имеет щелевые просветленные каналы для ввода излучения накачки. Для подавления усиленной спонтанной люминесценции с длиной волны излучения 1064 нм в отражателе используется самариевая трубка. Активный элемент и модули матриц лазерных диодов охлаждаются дистиллированной водой с биоцидом, температура которой может перестраиваться в интервале 20-40°С для согласования длины волны излучения накачки с полосой поглощения Nd:YAG. Внешний вид используемого квантрона представлен на рисунке 5.

Рисунок 5 - Внешний вид квантрона

Расчет среднего арифметического оптической силы термически наведенных в АЭ квантронов линз для ортогональных поляризаций (х, у) проводился по следующей формуле [13]:

°У-Х = 2 пкЯ* , (1)

где Оу,х [дптр] - оптическая сила термически наведенной линзы, Рреак [Вт] -пиковая мощность матриц лазерных диодов, V [Гц] - частота повторения импульсов накачки, т [с] - длительность импульса накачки, - коэффициент, учитывающий стоксовы потери, Ьге/- коэффициент, учитывающий потери в отражателе, Р [К-1] -термооптическая постоянная материала, характеризующая усредненную по двум направлениям поляризацию, Q [К-1] - анизотропия термооптических искажений,

характеризующая разницу оптических сил термически наведенных линз для ортогональных поляризаций, к [Вт/см*Щ - теплопроводность материала АЭ, Я [м] - радиус АЭ.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Балмашнов Роман Владимирович, 2019 год

Литература

1. Grechukhin I. A., Grishin E. A., Ivlev O. A., Kornev A. F., Mak A. A., Sadovnikov M. A., Shargorodskiy V. D. Russian Lunar Laser Locator with Millimeter Accuracy // International Conference Laser Optics, 2016. — P. R63.

2. Bagnoud V., Luce J., Videau L., Rouyer C. Diode-pumped regenerative amplifier delivering 100-mJ single-mode laser pulses // Optics Letters. — Washington, D.C.: OSA Publishing, 2001 — Vol. 26, Issue 6. — P. 337-339.

3. McDonagh L., Wallenstein R., Nebel A. 111W, 110 MHz repetition-rate, passively mode-locked TEM00 Nd:YVO4 master oscillator power amplifier pumped at 888 nm» // Optics Letters. — Washington, D.C.: OSA Publishing, 2007 — Vol. 32, Issue 10. — P. 1259-1261.

4. Peng Runwu, Guo Lin, Zhang Xiaofu, Li Fangqin, Cui Qianjin, Bo Yong, Peng Qinjun, Cui Dafu, Xu Zuyan. Picosecond laser amplification system with 93 W high average power // Optics Communications. — Amsterdam: Elsevier, 2008. — Vol. 281, Issue 10. — P. 2879-2882.

5. Nawata K., Okida M., Furuki K., Miyamoto K., and Omatsu T. Sub-100 W picosecond output from a phase-conjugate Nd:YVO4 bounce amplifier, Optics Express. — 2009. — Vol. 17, Issue 23 — P. 20816-20823.

6. Xu Liu, Zhang Hengli, Mao Yefei, Yan Ying, Fan Zhongwei, Xin Jianguo. High-average-power and high-beam-quality Innoslab picosecond laser amplifier // Applied Optics. — Washington, D.C.: OSA Publishing, 2012. — Vol. 51, Issue 27. — P. 6669-6672.

7. Turi L., Juhasz T. High-power longitudinally end-diode- pumped Nd:YLF regenerative amplifier // Optics Letters. — Washington, D.C.: OSA Publishing, 1995 — Vol. 20, Issue 2. — P. 154-156.

8. Balmashnov R. V., Katsev Y. V., Kornev A. F., Kuchma I. G., Oborotov D. O. 100 ps 360 mJ 200 Hz Nd:YAG laser for the lunar laser ranging // International Conference Laser Optics, LO 2016. — 2016. — P. R64.

9. Мезенов А. В. Термооптика твердотельных лазеров / А. В. Мезенов, Л. Н. Сомс, А. И. Степанов. — Ленинград: Машиностроение, 1986. — 197 с.

A Laser Source of Picosecond Pulses for High Precision Ranging and Positioning

A. F. Kornev, A. S. Davtian, R. V. Balmashnov, Y. V. Katsev, V. P. Pokrovskiy, A. S. Kovyarov

A powerful laser source of radiation with sub-ns pulse duration is required to solve problems of measuring spacecraft orbit parameters and finding exact distances to natural and artificial satellites. The paper presents the Nd:YAG laser which is developed to meet the specified requirements. A "master oscillator and power amplifier" scheme has been used for this laser. The microchip laser with the regenerative amplifier act as a master oscillator with the 5 mJ output pulsed radiation. The repetition rate is about 1000 Hz. Our master oscillator can be used when it is necessary to meet the satellite laser ranging requirements. We obtain 2.5 mJ pulses at the 532 nm wavelength with 50 % conversion efficiency. Lunar ranging requires much more of pulse energy, therefore the two-pass Nd:YAG power amplifier is set. Its output laser energy is 0.4 J with 100 ps pulse duration at the 1064 nm wavelength and 0.3 J with 90 ps pulse duration at the 532 nm wavelength.

Keywords: Nd:YAG laser, microchip laser, regenerative amplifier, second harmonic generation, p ositioning of the Moon, power amplifier.

Труды Института прикладной астрономии РАН, вып. 49,2019

Мощный двухчастотный пикосекундный лазер для высокоточной спутниковой лазерной дальнометрии

© А. Ф. Корнев1, Р. В. Балмашнов2, В. В. Коваль2, И. Г. Кучма1, А. С. Давтян1

ЮОО «Лазеры и оптические системы», г. Санкт-Петербург, Россия 2СПбНИУ ИТМО, г. Санкт-Петербург, Россия

Задачи прецизионной дальнометрии в астрономии требуют повышения емкости сеансов измерений и уровня точности лунных лазерных дальномеров до значения -1 мм. Для решения этих задач необходимы современные лазерные средства, обладающие короткой длительностью импульса, высокой частотой повторения и энергией в импульсе субджо-улевого диапазона и выше. Использование в спутниковой дальнометрии двухчастотных лазерных систем позволяет учитывать влияние атмосферы Земли на время распространения света до цели. Короткая длительность импульсов в лазерах такого типа приводит к необходимости решения проблем, связанных с лучевой стойкостью оптических покрытий и эффектом мелкомасштабной самофокусировки. Также в лазерах с длительностью импульсов менее 1 не невозможно использование зеркал на основе вынужденного рассеяния Манделынтама-Бриллюэна для компенсации термически наведенных искажений волнового фронта.

В настоящей работе представлены результаты разработки компактного двухчастотного лазера (1064 нм и 532 нм) с высокой стабильностью формы выходных импульсов. Лазер генерирует импульсы с энергией 0.5 Дж и длительностью 71 пс на длине волны 1064 нм и 0.3 Дж и 63 пс — на длине волны 532 нм соответственно. Частота повторения импульсов 200 Гц.

Ключевые слова: Ш:УАО лазер, твердотельный лазер, микрочип-лазер, регенеративный усилитель, удвоение частоты, локация Луны.

Ь«рв :/Лки.опз/10.32876/Арр1А51гоп.49.43-51

Введение

В настоящее время лунные лазерные дальномеры используются для решения задач, связанных с фундаментальными исследованиями гравитации, повышением точности определения координат пользователя в навигационных системах, а также для получения детальных изображений и определения параметров космических аппаратов и космического мусора [1]. Использование лазерных излучателей с длительностью импульсов в десятки пикосекунд и высокой как средней, так и пиковой мощностью выходного излучения позволит повысить точность определения дальности до космических объектов до значений порядка ~1 мм [2] и увеличить информационную емкость этих измерений. Использование для измерений длины волны, лежащей в видимой

зеленой области спектра (532 нм — для второй гармоники Ш:УАС лазеров), позволит уменьшить потери на поглощение излучения в атмосфере при измерении дальности [3]. Использование длины волны инфракрасного диапазона (1064 нм — для основной гармоники Ш:УАС лазеров) хоть и не оптимально с точки зрения потерь на поглощение в атмосфере, но является перспективным с точки зрения проведения измерений в дневное время и в полнолуние [4]. В перспективе при измерении дальности вариант одновременного использования двух длин волн [5,6], после уточнения модели измерений [7,8], дает учет влияния атмосферных искажений.

