Термонаведенная деполяризация в лазерных оптических элементах сложной геометрии с произвольным аспектным отношением тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.21, кандидат наук Старобор, Алексей Викторович

• Старобор, Алексей Викторович
• кандидат наук
• 2015

Оглавление диссертации кандидат наук Старобор, Алексей Викторович

Оглавление

Введение

Глава 1. Исследование влияния переходной геометрии оптического элемента на

термонаведенные искажения

Введение

1.1. Влияние соотношения диаметра элемента и его длины на термонаведенную деполяризацию в геометрии «короткий стержень»

1.2. Зависимость термонаведенной деполяризации от диаметра пучка в «коротком стержне» и «толстом диске»

Глава 2. Термонаведенная деполяризация в оптических элементах без аксиальной симметрии

2.1. Исследование термонаведенной деполяризации при прохождении двух лазерных пучков через один элемент

2.2. Термонаведенная деполяризация в «квадратной» геометрии

Глава 3. Использование новых сред для улучшения параметров лазерных устройств

3.1. Исследование магнитооптических и термооптических характеристик сред в диапазоне температур 80-300К

3.2. Изоляторы Фарадея на основе керамик ТГГ и ТАГ

3.3. Криогенный изолятор Фарадея на керамике ТГГ

3.4. Криогенный изолятор Фарадея на гадолиний-галлиевом гранате с одновременной компенсацией термонаведенной деполяризации и термолинзы

Заключение

Список литературы

108

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Термонаведенная деполяризация в лазерных оптических элементах сложной геометрии с произвольным аспектным отношением»

Введение

Предмет исследования и актуальность темы

В настоящее время мощные лазерные установки получили широкое распространение в промышленности и науке. Лазеры с высокой средней по времени мощностью излучения применяются при обработке материалов, резке и сварке, в медицине, телекоммуникациях, а также для научных приложений -прецизионная интерферометрия, ускорение заряженных частиц, исследование экстремальных свойств веществ, зондирование атмосферы и др.

В связи с этим остро стоит проблема борьбы с термонаведенными эффектами, возникающими из-за нагрева оптических элементов (ОЭ) как самим мощным лазерным излучением, так и излучением накачки. Эта проблема появилась практически сразу после создания лазера в 1961 году и становится все более насущной в связи с увеличением мощности лазеров работающих как в непрерывном, так и в импульсно-периодическом режиме. В настоящий момент именно термонаведенные эффекты являются одним из существенных факторов, ограничивающих как среднюю мощность лазерного излучения, так и качество лазерного пучка.

Другой важной особенностью современных лазерных систем является использование пучков без аксиальной симметрии. К нарушению аксиальной симметрии может приводить несколько причин. Так, например, начинают широко использоваться ОЭ изготовленные из оптической керамики, которая обладает рядом важных преимуществ по сравнению с традиционно использующимися материалами: её размер практически не ограничен в отличие от кристаллов, однако теплопроводность керамики значительно превосходит теплопроводность стекол и не уступает теплопроводности кристаллов, также керамические ОЭ могут создаваться из сред, которые невозможно или очень трудно вырастить как монокристаллы, например полуторные оксиды (Ьи20з, УгОз, БсгОз), тербий-алюминиевый гранат (ТАГ) и др. Из-за отсутствия ограничения на размер

керамические активные элементы применяются в широкоапертурных устройствах, например в мощных лазерных усилителях. В проектах по лазерному поджигу термоядерного синтеза, таких как HiPER, квадратные пучки используются для того чтобы обеспечить пространственное сложение пучков в группы 3x3 и 4x4 и последующее их фокусирование на мишени, такая технология позволяет получить более гладкое и контролируемое распределение интенсивности в фокусе [1]. Более того, по технологическим причинам элементы из керамики создаются, поэтому, для более эффективного использования объема элемента, становится выгодным использовать квадратные лазерные пучки. Также популярной является слэбовая геометрия активного элемента (АЭ), представляющего собой вытянутый параллелепипед, грани которого наклонены под углом Брюстера. Такой активный элемент впервые был использован в 1969 и успешно применяется и в настоящее время, пучок при этом имеет квадратное распределение интенсивности. Дальнейшим развитием способов эффективного охлаждения активных элементов являются активные элементы типа "zig-zag" и "TRAM" в которых лазерный пучок имеет прямоугольное сечение, которое с помощью цилиндрического телескопа можно преобразовать в квадратное.