Статья посвящена разработке, сделанной в НИЦ «Лазерная физика» СПбНИУ ИТМО, — лазеру, который в дальнейшем будет использован в лазерном дальномере Алтайского оптико-лазерного центра. Лазер отличается от аналогов [9-14] короткой длительностью импульса — 71 пс и 63 пс — и более высокой энергией — 0.5 Дж и 0.3 Дж — на двух длинах волн — 1064 нм и 532 нм — соответственно. Частота следования (200 Гц) на порядок выше по сравнению с аналогами. В качестве генератора второй гармоники в системе использовался кристалл ЬВО 17x17x7 мм3, максимальная эффективность преобразования во вторую гармонику составила 64 %.

Лазер построен по схеме усиления излучения задающего генератора в двухпроходовом двухкаскадном усилителе мощности.

Задающий генератор

Задающий генератор (ЗГ) построен по схеме усиления излучения микро-чип-лазера в регенеративном усилителе (РУ).

Применение микрочип-лазеров с пассивной модуляцией добротности на основе полупроводникового насыщающегося поглотителя является одним из способов получения импульсов пикосекундного диапазона. Короткая длительность импульсов при этом обеспечивается малой длиной резонатора, обычно не превышающей ~1 мм, и быстродействующим модулятором добротности, что в совокупности позволяет осуществить генерацию пикосекундных импульсов в одночастотном режиме в широком диапазоне частот следования импульсов (до ~1 МГц). Значительным преимуществом использования микро-чип-лазеров является высокая стабильность формы импульса, что является необходимым условием для прецизионной космической дальнометрии в режиме счета фотонов.

Для усиления импульсов микрочип-лазера с энергией ~10"9 Дж использовался РУ, принцип работы которого основан на усилении захваченного в лазерном резонаторе импульса, который остается там до тех пор, пока не извлечет большую часть энергии, накопленной в усиливающей среде. Захват и сброс импульсов осуществляется с помощью поляризатора и ячейки Поккельса, которая действует как полуволновая фазовая пластинка.

На рис. 1а приведена принципиальная оптическая схема ЗГ.

Микрочип-лазер 100 нДж; 90 пс; 1064 нм

Волоконная линия оптической задержки изолятор Фарад ея

Выход:

Селектор 5 мДж; 80 пс;

у 1064 нм; 200 Гц = 1.2

808 нм; 100 Вт; 300

100 пс I-1

t FWHW = 90ПС

б)

Рис. 1. а — принципиальная оптическая схема задающего генератора; б — осциллограмма выходного импульса регенеративного усилителя в режиме накопления (104 импульсов)

Излучение микрочип-лазера вводится в волоконную линию оптической задержки, представляющую собой одномодовое оптическое волокно с сохранением поляризации. Линия задержки с разветвителем используется для формирования оптического запуска драйвера ячейки Поккельса и задержки импульса микрочип-лазера на время срабатывания высоковольтного драйвера ячейки Поккельса.

Пучок микрочип-лазера после прохождения волоконной линии оптической задержки совмещен с основной модой (ТЕМ00) резонатора регенеративного усилителя с помощью однолинзовой формирующей оптической системы. Излучение вводится в резонатор регенеративного усилителя через изолятор Фарадея. Резонатор регенеративного усилителя представляет собой шести-зеркальную схему с поляризационным выводом. Две ортогональные призмы Дове, установленные в резонаторе, обеспечивают низкую чувствительность к угловым разъюстировкам.

В регенеративном усилителе реализована торцевая накачка двух активных элементов Nd:YAG с использованием лазерных диодных модулей с длиной волны 808 нм с волоконным выводом излучения. Прокачанная зона формируется при помощи двухлинзовой телескопической системы. Суммарная импульсная мощность накачки составляет 100 Вт. Кварцевый вращатель, установленный между активными элементами, используется для пассивной компенсации термически наведенного двулучепреломления в активных элементах. Остаточное двулучепреломление и остаточное пропускание выходно-

го поляризатора приводят к наличию предымпульсов на выходе задающего генератора. Чтобы от них избавиться используется электрооптический селектор импульсов на выходе ЗГ.

Энергия импульса ЗГ составляет 5 мДж (среднеквадратическое отклонение — 0.2 %). Качество выходного излучения ЗГ М2 = 1.2. Длительность импульса на выходе регенеративного усилителя составляет 80 пс. Форма импульса, полученная с использованием фотодиода Picometrix D-30 с полосой пропускания 15 ГГц и осциллографа Agilent DS081204B с полосой пропускания 12 ГГц, приведена на рисунке 16.

Выходной усилитель

Принципиальная оптическая схема выходного усилителя приведена на рис. 2. Выходной усилитель мощности лазерной системы представляет собой двухкаскадный двухпроходовый усилитель на активных элементах Ш:УАО 0 10 х 140 мм и 0 15 х 140 мм. Каждый активный элемент выходного усилителя накачивается тремя лазерными диодными матрицами с общей пиковой мощностью 19.5 кВт. Частота повторения импульсов накачки составляет 200 Гц при длительности импульса накачки 230 мкс.

Микрочип лазер + РУ S мДж; 90 пс; 200 Гц

Изолятор

Зеркало

180 мДж X 1064 нм + 320 мДж X 532 нм (макс. ГВГ) Выход: 500 мДж X1064 нм (без LBO)

45° вращатель Nd: YAG Nd: YAG

Зеркало Фарадея Ретранслятор 010x140 мм Ретранслятор 015x140 мм Поляризатор jj

Зеркало

Рис. 2. Принципиальная оптическая схема выходного усилителя

Излучение задающего генератора проходит формирующую оптическую систему, которая используется для телескопирования и коллимации пучка ЗГ, а также для совмещения центральной части Гауссова пучка ЗГ с апертурой выходного усилителя и обеспечения близкого к П-образному распределению усиливаемого излучения. Коллимированный пучок проходит через поляризатор и систему зеркал и направляется в двухпроходовый двухкаскадный выходной усилитель.

Одной из проблем, возникающих при разработке мощных твердотельных лазеров, является термически наведенное двулучепреломление [15]. Для компенсации термически наведенного двулучепреломления между каскадами усиления установлен 90°-градусный кварцевый вращатель. После активных элементов излучение проходит через 45"-градусный вращатель Фарадея, который также участвует в компенсации термически наведенного двулучепреломления и обеспечивает вывод излучения из усилителя. После первого прохода усилителя излучение отражается от глухого зеркала и второй раз проходит через активные элементы. На выход усилителя мощности излучение попадает

с плоскостью поляризации, повернутой на 90° относительно плоскости поляризации входного излучения ЗГ, что приводит к отражению усиленного излучения от поляризатора и его выводу из усилителя. Для защиты ЗГ от остаточной деполяризованной компоненты излучения используется изолятор Фарадея.

Высокая плотность энергии (более 1 Дж/см2) излучения с пикосекундной длительностью может приводить к повреждению оптических элементов лазера. Чтобы уменьшить вероятность повреждения оптики и возникновения мелкомасштабной самофокусировки лазерного излучения, выходная энергия была ограничена значением 500 мДж.

Выходное излучение усилителя проходит четвертьволновую пластину, установленную перед генератором второй гармоники (ГВГ) для получения круговой поляризации. В качестве ГВГ использовался кристалл ЬВО (габариты 17 х 17 х 7 мм3, ориентация: в = 20.9°, ср = 90°) со II типом фазового синхронизма. Выбор кристалла ЬВО обусловлен его высокой лучевой стойкостью и относительно высокой нелинейностью. В ГВГ происходит преобразование излучения 1064 нм с круговой поляризацией в излучение 532 нм с линейной поляризацией.

Для компенсации нестационарных искажений радиуса кривизны волнового фронта в схеме лазера используется адаптивный компенсатор термически наведенной линзы с анализатором на основе квадрантного фотодиода и астигматической линзы [16]. Исполнительным элементом компенсатора являются моторизированная линейная подвижка, на которую установлена линза одного из ретрансляторов. Чувствительность анализатора к изменению сферичности волнового фронта составляет VI00 [17].

Экспериментальные результаты

Получены значения слабосигнального усиления 12.4 и 3.8 на проход в активных элементах 0 10 * 140 мм и 0 15 * 140 мм, соответственно, при энергии импульсов накачки 4.5 Дж и их длительности 230 мкс. Технические решения,

600

0 0.2 0.4 0.6 0 200 400

Евх.мДж я) Евых (1064 нм), мДж б)

Рис. 3. а — зависимость выходной энергии излучения Евых с длиной волны 1064 нм от энергии входного сигнала Евх, б — зависимость эффективности преобразования во вторую гармонику от падающей на кристалл энергии излучения с длиной волны 1064 нм

примененные при разработке рассмотренного лазера, позволяют получить выходную энергию лазерного излучения ~ 1 Дж в импульсе. Однако для обеспечения надежности и увеличения срока службы лазера, выходная энергия искусственно ограничена значением 500 мДж. Выходная энергия 500 мДж со среднеквадратичным отклонением 0.9 % на частоте следования импульсов 200 Гц была получена при уровне входного сигнала 0.6 мДж. Зависимость выходной энергии лазера от энергии входного сигнала показана на рис. 3.

Фокусные расстояния термически наведенных линз при максимальной накачке были равны 1.3 м и 2.9 м в активных элементах 0 10 * 140 мм и 0 15 * 140 мм соответственно. Компенсация двулучепреломления обеспечила значение энергии деполяризованной компоненты не более 2 % от общей выходной энергии.

Поперечное распределение интенсивности пучка в ближней зоне близко к П-образному (рис. 4а). Расходимость выходного излучения на длине волны 1064 нм составляет 0.13 мрад, что соответствует расходимости менее 1.5 дифракционного предела для выходного пучка 0 15 мм. Распределение интенсивности пучка в дальней зоне приведено на рис. 46.

-7 0

х(тт)

100% 90%

ц 80%

8 70% л 60% | 50% | 40% « 30% |

I 55 20%

В 10%

-4-2 0 2 4

х (тт) 6)

Рис. 4. Поперечное распределение интенсивности пучка: а — в ближней зоне; б — в дальней зоне, где х, у — ортогональные координаты в плоскости, перпендикулярной оси лазерного пучка, ось х — горизонтальная

Максимальная эффективность генерации второй гармоники составила 64 % (рис. 36), при этом энергия излучения на длине волны 532 нм составила 318 мДж. При работе лазера в двухчастотном режиме доля излучения второй гармоники регулировалась в пределах от 5 % до 64 % от общей мощности путем изменения температуры кристалла ГВГ (рис. 5).

к

иГ

е

§ 40

а

I

-е

£ л

20

64

>1 з

20

25 30 35

Температура ЬВО, °С

Рис. 5. Зависимость эффективности преобразования во вторую гармонику от температуры кристалла ЬВО

Габаритные размеры лазерного излучателя составляют 1100 * 600 ><215 Внешний вид излучателя приведен на рис. 6.

Рис. 6. Внешний вид излучателя

Заключение

Разработанный мощный пикосекундный лазер обладает высокой стабильностью формы импульса, высокой выходной энергией и высокой частотой следования импульсов. Выходная энергия лазера была искусственно ограничена на уровне 500 мДж для достижения высокого уровня надежности. Длительность импульса излучения на длине волны 1064 нм составила 71 пс, частота следования импульсов была равна 200 Гц. На длине волны 532 нм максимальная энергия импульсов составила 318 мДж при эффективности преобразования излучения во вторую гармонику 64 %, при этом длительность импульса излучения на длине волны 532 нм составила 63 пс. Среднеквадратическое отклонение выходной энергии — 0.9 % и 1.5 % для излучения с длиной волны 1064 нм и 532 нм соответственно. Расходимость выходного излучения на длине волны 1064 нм составлила 0.13 мрад, что соответствует расходимости менее 1.5 дифракционного предела.

При работе лазера в двухчастотном режиме соотношение энергий излучения с длинами волн 1064 нм и 532 нм регулировалась изменением температуры кристалла ГВГ.

Разработанный двухчастотный лазер может использоваться для решения задач, связанных с фундаментальными исследованиями гравитации, повышением точности определения координат пользователя в навигационных системах, а также для получения детальных изображений и определения параметров космических аппаратов и космического мусора.

Литература

1. Гришин Е. А., Шаргородский В. Д. Методы и средства для получения оптических изображений космических объектов с Земли//Приборы и техника эксперимента. — М.: Наука, 1999. - №. 1. - С. 127.

2. Grechukhin I. A., Grishin Е. A., Ivlev О. A., Komev A. F., Мак A. A., Sadovnikov М. А., Shargorodskiy V. D. Russian lunar laser locator with millimeter accuracy I I 2016 International Conference Laser Optics, LO 2016. — IEEE, 2016. — P. R63.

3.Толмачева H. И., Шкляева Л. С. Космические методы экологического мониторинга. — Учебное пособие. — Пермь: Перм. унт, 2006. — 296 с.

4. Gourde С., Torref.M.,SamainE.,Martinot-LagardeG.,AimarM.,AlbaneseD.,ExertierP., Fienga A., Mariey Н., Metris G., Viot H., Viswanathan V. Lunar laser ranging in infrared at the Grasse laser station //Astronomy & Astrophysics. — 2017. — Vol. 602. — P. A90.

5. Prilepin M. T. Light-modulating method for determining the average index of refraction of air along a line I I Trans., Institute of Geodesy, Aeronomy and Cartography. — URSS, 1957. - no. 114. - P. 127-130.

6. Bender P. L., Owens J. C. Correction of optical distance measurements for the fluctuating atmospheric index of refraction // Journal of geophysical research. — 1965. — Vol. 70, no. 10.-P. 2461-2462.

7. Abshire J. В., Gardner C. S. Atmospheric refractivity corrections in satellite laser ranging// IEEE Transactions on geoscience and remote sensing. —1985. — Vol. GE-23, no. 4. — P. 414-425.

8. Wilkinson M., Schreiber U., Prochazka I., Moore C., Degnan J., Kirchner G., ZhongpingZ., Dunn P., Shargorodskiy V., Sadovnikov M., Courde C., KunimoriH. The next generation of satellite laser ranging systems // Journal of Geodesy. — 2018. — P. 1-21.

9.Buzelis R., Kosenko J., Murauskas E. Q-switched SBS-compressed Nd: YAG laser for satellite ranging// 11th International Workshop on Laser Ranging. — 1998. — P. 1-6.

10. Murphy Jr.T. W., Strasburg J. D., Stubbs C. W., Adelberger E. G., Angle J. The Apache Point Observatory Lunar Laser-Ranging Operation (APOLLO) I I Proceedings of 12th International Workshop on Laser Ranging, Matera, Italy. — 2000. — P. 1-10.

11. Murphy Jr. T. W., Adelberger E. G., Battat J. B. R., Carey L. N., Hoyle C. D., LeBlanc P., Michelsen E. L., Nordtvedt K., Orin A E., Strasburg J. D., Stubbs C. W., Swanson H. E., Williams E. The Apache point observatory lunar laser-ranging operation: instrument description and first detections I I Publications of the Astronomical Society of the Pacific. — 2008. — Vol. 120, no. 863. - P. 20.

12. Courde C.j Torre J. M, Samain E., Martinot-Lagarde G., Aimar M., Albanese D., Exertier P., FiengaA, MarieyH., Metris G., ViotH., Viswanathan V. Lunar laser ranging in infrared at the Grasse laser station // Astronomy & Astrophysics. — 2017. — Vol. 602. — P. A90.

13. Noom D. W. E., Witte S., Morgenweg J., Altmann R. K., Eikema K. S. E. High-energy, high-repetition-rate picosecond pulses from a quasi-CW diode-pumped Nd: YAG system // Optics letters. - 2013. - Vol. 38, no. 16. - P. 3021-3023.

14. Su K, Peng Y., Chen J., Li Y., Wang P., Leng Y. A High-Energy, 100 Hz, Picosecond Laser for OPCPAPumping// Applied Sciences. — 2017. — Vol. 7, no. 10. — P. 997.

15. Мезенов А В., Соме JI. К, Степанов А. И. Термооптика твердотельных лазеров. — Л.: Машиностроение, 1986. — 197 с.

16. Balmashnov R. V., Kornev A. F., Kuchma I. G. Adaptive compensator of thermally induced lens with analyzer based on quadrant photodiode // 2018 International Conference Laser Optics (ICLO). - IEEE, 2018. - P. 189-189.

17. Kornev A F., Balmashnov R. V., Kuchma I. G., Davtian A S., Oborotov D. O. 0.43 J/100 ps Nd:YAG laser with adaptive compensation of thermally induced lens // Optics letters. - 2018. - Vol. 43, no. 18. - C. 4394-4397.