Традиционно, ОЭ имеют аксиальную симметрию, но, очевидно их использование с такими пучками не оптимально как по заполнению апертуры, так и по минимизации термонаведенных эффектов. Задача оптимизации ОЭ с точки зрения термонаведенных эффектов под такие пучки весьма актуальна и до сих пор не решена.

Классическим и давно применяющимся решением в твердотельных лазерных установках является применение ОЭ стержневой геометрии (длина много больше диаметра) с боковым теплоотводом. Другим противоположным, но распространенным примером являются ОЭ в форме дисков (длина много меньше диаметра) с торцевым теплоотводом, так АЭ в [2-4] сделаны из тонких дисков Yb:YAG, что позволяет улучшить теплоотвод, эффективность и характеристики лазерного излучения. Для этих случаев существуют аналитически полученные выражения, позволяющие рассчитывать термонаведенные искажения фазы и

поляризации излучения, неизбежно возникающие при работе с мощными лазерными пучками.

Однако существует много других геометрий ОЭ, которые мы называем «переходными», которые не описываются этими выражениями, но находят свое применение в лазерной технике. Например, для снижения усиленного спонтанного излучения в дисковых лазерах применяют АЭ представляющие собой сэндвич-структуры из допированного и недопированного дисков, что не позволяет считать элемент тонким (длина элемента сопоставима с диаметром) [5,6], сэндвич-структуры также применяются для снижения температурных градиентов в криогенных изоляторах Фарадея (КИФ) [7]. В случае использования в дисковых лазерах сред с низким допированием диски также становятся толстыми. Для ОЭ работающих «на просвет» актуальными являются геометрии с боковым теплоотводом. В случае классического КИФ магнитооптический элемент представляет собой тонкий диск, но не с традиционным торцевым теплоотводом, а с боковым теплоотводом. Увеличение магнитных полей [8,9] и использование новых магнитооптических сред [10,11] в случае изоляторов Фарадея работающих при комнатной температуре, давно уже привело к использованию магнитооптических элементов также в форме толстых дисков с боковым теплоотводом («короткими стержнями»).

Здесь и далее под диском мы будем понимать оптический элемент с теплоотводом с торцевой/оптической поверхности, под стержнем - с теплоотводом с боковой поверхности. Под «переходной геометрией» будем понимать элементы с длиной порядка диаметра, поэтому соответствующие разным способам теплоотвода будем называть «толстый диск» и «короткий стержень» соответственно. Если длина элемента много меньше его диаметра, то диск называется тонким, а при длине много большей диаметра стержень называется длинным.

Таким образом, исследование термооптических свойств оптических элементов в зависимости от их геометрии (аспектного соотношения длины

элемента к диаметру) и способа теплоотвода является важной и актуальной задачей.

Важным путем усовершенствования лазерных установок является использование новых оптических сред. Широкое развитие получило использование керамических ОЭ, изготовленных из таких же материалов, как и традиционные лазерные кристаллы: АИГ, Са¥2, ТГГ; и из сред, монокристаллы которых не удается вырастить традиционными методами: ТАГ, полуторные оксиды и др.