High-Energy Two-Colour Picosecond Laser for Precision Satellite Laser Ranging

A. F. Kornev, R. V. Balmashnov, V. V. Koval, I. G. Kuchma, A. S. Davtian

The tasks of lunar laser ranging in astronomy require an increased capacity of observation sessions and about 1 mm measurement accuracy. These improvements imply the necessity to use modern laser sources with short pulse duration, high pulse repetition rate and the sub-joule (or higher) output pulse energy range. Using two-colour laser systems in the satellite ranging makes it possible to take into ac-count the influence of the Earth's atmosphere on the time of light propagation to the aim. The short pulse duration in the lasers of this type causes the necessity of solving tasks associated with the low level damage threshold of optical coatings and the effect of small-scale self-focusing. Also, it is impossible to use the SBS-mirrors to compensate for thermally induced distortions of the wavefront in the lasers with less than 1 ns pulse duration. This paper presents the development report about the compact two-colour (1064 nm and 532 nm) laser with a very stable output pulse shape. The laser generates pulses with the energy of 0.5 I and pulse duration of 71 ps at the 1064 nm wavelength. The 0.3 J and 63 ps pulses are generated at the 532 nm wavelength respectively. The pulse repetition rate of the laser is 200 Hz.

Keywords: Nd:YAG laser, solid-state laser, microchip laser, regenerative amplifier, frequency doubling, Lunar laser ranging.

Макаров Ростислав Николаевич

Год рождения: 1995

Факультет лазерной и световой инженерии, кафедра лазерных технологий и систем, группа № B3445

Направление подготовки: 12.03.05 - Лазерная техника и лазерные технологии

e-mail: [e-mail]

Балмашнов Роман Владимирович

Год рождения: 1992

Факультет лазерной и световой инженерии, кафедра лазерных технологий и систем, аспирант

Направление подготовки: 03.06.01 - Физика и астрономия e-mail: [e-mail]

Корнев Алексей Федорович

Год рождения: 1960

Научно-исследовательский центр лазерной физики, вед. инженер e-mail: [e-mail]

Кучма Игорь Григорьевич

Год рождения: 1963

Научно-исследовательский центр лазерной физики, вед. инженер e-mail: [e-mail]

УДК 621.373.826

ИССЛЕДОВАНИЕ НЕСТАБИЛЬНОСТИ ТЕРМОЛИНЗЫ В ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ АКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ МОЩНОГО ND:YAG ЛАЗЕРА Макаров Р.Н., Балмашнов Р.В., Корнев А.Ф., Кучма И.Г. Научный руководитель - Балмашнов Р.В.

В работе проведены исследования влияния температуры хладагента на выходные параметры усилителя. Показано, что для стабилизации выходных характеристик усилителя необходимо предпринять меры по устранению нестабильности температуры хладагента. Сделан вывод о том, что для компенсации нестационарной составляющей термически наведенной линзы требуется использовать адаптивную оптическую систему (АОС). Проведено сравнение различных схем реализаций АОС. По результатам сравнения выбрана конфигурация АОС, удовлетворяющая требованиям авторов.

Ключевые слова: термолинза, термоклин, нестабильность термолинзы, искажения волнового фронта, лазер с диодной накачкой, адаптивная оптическая система.

Базовые положения исследования. В настоящее время перед НИЦ лазерной физики

Университета ИТМО стоит задача разработки лазера с пикосекундной длительностью

импульса. Был реализован макет лазера по схеме с усилением излучения пикосекундного

задающего генератора в двухпроходовом усилителе [1]. Схема лазера представлена на рис. 1.

Излучение задающего генератора (ЗГ) проходит формирующую оптическую систему,

коллимирующую излучение, делает один обход по усилителю и выводится с помощью

поляризационной развязки. Для защиты задающего генератора от деполяризованной

компоненты используется изолятор Фарадея. Стационарная компонента термически

наведенной линзы (ТЛ) компенсируется с помощью ретрансляторов.

45° Вращатель Фарадея

..Зеркало

Задающий генератор 1 мДж; 100 пс; 200 Гц

Телескоп I

жо„ уфньи ----- - „ <4

i/sa\' I \

Поляризатор

Зеркало45°%ТГ

Nd:YAG 010x140 mm

Ретранслятор

45° Кварцевый вращатель

Nd:YAG 010x140 mm

Поляризатор

D Н G

ч г*

Зеркало

90" кварцевый 430 мДж: Ю64 ни

вращатель

Зеркало'

Рис. 1. Принципиальная оптическая схема лазера

Был проведен ряд экспериментов, по результатам которых выявлена зависимость расходимости излучения на выходе усилителя и выходной энергии от температуры хладагента (рис. 2).

-Энергия, мДж

Температура хладагента, °С

Рис. 2. Зависимости выходной энергии и оптической силы термолинзы от изменения

температуры хладагента

Изменение выходной энергии и расходимости выходного излучения происходило по следующим причинам:

- смещение длины волны излучения лазерных диодных матриц (ЛДМ);

- изменение взаимодействия ионов активатора с решеткой за счет колебаний температуры активных элементов (АЭ), влекущее за собой деформацию контуров линии поглощения и люминесценции, сдвиг по частоте максимумов этих линий, изменение значений времен жизни на уровнях, их населенностей и поперечных сечений вынужденных переходов [2];

- появление различных потерь на апертурах усилителя за счет изменения оптической силы ТЛ в АЭ.

В связи с вышеизложенным авторы пришли к выводу, что для уменьшения расходимости, вызванной нестационарной составляющей ТЛ, помимо методов пассивной компенсации, требуется использовать адаптивную оптическую систему (АОС) с обратной связью. Также необходимо предпринять комплекс мер по уменьшению нестационарной компоненты ТЛ в АЭ усилителя.

Учитывая, что скорость изменения оптической силы термически наведенной линзы небольшая, диапазон изменения оптической силы также небольшой, реализация такой адаптивной системы не представляет какой-либо сложности. В качестве исполнительного элемента такой системы может быть использован оптический компенсатор [3], гибкое зеркало [4], либо простейшая оптическая система с переменным фокусным расстоянием. Существенно упрощает реализацию такой системы то, что управляющий элемент может быть расположен не на выходе усилителя, а в том месте, где мощность/энергия излучения невысоки.

Вывод. Было проведено сравнение возможных схем реализации АОС [3, 4] для компенсации искажений волнового фронта, вызванных термически наведенными линзой и клином. По результатам сравнения выбрана схема АОС, в которой анализ выходного излучения осуществляется с помощью астигматической линзы и датчика осевого положения пучка. В качестве исполнительных элементов такой системы планируется использовать оптические элементы (зеркало и линза), установленные на моторизированные подвижки. Замкнуть обратную связь АОС планируется с помощью РГО-контроллера.

Для снижения требований к адаптивной системе необходимо предпринять следующий комплекс мер по уменьшению тепловых колебаний в активных элементах усилителя:

- использование системы охлаждения с правильно настроенным контроллером температуры;

- использование активных элементов с высоким квантовым выходом люминесценции;

- оптимизация длительности импульсов накачки;

- подавление усиленной люминесценции.

Литература

1. Balmashnov R.V., Katsev Y.V., Kornev A.F., Kuchma I.G., Oborotov D.O. 100 ps 360 mJ 200 Hz Nd:YAG laser for the lunar laser ranging // International Conference Laser Optics. -2016. - Р. R64.

2. Мезенов А.В., Сомс Л.Н., Степенов А.И. Термооптика твердотельных лазеров. - Л.: Машиностроение, 1986. - 199 с.

3. Zhanwei Liu, Paul Fulda, Muzammil A. Feedback control of optical beam spatial profiles using thermal lensing // Applied Optics. - 2013. - V. 52. - № 26. - Р. 6452-6457.

4. Schwarz J., Geissel M., Rambo P. Development of a variable focal length concave mirror for on-shot thermal lens correction in rod amplifiers // Optics Express. - 2006. - V. 14. - № 23. -Р.10957-10969.

/-\

L

Балмашнов Роман Владимирович

Год рождения: 1992

Факультет лазерной и световой инженерии, кафедра лазерных технологий и систем, аспирант

Направление подготовки: 03.06.01 - Физика и астрономия e-mail: [e-mail]

Кацев Юрий Владиславович

Год рождения: 1986

Научно-исследовательский центр лазерной физики, вед. инженер e-mail: [e-mail]

Корнев Алексей Федорович

Год рождения: 1960

Научно-исследовательский центр лазерной физики, вед. инженер e-mail: [e-mail]

Кучма Игорь Григорьевич

Год рождения: 1963

Научно-исследовательский центр лазерной физики, вед. инженер e-mail: [e-mail]

Оборотов Дмитрий Олегович

Год рождения: 1978

Научно-исследовательский центр лазерной физики, вед. инженер e-mail: [e-mail]

ИССЛЕДОВАНИЕ ЛУЧЕВОЙ СТОЙКОСТИ ЗЕРКАЛ С МЕТАЛЛИЧЕСКИМ ОТРАЖАЮЩИМ СЛОЕМ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ПИКОСЕКУНДНЫХ ИМПУЛЬСОВ Балмашнов Р.В., Кацев Ю.В., Корнев А.Ф., Кучма И.Г., Оборотов Д.О. Научный руководитель - Корнев А.Ф.

Одним из важных применений лазерных систем с пикосекундной длительностью импульсов является лазерная дальнометрия. Применение в дальнометрии излучения с пикосекундной длительностью импульсов делает актуальным вопрос о лучевой стойкости зеркал, используемых для доставки излучения лазера к оптическим элементам дальномера.

Ключевые слова: твердотельный лазер, диодная накачка, пикосекундная длительность импульсов, лучевая стойкость.

В настоящее время перед Научно-исследовательским центром лазерной физики Университета ИТМО стоит задача разработки лазера, который будет использоваться для измерения точного расстояния до естественных и искусственных спутников Земли. Отличительными особенностями рассматриваемого лазера являются высокая выходная энергия (около 0,5 Дж на длине волны 1064 нм и 0,25 Дж - на длине волны 532 нм) и высокая частота следования импульсов (200 Гц) в импульсно-периодическом режиме с пикосекундной длительностью импульсов (100 пс).

В данной работе по созданию лазера была поставлена задача исследовать лучевую стойкость двух образцов зеркал с металлическим отражающим слоем под воздействием пикосекундного излучения с длинами волн 1064 и 532 нм: алюминиевое ^^ зеркало на ситалловой подложке, серебряное (Ag) зеркало на бериллиевой подложке. Такие зеркала

могут использоваться в применениях, требующих высокую механическую и тепловую стабильность оптических элементов, в оптике телескопов, аэрокосмической технике, ядерной энергетике.

Экспериментальная установка. В качестве источника излучения использовался макет лазера с выходной энергией 430 мДж и длительностью импульсов 100 пс, работающий на частоте следования импульсов 200 Гц. Макет лазера реализован по схеме: пикосекундный задающий генератор - усилитель мощности [1]. Оптическая схема лазера приведена на рис. 1.

Рис. 1. Оптическая схема лазера

Задающий генератор обеспечивал выходную энергию 1 мДж. Усилитель собран на двух квантронах с активными элементами Nd:YAG 010*140 мм. Каждый активный элемент накачивался тремя лазерными диодными матрицами FocusLight с длиной волны 808 нм. Для компенсации термически наведенного двулучепреломления использовались установленные между квантронами ретранслятор и 90° кварцевый вращатель. Вывод излучения был реализован с помощью поляризационной развязки на основе вращателя Фарадея и поляризатора. Для защиты задающего генератора от деполяризованной компоненты дополнительно использовался изолятор Фарадея.

Значение плотности энергии вычислялось как отношение значения энергии в импульсе к площади поперечного сечения пучка на образце.

На рис. 2 приведены графики с результатами измерений.

о ю о о. с

о 4

.0

5.

® 20000

и

Т

0,15 0,3 Дж/см2

Дж/см2 А1 зеркало, 1064 нм ▲ ▲▲ А1 зеркало, 532 нм

■-• зеркало, 1064 нм ♦—Ag зеркало, 532 нм

1 Л % к -•-

Плотность энергии, Дж/см2

Рис. 2. Графики зависимости числа импульсов до пробоя от плотности энергии на образце

при пикосекундной длительности импульсов

Видно, что лучевая стойкость Al зеркала под воздействием излучения 1064 нм и Ag зеркала под воздействием излучения 532 нм выше, чем лучевая стойкость Al зеркала на длине волны 532 нм и Ag зеркала на длине волны 1064 нм.

Также было проведено сравнение лучевой стойкости зеркал при воздействии наносекундным и пикосекундным излучениями с длиной волны 1064 нм.

Авторы, используя экспериментальные данные, рассчитали температуру нагрева облучаемой поверхности покрытия после воздействия одиночного импульса с энергией, при которой гарантированно наблюдалось повреждение покрытия. Температура нагрева облучаемой поверхности покрытия вычислялась по следующей формуле [2]:

т = т+—ж (1 ~ К)

0 -у/л ^/т/Х'р '

где Т0 - начальная температура материала покрытия; Ж - плотность энергии на образце; Я -коэффициент отражения зеркала; т - длительность импульса; X, с, р - теплопроводность, удельная теплоемкость, плотность материала покрытия соответственно.

Результаты измерений лучевой стойкости и расчетов температуры нагрева поверхности покрытия, а также сравнение со справочными значениями температуры плавления материала покрытия приведены в таблице.

Таблица. Результаты экспериментов

Образец X, нм Коэффициент отражения Лучевая стойкость, Дж/см2 Расчет температуры нагрева, °С Температура плавления по справочным данным, °С

100 пс 10 нс 100 пс 10 нс

А1 зеркало 532 97,5% 0,3 - - - 660

1064 91,6% 0,16 0,9 896 670

Ag зеркало 532 91,5% 0,15 - - - 962

1064 97,4% 0,3 3,7 507 929

Из таблицы видно, что имеется корреляция значений лучевой стойкости с коэффициентом отражения зеркал. Температура нагрева материала под воздействием импульса, рассчитанная из экспериментальных данных измерения лучевой прочности, с хорошей точностью совпадает со справочными данными о температуре плавления материала. Можно сделать вывод, что основными механизмами разрушения покрытия является плавление металла, приводящее к необратимой деградации зеркального покрытия. Как показали результаты экспериментов, справедливо приближение, согласно

которому лучевая прочность покрытия (Дж/см2) изменяется обратно пропорционально >/г

[3].

Выводы. Измерена лучевая стойкость зеркал с металлическим отражающим слоем под действием пикосекундных импульсов. Лучевая стойкость А1 зеркала на длине волны 532 и 1064 нм равна 0,3 и 0,15 Дж/см2 соответственно. Лучевая стойкость Ag зеркала на длине волны 532 и 1064 нм равна 0,16 и 0,3 Дж/см2 соответственно.

Результаты расчета температуры нагрева поверхностного слоя металла, полученные при обработке данных, хорошо согласуются с данными о температуре плавления отражающего материала зеркала.

Показано, что приближение, в соответствии с которым лучевая прочность покрытия изменяется обратно пропорционально >/т , может успешно применяться для оценки лучевой прочности зеркал под действием импульсов с длительностью 100 пс-10 нс.

В заключение авторы работы выражают благодарность В.П. Покровскому за полезные обсуждения.

Литература

1. Balmashnov R.V., Katsev Y.V., Kornev A.F., Kuchma I.G., Oborotov DO. 100 ps 360 mJ 200 Hz Nd:YAG laser for the lunar laser ranging // International Conference Laser Optics. -2016. - Р. R6-4-R6-4.

2. Вейко В.П., Шахно Е.А. Лазерные технологии в задачах и примерах: учебное пособие. -СПб.: Университет ИТМО, 2014. - 88 с.

3. Stuart B.C., Feit M.D., Rubenchik A.M., Shore B.W., Perry M.D. Laser-Induced Damage in Dielectrics with Nanosecond to Subpicosecond Pulses // Phys. Rev. Lett. - 1995. - V. 74. -Р. 2248.

Влияние нестабильности температуры хладагента на выходные параметры мощных ^:УАС усилителей

Макаров Р.Н.

Научный руководитель: Балмашнов Р.В.

Университет ИТМО, г. Санкт-Петербург

Введение

Разность температур в активном элементе (АЭ) усилителя создает градиент показателя преломления, что приводит к наведению термической линзы и клина. Излучение, проходящее через термонаведенную линзу, претерпевает искажения волнового фронта, клин же изменяет угловое направление луча. Из-за нестабильной работы систем охлаждения происходит колебание температуры хладагента, приводящее к изменениям выходных характеристик лазера.

В связи с этим в рамках настоящей работы было проведено исследование влияния нестабильности температуры хладагента на выходные характеристики усилителя.

Базовые положения исследования

В настоящее время перед нами стоит задача разработки лазера с пикосекундной длительностью импульса. Был реализован макет лазера по схеме с усилением излучения пикосекундного задающего генератора в двухпроходовом усилителе [1]. Проведен ряд экспериментов, по результатам которых выявлена корреляция зависимости выходной энергии и радиуса кривизны волнового фронта на выходе усилителя от температуры хладагента.