Принципиально иным путем улучшения характеристик лазерных систем является криогенное охлаждение ОЭ. Оно открывает возможность как улучшения характеристик уже использующихся лазерных сред, так и использования сред, которые неэффективны при комнатной температуре, но значительно улучшают свои характеристики при охлаждении и начинают превосходить традиционные среды. Охлаждение приводит к ряду преимуществ: увеличивается теплопроводность сред, что уменьшает градиент температуры [12-15]; увеличиваются сечения поглощения и излучения у редкоземельных металлов; уменьшается населенность нижнего лазерного уровня в трехуровневых схемах ; уменьшается коэффициент линейного расширения материала, что снижает механические напряжения в среде; термооптический коэффициент (ёп/сГГ) уменьшается, что уменьшает термонаведенную линзу. Несмотря на то, что криогенное охлаждение активных элементов лазеров применяется достаточно давно, недостаточно хорошо изученной является возможность улучшения характеристик пассивных элементов лазерных систем, таких как изоляторы Фарадея и ячейки Поккельса за счет охлаждения их рабочих оптических элементов.

Качественно иным подходом к проблеме уменьшения термонаведенной деполяризации излучения в ОЭ является идея компенсации фазового набега, состоящая в замене одного оптического элемента на два идентичных, разделенных 90-градусным вращателем поляризации между ними [16]. В этом случае, искажения возникающие в первом элементе, компенсируются при прохождении через второй элемент. Такая схема широко применяется при создании активных элементов лазеров, работающих с большой тепловой нагрузкой. В случае

компенсации поляризационных искажений в изоляторах Фарадея существует два основных способа такой компенсации: внутренняя и внешняя. В первом случае фарадеевский элемент, поворачивающего плоскость поляризации проходящего излучения на 45°, заменяется двумя 22.5°-ными фарадеевскими элементами, между которыми находится взаимный оптический элемент [17]. Во втором способе компенсации котором компенсирующий оптический элемент и взаимный вращатель находятся вне магнитного поля. Преимущества данного подхода заключается в большей свободе выбора оптической среды для компенсирующего элемента: среда, строго говоря, может быть и не магнитоактивной и возможности усовершенствования уже готовых изоляторов Фарадея. Кроме того, применяется способ компенсации линейного двулучепреломления в оптических элементах при помощи одноосного кристалла, описанный в [18].

Одним из устройств наиболее подверженных тепловому самовоздействию излучения является изолятор Фарадея - устройство, которое пропускает линейно поляризованный свет в одном направлении и не пропускающем его в обратном. ИФ служит для экранирования оптических генераторов и каскадов усилителей от обратных бликов, которые могут снизить эффективность работы, ухудшить качество пучка, или даже привести к пробою ОЭ. Главной частью ИФ является вращатель Фарадея (ВФ) состоящий из помещенного внутрь магнитной системы на постоянных магнитах магнитооптического элемента (МОЭ). Из-за относительно большого поглощения в МОЭ вращателей Фарадея (ВФ) (~10"3 см"1) излучение в них подвергается сильному тепловому самовоздействию. Вызванное поглощением неоднородное по поперечному сечению распределение температуры приводит к неоднородному распределению угла поворота плоскости поляризации, обусловленному зависимостью постоянной Верде от температуры, к появлению, на ряду с циркулярным, линейного двулучепреломления (фотоупругий эффект) и к искажению волнового фронта проходящего через вращатель Фарадея оптического излучения (тепловая линза) [17].

Деполяризация излучения в МОЭ приводит к прохождению части излучения в обратном направлении, а значит, и к ухудшению основной характеристики ИФ -

степени изоляции. Для уменьшения влияния термонаведенных эффектов в ИФ могут применяться все подходы, описанные выше - адаптация формы МОЭ под пучок; использование дисков и коротких стержней; изготовление МОЭ из новых сред, в том числе керамических; применение криогенного охлаждения и компенсации термонаведенных искажений; а также комбинации этих приемов.

В работе исследуются возможности уменьшения термонаведенной деполяризации в ОЭ, работающих с большой средней по времени мощностью лазерного излучения с помощью использования нестандартных геометрий оптических элементов и новых сред.