Изменения энергии выходного излучения происходило по следующим причинам:

- смещение длины волны излучения лазерных диодных матриц (ЛДМ) при изменении температуры хладагента;

- изменение взаимодействия ионов активатора с решеткой за счет колебаний температуры активных элементов, влекущее за собой деформацию контуров линии поглощения и люминесценции, сдвиг по частоте максимумов этих линий, изменение значений времен жизни на уровнях, их населенностей и поперечных сечений вынужденных переходов [2];

- появление различных потерь на апертурах усилителя за счет изменения термолинзы и термоклина в активных элементах.

Предположено, что во время работы лазера, в активных элементах усилителя из-за скачков напряжения в сети питания, колебаний температуры хладагента или изменения протока хладагента через АЭ, возникают колебания температурных полей, которые приводят к появлению нестационарной составляющей термически наведенной линзы.

Следует упомянуть о том, что в лазерах с наносекундной длительностью импульсов для компенсации нестационарной составляющей термически наведенной линзы может использоваться обращающее волновой фронт ВРМБ-зеркало. В пикосекундном лазере практически исключается возможность использования ВРМБ-зеркала. Это связано с инерционностью ВРМБ-зеркала, которая определяется временем релаксации гиперзвуковых колебаний ВРМБ-среды [2]. Как правило, ВРМБ-зеркало может эффективно работать лишь при длительности импульсов не менее 3 нс. Существуют схемы ВРМБ-зеркал, позволяющие отражать пикосекундные импульсы. От обычных ВРМБ-зеркал они отличаются повышенной сложностью, поскольку требуют использования вспомогательных лазеров накачки. Их использование в данной задаче представляется нецелесообразным.

В связи с этим, мы пришли к выводу, что для компенсации нестационарной составляющей термически наведенной линзы требуется использовать адаптивную оптическую систему (АОС) с обратной связью. Нами были проанализированы различные

варианты реализации АОС, такие как: АОС на основе оптическиого компенсатора [3], АОС на основе датчика Шака-Гартмана и гибкого зеркала и АОС с переменным фокусным расстоянием на основе датчика осевого положения пучка. По результатам сравнения выбрана конфигурация АОС, которая удовлетворяет нашим требованиям.

Вывод

Представлен комплекс мер по снижению тепловых колебаний в АЭ и ЛДМ:

- использование раздельных контуров охлаждения ЛДМ и АЭ;

- использование системы охлаждения с правильно подобранными константами ПИД-регулятора;

- компенсация нестационарной компоненты термолинзы с помощью АОС на основе датчика осевого положения пучка.

В качестве исполнительного элемента адаптивной оптической системы может использоваться простейшая оптическая система с переменным фокусным расстоянием, установленная на моторизированные подвижки.

Литература

[1] Balmashnov R.V., Katsev Y.V., Kornev A.F., Kuchma I.G., Oborotov D.O. 100 ps 360 mJ 200 Hz Nd:YAG laser for the lunar laser ranging//International Conference Laser Optics, LO 2016, IET - 2016, pp. R64

[2] Мезенов А. В. Термооптика твердотельных лазеров/А. В. Мезенов, Л. Н. Сомс, А. И. Степенов.— Л.: Машиностроение, 1986

[3] Zhanwei Liu, Paul Fulda, Muzammil A. Feedback control of optical beam spatial profiles using thermal lensing//APPLIED OPTICS, Vol. 52, No. 26, 6452-6457 (2013)

0.53 Дж / 100 пс@200Гц шестипроходовый Nd:YAG усилитель

Р.В. Балмашнов, Ю.В. Кацев, А.Ф. Корнев, И.Г. Кучма Научный руководитель: В.Ю. Храмов Университет ИТМО, г. Санкт-Петербург

Реферат — Разработан малогабаритный пикосекундный лазер с высокой пиковой мощностью с диодной накачкой. Длина волны выходного излучения лазера 1064 нм, длительность импульса 100 пс, выходная энергия 0,53 Дж при частоте следования импульсов 200 Гц. Усилитель лазера собран по шестипроходовой схеме на основе активного элемента Nd:YAG 015*140 мм. Излучение на выходе усилителя имело близкое к П-образному распределение интенсивности, расходимость выходного излучения меньше 1,5 дифракционного предела. Эффективность преобразования излучения во вторую гармонику в

3

кристалле LBO 17*17*7 мм составляла 54%.

Ключевые слова — диодная накачка, твердотельный лазер, пикосекундная длительность импульсов, ГВГ.

I. Введение

100-пикосекундные субджоулевые лазеры являются привлекательными для медицины [1], промышленности [2], науки [3] и дальнометрии [4].

При разработке лазеров такого типа следует принимать во внимание ряд таких негативных эффектов, как двулучепреломление, возникновение термически наведенной линзы, мелкомасштабная самофокусировка. Эти эффекты могут снизить эффективность работы лазера и привести к повреждению активной среды или оптики лазера [4].

Примененные нами технические решения позволили уменьшить влияние этих эффектов и создать лазер с высокой выходной энергией импульсов с длительностью 100 пс и малой расходимостью выходного излучения.

II. Схема лазера

Лазер построен по схеме «задающий генератор - шестипроходовый усилитель». В задающем генераторе в качестве сидингового источника 100 пс спектрально-органиченных импульсов излучения использовался микрочип-лазер, излучение которого затем усиливалось до значения 5 мДж в Nd:YAG регенеративном усилителе с продольной накачкой [5].

Шестипроходовый усилитель был собран на активном элементе Nd:YAG 015*140 мм. Активный элемент накачивался тремя лазерными диодными матрицами с длиной волны 808 нм и общей пиковой мощностью 18 кВт.

Система зеркал в усилителе обеспечивала шестикратное прохождение пучка через активный элемент. Для компенсации термически наведенного двулучепреломления использовались 90° кварцевый вращатель и 45° вращатель Фарадея. Между проходами усилителя были установлены ретрансляторы с вакуумированными пространственными фильтрами. Для уменьшения влияния аберраций и обеспечения возможности сборки шестипроходового усилителя был реализован перенос изображения с изменением диаметра пучка: 015 мм - 010 мм - 08,2 мм на первых трех проходах соответственно. После первых трех проходов пучок совершал три прохода в обратном направлении, а его диаметр вновь становился равным 15 мм.

Чтобы уменьшить вероятность повреждения оптических покрытий и мелкомасштабной самофокусировки лазерного излучения были реализованы следующие технические решения:

- малая плотность энергии на всех оптических элементах (<0,3 Дж/см2);

- усиление излучения с круговой поляризацией;

- пространственная фильтрация с помощью диафрагм, установленных в вакуумированных пространственных фильтрах.

III. Экспериментальные результаты

В активном элементе усилителя получено значение усиления равное 3,3 на один проход, что соответствует 1,2 Дж запасенной энергии. Съем запасенной энергии был ограничен предельной плотностью энергии, превышение которой может привести к повреждению оптических элементов усилителя, а также населенностью нижнего рабочего уровня 4I11/2 и потерями на шести проходах усилителя. Значение полного интеграла распада для разработанной схемы равно 1,53.

На частоте следования импульсов 200 Гц была получена выходная энергия 530 мДж, что соответствует эффективности энергосъема 44%. Расходимость выходного лазерного излучения была меньше 1,5 дифракционного предела.

Для генерации излучения второй гармоники использовался кристалл LBO 17*17*7 мм . В режиме работы лазера 100 пс/ 530 мДж/ 200 Гц энергия излучения на длине волны 532 нм составляла 286 мДж, что соответствует эффективности преобразования 54%.

Литература

[1] Freedman, J.R., Kaufman, J., Metelitsa, A.I., Green, J.B.: Picosecond lasers: the next generation of short-pulsed lasers. Semin. Cutan. Med. Surg. 33(4), 164-168 (2014).

[2] Fortunato, A., Orazi, L., Cuccolini, G., Ascari, A.: Laser shock peening and warm laser shock peening: process modeling and pulse shape influence. In: Proc. SPIE, p. 86030G-8 (2013).

[3] Tang, C., Li, E.: A digital particle image velocimetry (DPIV) system based on multispectral imaging. In: Proc. SPIE, p. 71560T-11 (2008).

[4] Balmashnov R.V., Katsev Y.V., Kornev A.F., Kuchma I.G., Oborotov D.O. 100 ps 360 mJ 200 Hz Nd:YAG laser for the lunar laser ranging // International Conference Laser Optics, LO 2016 -2016, pp. R64

[5] A. Davtian and A. Kornev, "Compact 5 mJ/100 ps@1 kHz regenerative amplifier," 2017 Conference on Lasers and Electro-Optics Europe & European Quantum Electronics Conference (CLEO/Europe-EQEC), Munich, 2017, pp. 1-1.

Nd:YAG 430 мДж/100 пс 200 Гц лазер для лунного лазерного дальномера

Р.В. Балмашнов, И.Г. Кучма, Д.О. Оборотов Научный руководитель: А. Ф. Корнев Университет ИТМО, г. Санкт-Петербург

Реферат — Разработан пикосекундный Nd:YAG лазер высокой средней мощности с диодной накачкой. Длина волны выходного излучения лазера 1064 нм, длительность импульса 100 пс, выходная энергия более 0,4 Дж при частоте следования импульсов 200 Гц. Расходимость лазерного излучения <1,5 дифракционного предела. Эффективность преобразования излучения лазера во вторую гармонику более 70%.

Ключевые слова — диодная накачка, твердотельный лазер, пикосекундная длительность импульсов, ГВГ.

I. Введение

В настоящее время большинство пикосекундных лазеров с высокой выходной энергией (>50 мДж) работают на частоте следования импульсов 1-50 Гц [1-5]. Основными факторами, сдерживающими увеличение выходной энергии и частоту следования импульсов лазеров такого типа является низкий порог лучевой стойкости оптических покрытий (~ 1 Дж/см2) и эффект мелкомасштабной самофокусировки. Эффект мелкомасштабной самофокусировки приводит к ухудшению качества пучка, повышению расходимости выходного излучения и может быть причиной разрушения активных элементов лазера [6, 7].

Совокупность примененных технических решений позволила нам создать лазер с высокой энергией выходного излучения при длительности импульсов 100 пс на высокой частоте следования импульсов 200 Гц.

II. Конструкция лазера

Лазер построен по схеме «задающий генератор - двухпроходовый усилитель». Задающий генератор обеспечивает выходную энергию 1 мДж. Усилитель собран на двух квантронах с активными элементами Nd:YAG 010x140 мм. Каждый активный элемент накачивается тремя лазерными диодными матрицами FocusLight с длиной волны 807 нм и пиковой мощностью 6 кВт при длительности импульса накачки 240 мкс. Для компенсации термически наведенного двулучепреломления используются установленные между квантронами ретранслятор и 90° кварцевый вращатель. Для компенсации нестационарной составляющей термолинзы и термоклина используется адаптивная оптическая система с обратной связью. Вывод излучения реализован с помощью поляризационной развязки на основе вращателя Фарадея и поляризатора. Для защиты задающего генератора от деполяризованной компоненты дополнительно используется изолятор Фарадея.

Чтобы уменьшить вероятность повреждения оптических покрытий и мелкомасштабной самофокусировки лазерного излучения были реализованы следующие технические решения:

- малая плотность энергии на всех оптических элементах (<0,5 Дж/см );

- в усилителе использовалось излучение с круговой поляризацией;

- расходящееся усиливаемое излучение на втором проходе усилителя;

- фильтрация компонент с широким угловым спектром с помощью диафрагм, установленных в вакуумированных пространственных фильтрах;

III. Экспериментальные результаты

Средний по сечению активного элемента коэффициент слабосигнального усиления составил примерно 7,1. Это значение соответствует 0,9 Дж запасенной в каждом активном элементе энергии. Съем запасенной энергии был ограничен предельной плотностью энергии, превышение которой может привести к повреждению оптических элементов усилителя. Были проведены предварительные эксперименты по определению порога пробоя

просветляющего оптического покрытия под действием 100 пс излучения. Найдено, что порог пробоя просветляющего покрытия составлял примерно 1,1 Дж/см2.

Фокусное расстояние термолинзы составляло 165 см. Доля энергии деполяризованного излучения не превышала ~1% от выходной энергии.

Измерена расходимость выходного излучения, которая не превышала 1,5 дифракционного предела.

Также измерена эффективность генерации второй гармоники в кристалле LBO. В режиме работы лазера 100 пс/ 430 мДж/ 200 Гц энергия излучения на длине волны 532 нм достигала 305 мДж, что соответствует эффективности преобразования 72%.

Литература

[1] M. Schmidt, N. Graf, H. Huber,R. Kelnberger, J. Aus der Au, High-energy picosecond laser systems between 10 Hz and 2 kHz for next-generation laser ranging. Proceedings of the 17th International Workshop on Laser Ranging, Extending the Range. Bad Kotzting, 2011.

[2] R. Buzelis, J. Kosenko, E. Murauskas-Ekspla, K. Lapushka, Ai Ui: Q-Switched SBS-Compressed Nd.Yag Laser for Satellite Ranging. Proceedings of the 11th International Workshop on Laser Ranging. Bavarian Town Deggendorf, 1998.

[3] Chinese scientific papers online // W. L. J. Hasi, Z. Qiao, S. X. Cheng, X. Y. Wang, Z. M. Zhong, Z. X. Zheng, D. Y. Lin, W. M. He, Z. W. Lu, Characteristics of SBS pulse compression to 116 ps in FC-770 [Electronic resource]. URL: http://www.paper. edu. cn/download/downPaper/201309-162 (date: 14.02.2016)

[4] EXPLA // products list [Electronic resource]. URL: http://www.ekspla.com/wp-content/uploads/2011/06/sl330-series-picosecond-sbs-compressed-high-energy-ndyag-lasers.pdf (date: 14.02.2016)

[5] EXPLA // products list [Electronic resource]. URL: http://www.ekspla.com/wp-content/uploads/2011/05/pl2250-series-high-energy-picosecond-mode-locked-ndyag-lasers1.pdf (date: 14.02.2016)

[6] А. Н. Жерихин, Ю. А. Матвеец, С. В. Чекалин, Квант. электрон., 1976, том 3, номер 7, 1585-1590

[7] Н. Б. Баранова, Н. Е. Быковский, Б. Я. Зельдович, Ю. В. Сенатский, Квант. электрон., 1974, том 1, номер 11, 2435-2449

УДК 621.373.826

МОЩНЫЙ ИСТОЧНИК ПИКОСЕКУНДНОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ ЛУННОГО ЛАЗЕРНОГО ДАЛЬНОМЕРА

Балмашнов Р.В.1, Давтян А.С.2, Корнев А.Ф.2, Коваль В.В.1,2, Кучма И.Г.2 Научный руководитель - к.ф.-м.н., профессор Викторов Е.А.1

Университет ИТМО; 2ООО «Лазеры и оптические системы», Санкт-Петербург

В работе представлены результаты разработки и исследования мощного 100 Вт (0,5 Дж/200 Гц) Nd:YAG лазера с диодной накачкой с длиной волны 1064 нм, длительностью импульса 76 пс. Лазер построен по схеме усиления излучения задающего генератора в двухпроходовом двухкаскадном усилителе на активных элементах Nd:YAG 015*140 мм2 и 010*140 мм2. В рамках работы проведены эксперименты по измерению эффективности преобразования излучения во вторую гармонику в кристалле LBO 17*17*7 мм3, эффективность ГВГ составила 64%. Расходимость выходного излучения лазерного усилителя составила менее 1,5 от дифракционного предела.

Ключевые слова: твердотельный лазер, Nd:YAG, диодная накачка, пикосекундная длительность импульсов, генерация второй гармоники.

Введение. Пикосекундные лазеры с высокой выходной энергией импульса используются для решения большого количества прикладных и научно-исследовательских задач [1]. Одним из наиболее актуальных и важных приложений пикосекундных лазеров является высокоточная космическая лазерная дальнометрия [2, 3].

Применяемые в дальнометрии пикосекундные лазеры с высокой выходной энергией импульса (более 100 мДж), как правило, работают на низкой частоте следования импульсов (менее 20 Гц), определяемой использованием ламповой накачки. Короткая длительность импульсов в таких лазерах обеспечивается главным образом за счет использования ВРМБ-компрессии. Например, в статье [4] описывается Nd:YAG лазер с модуляцией добротности и ВРМБ-компрессией, работающий на частоте следования импульсов 10 Гц, с выходной энергией 250 мДж и длительностью импульса 130 пс, который используется в Институте Астрономии Латвийского Университета для измерения расстояния до космических аппаратов. В спутниковом лазерном дальномере обсерватории Apache Point (APPOLO), Нью-Мехико, США в качестве источника лазерного излучения используется Nd:YAG лазер на второй гармонике (532 нм), работающий на частоте 20 Гц с выходной энергией 115 мДж и длительностью импульса 100 пс [5]. В обсерватории McDonald, Техас, США используется источник лазерного излучения с длиной волны 532 нм, длительностью импульсов 200 пс и выходной энергией 150 мДж. При этом частота следования импульсов этого лазера не превышает 10 Гц [6]. В спутниковом лазерном дальномере обсерватории CERGA (Грас, Франция) используется Nd:YAG лазер с длиной волны 1064 нм, длительностью импульсов 150 пс и выходной энергией 300 мДж, работающий на частоте 10 Гц. Упомянутый лазер также может работать на длине волны 532 нм, при этом эффективность преобразования излучения во вторую гармонику составляет 65% [7].