Цели и задачи диссертационной работы

Цель представленной диссертационной работы заключалась в исследовании возможности уменьшения термонаведенных искажений в ОЭ мощных лазеров путем оптимизации их геометрии (элементы в переходной геометрии и элементы без аксиальной симметрии) и использования новых оптических сред.

В ходе выполнения работы были решены следующие задачи:

1) Создана трехмерная модель расчета термонаведенных искажений поляризации и фазы лазерного излучения проходящего через ОЭ заданной конфигурации. Модель позволяет рассчитывать искажения при конфигурациях оптических элементов и профилях лазерного пучка не поддающихся аналитическому анализу, в том числе оптических элементов без аксиальной симметрии и оптических элементов в переходных геометриях.

2) Исследованы экспериментально и теоретически, с помощью трехмерной модели расчета термонаведенных искажений, переходные геометрии оптических элементов. Обнаружена зависимость деполяризации от отношения диаметра ОЭ к его длине для бокового теплоотвода («короткий стержень») и зависимость деполяризации от диаметра пучка для торцевого теплоотвода («толстый диск»).

3) Теоретически и экспериментально исследована возможность использования в # оптических устройствах ОЭ с квадратной апертурой взамен традиционно

применяемых элементов с круглой апертурой для уменьшения термонаведенной деполяризации проходящего через них излучения. Рассчитан ИФ, работающий с лазерными пучками с «квадратным» поперечным распределением интенсивности.

4) Создан ИФ работающий с неполяризованным светом на одном ОЭ, через который проходят две ортогонально поляризованных составляющих неполяризованного пучка, предварительно разделенных на входном поляризаторе. Экспериментально и теоретически показано, что при оптимизации параметров излучения и ОЭ можно добиться снижения термонаведенной деполяризации относительно схемы с двумя независимыми ОЭ для обоих пучков за счет взаимного теплового влияния пучков.

5) Экспериментально исследованы характеристики (постоянная Верде, термонаведенная деполяризация и термонаведенная линза) ряда перспективных сред в диапазоне температур 80-300К: кристаллы ТЬ:СаБ2 и СёМпТе, новые стекла на основе германиево-боратной матрицы с высоким содержанием оксида тербия, керамики ТГГ и ТАГ и допированного церием ТАГ.

6) Созданы ИФ работающие с высокой мощностью излучения на новых магнитооптических средах, в них исследованы тепловые эффекты: термонаведенная деполяризация и тепловая линза, и проведена оценка максимальной мощности излучения при которой обеспечивается стабильная изоляция ЗОдБ. В том числе создан криогенный ИФ на гадолиний-галлиевом гранате (ГГГ) с одновременной компенсацией термонаведенной деполяризации и термолинзы с помощью стекла БК51 с отрицательным ёп/сГГ и реализованы ИФ на основе магнитооптических керамик ТГГ, ТАГ и Се:ТАГ. На этих средах были созданы ИФ с водяным охлаждением по

+ классической схеме и ИФ с компенсацией термодеполяризации.

Научная новизна работы

В работе получены оригинальные результаты, которые подтверждают научную новизну и высокую значимость диссертационной работы. Среди них следует отметить наиболее важные результаты:

1) Теоретически и экспериментально показана значительная зависимость термонаведенной деполяризации от отношения диаметра пучка к диаметру оптического элемента и отношения длины оптического элемента к его диаметру в переходных геометриях «короткий стержень» и «толстый диск». Также показано, что деполяризация зависит от отношения диаметра пучка к диаметру оптического элемента как в случае торцевого теплоотвода, так и при боковом теплоотводе, однако в последнем случае зависимость значительно слабее и составляет десятки процентов, а не 5-10 раз при изменении диаметра от минимального к максимальному допустимому в этом ОЭ.

2) Теоретически проанализирована и экспериментально реализована схема ИФ на одном оптическом элементе работающего с неполяризованным излучением с высокой средней мощностью, разделенным на два пучка ортогональной поляризации. Реализовано увеличение степени изоляции устройства на 60% по сравнению со схемой изолятора Фарадея с двумя независимыми оптическими элементами.