Использование диодной накачки в усилителях пикосекундного излучения с высокой выходной энергией позволяет увеличить частоту следования импульсов до сотен герц. Например, в [8] представлена лазерная система, генерирующая 64 пс импульсы на длине волны 1064 нм с энергией 130 мДж на частоте следования импульсов 300 Гц. В этой системе импульсы Nd:YVÜ4 задающего генератора были усилены в регенеративном усилителе до уровня 1 мДж, а затем усилены в двухкаскадном двухпроходовом Nd:YAG усилителе с квазинепрерывной диодной накачкой. В [9] описана лазерная система с диодной накачкой, в которой излучение Nd:YVO4 задающего генератора с модуляцией добротности усиливается в линейном регенеративном усилителе, а затем в трехкаскадном двухпроходовом выходном

усилителе на активных элементах Кё:УЛО. Система генерирует импульсы с энергией 316,5 мДж, длительностью 50 пс на частоте 100 Гц.

Основными проблемами, препятствующими увеличению выходной энергии лазеров с пикосекундной длительностью импульсов, являются пробой оптических элементов и эффект мелкомасштабной самофокусировки излучения, которые вызваны высокой пиковой мощностью излучения. Значение порога оптического пробоя увеличивается пропорционально квадратному корню из длительности импульса [10]. Эффект самофокусировки излучения приводит к повреждению активных элементов лазера, ухудшению качества выходного излучения и увеличению расходимости лазерного излучения.

В настоящей работе мы сообщаем о разработке мощной пикосекундной лазерной системы, энергетические характеристики которой превышают характеристики аналогов [4-9]. Лазерная система обладает высокой стабильностью формы импульса, высокой выходной энергией и высокой частотой следования импульсов.

Оптическая схема лазера. Задающий генератор (ЗГ) лазерной системы построен по схеме усиления излучения пикосекундного микрочип-лазера с пассивной модуляцией добротности в регенеративном усилителе (РУ) (рис. 1, а). Микрочип-лазер с импульсной диодной накачкой на длине волны 808 нм генерирует спектрально-ограниченные импульсы с длительностью 90 пс и энергией 100 нДж. Излучение микрочип-лазера с длиной волны 1064 нм вводится в одномодовое волокно с сохранением поляризации излучения, которое используется в качестве линии оптической задержки.

Рис. 1. Принципиальная схема задающего генератора (а) и осциллограмма импульса на выходе регенеративного усилителя в режиме накопления (104 импульсов) (б)

Прошедшее линию задержки излучение оптически изолируется от микрочип-лазера с помощью изолятора Фарадея и совмещается с модой ТЕМоо регенеративного усилителя с помощью телескопа Галилея. Две ортогональные призмы Дове, установленные в шестизеркальном резонаторе РУ, обеспечивают устойчивость резонатора к угловым разъюстировкам.

Два активных элемента Nd:YAG регенеративного усилителя продольно накачиваются двумя 808 нм диодными модулями накачки, пиковая мощность каждого диодного модуля составляет 30 Вт. Остаточное двулучепреломление и паразитное

пропускание выходного поляризатора приводят к появлению паразитных предымпульсов на выходе лазера. Чтобы избавиться от этих предымпульсов, используется селектор импульсов (pulse picker) [11].

ЗГ имеет выходную энергию 2 мДж со среднеквадратичным отклонением около 0,3% и оптической эффективностью около 20%. Длительность усиленного в РУ выходного импульса ЗГ составляет 80 пс. Качество выходного излучения ЗГ M2=1,3. Осциллограмма импульса задающего генератора приведена на рис. 1, б.

Излучение задающего генератора проходит формирующую оптическую систему, которая используется для совмещения центральной части Гауссова пучка ЗГ с апертурой выходного усилителя мощности. Пучок проходит через поляризатор и систему зеркал и направляется в двухпроходовый двухкаскадный выходной усилитель (рис. 2, а).

о 7 -4-2 0

х (тт) х (тт)

Рис. 2. Принципиальная схема выходного усилителя (а); отпечаток импульса выходного излучения усилителя в ближней зоне (б) и поперечное распределение

интенсивности пучка в дальней зоне (в)

Выходной усилитель состоит из двух каскадов усиления с активными элементами Nd:YAG 010*140 мм2 и Nd:YAG 015*140 мм2. Каждый активный элемент накачивается тремя лазерными диодными матрицами с общей пиковой мощностью 19,5 кВт на каждый активный элемент. Частота импульсов накачки составляет 200 Гц при длительности импульса накачки 230 мкс.

Для компенсации термически наведенного двулучепреломления между каскадами усиления установлен 90° кварцевый вращатель. После активных элементов излучение ретранслируется и проходит через 45° вращатель Фарадея, который также участвует в компенсации термически наведенного двулучепреломления и обеспечивает вывод излучения из выходного усилителя мощности. После первого прохода через усилитель пучок отражается от глухого зеркала, делает второй проход через активные элементы усилителя и выводится из лазерной системы с помощью поляризатора. Поляризация усиливаемого излучения на обоих проходах является круговой, это позволяет снизить вероятность появления мелкомасштабной самофокусировки и избавиться от паразитного самовозбуждения на оптических поверхностях усилителя [12]. Для защиты

ЗГ от остаточной деполяризованной компоненты излучения используется изолятор Фарадея.

Для совмещения апертур активных элементов и компенсации стационарной компоненты термически наведенной линзы, а также для пространственной фильтрации излучения в схеме усилителя используются вакуумированные ретрансляторы с пространственными фильтрами. Ретрансляторы усилителя спроектированы с учетом термически наведенных в активных элементах линз так, чтобы лазерный пучок на выходе усилителя был близок к коллимированному. Жидкостное охлаждение обеспечивает однородный отвод тепла от активных элементов.

Для компенсации нестационарных искажений волнового фронта низких порядков и для достижения стабильно малой расходимости в схеме лазера используется адаптивный компенсатор термически наведенных линзы и клина с анализатором на основе квадрантного фотодиода, и астигматической линзы [13]. Исполнительными элементами компенсатора являются угловая двухкоординатная моторизированная подвижка и моторизированный линейный транслятор, на которые установлены глухое 0° зеркало и линза одного из ретрансляторов соответственно (рис. 2, а). Чувствительность анализатора к изменению сферичности волнового фронта составляет А/100 [13].

Результаты. В активных элементах 010*140 мм2 и 015*140 мм2 достигнуты значения однопроходового слабосигнального усиления 10,8 и 3 соответственно. При этом длительность импульса накачки составляла 230 мкс при энергии накачки 4,5 Дж на каждый активный элемент. Выходная энергия 498 мДж с СКО 0,9% на частоте следования импульсов 200 Гц была получена при уровне входного сигнала 0,47 мДж. Это значение выходной энергии соответствует насыщенному коэффициенту усиления около 1050 во всем двухпроходовом двухкаскадном усилителе. Зависимость выходной энергии лазера от оптической энергии накачки показана на рис. 3, а.

о И

600 500 400 300 200 100 0

у 498

/

|Г

4

10

Еритр, Дж

а б

Рис. 3. Зависимости энергии излучения Еои с длиной волны 1064 нм: выходной энергии от оптической энергии накачки (а) и эффективности преобразования во вторую гармонику от падающей на кристалл энергии излучения (б)

Фокусные расстояния термически наведенных линз при максимальной накачке были равны 1,3 м и 2,9 м в активных элементах 010*140 мм2 и 015*140 мм2 соответственно. Компенсация двулучепреломления обеспечила значение деполяризованной компоненты не более 2% от общей выходной энергии. Поперечное распределение пучка в ближней зоне в режиме работы 498 мДж/76 пс/200 Гц было близко к П-образному, отпечаток импульса выходного излучения усилителя в ближней зоне приведен на рис. 2, б. Расходимость пучка составила 1,5 значения дифракционного предела, поперечное распределение пучка в дальней зоне приведено на рис. 2, в.

5