3) Теоретически и экспериментально исследованы возможности использования в оптических устройствах элементов с квадратной апертурой. Показано что в оптимальной ориентации такие элементы позволяют уменьшить термонаведенную деполяризацию проходящего через них излучения относительно традиционно применяемых элементов с круглой апертурой. Рассчитан ИФ, работающий с лазерными пучками с «квадратным» поперечным распределением интенсивности.

4) Экспериментально исследованы характеристики (постоянная Верде, термонаведенная деполяризация и термонаведенная линза) ряда перспективных сред в диапазоне температур 80-300К: кристаллы СаР2 и ТЬ:СаБ2 и СёМпТе, кварц, новые стекла на основе германиево-боратной

матрицы с высоким содержанием оксида тербия, керамики ТГГ и ТАГ и допированного церием ТАГ. В частности показано что постоянная Верде оптических керамик тербий-алюминиевого граната (ТАГ) и Се:ТАГ (0.01-0.1 ат. процент) при охлаждении с 293К до 77К растет в 4,27 и 4,6 раза соответственно, что больше чем у ТГГ (3,8 раза). При этом при 80К постоянная Верде ТАГ в 1.36 раз, а Се:ТАГ в 1.66 раз больше постоянной Верде ТГГ. По магнитооптической добротности керамики ТАГ превосходят керамику ТГГ в 1,5 раза, а керамики Се:ТАГ(0,05 ат.%) в 1,15 раза.

5) Реализованы ИФ на основе магнитооптических керамик ТГГ, ТАГ и Се:ТАГ работающие с высокой мощностью излучения. На этих средах были созданы ИФ с водяным охлаждением по классической схеме и ИФ с компенсацией термодеполяризации. На керамике ТАГ была получена степень изоляции 38 дБ при 300 Вт излучения. По оценкам 30 дБ изоляции будут обеспечиваться при киловаттом уровне мощности. При использовании схемы с компенсацией получена степень изоляции 39 дБ для ИФ на Се:ТАГ при 300 Вт лазерной мощности и 35 дБ для ИФ на ТГГ при 740 Вт лазерной мощности, что по оценкам должно обеспечить степень изоляции 30 дБ при ~2 кВт лазерной мощности. Также на ТГГ получен ИФ обеспечивающий степень изоляции 30 дБ при мощности до 340 Вт, и оценкой на тепловую линзу при этой же мощности в 6,5 м. Согласно оценкам коэффициент поглощения этой керамики составляет 1,4*10-3 см-1, что сопоставимо с поглощением современных образцов кристаллов ТГГ.

6) Разработан и экспериментально реализован криогенный ИФ на основе ГГГ с одновременной компенсацией термонаведенных деполяризации и линзы с помощью стекла с отрицательным термооптическим коэффициентом. По оценкам такое устройство способно работать с мощностью до 20 кВт.

Научная и практическая значимость работы

В процессе развития лазерной техники постоянно увеличивается средняя мощность импульсно-периодического и непрерывного лазерного излучения. Одним из важных факторов ограничивающих максимальную среднюю мощность излучения являются термонаведенные эффекты, возникающие из-за поглощения излучения в оптических элементах лазеров.

Результаты диссертационной работы могут быть использованы при создании мощных лазерных установок, в частности при расчете АЭ, и при создании ИФ работающих с высоким уровнем лазерной мощности. На основе результатом может быть осуществлен подбор оптимальной геометрии оптических элементов, обеспечивающих меньшую степень деполяризации, а значит и более высокий уровень мощности и качество пучка. Также результаты диссертационной работы могут быть использованы при разработке и создании вращателей Фарадея работающих с неполяризованным излучением.

В рамках работы исследованы наиболее перспективные магнитооптические керамические материалы, результаты могут применяться при создании ИФ с большой оптической апертурой, которые будут значительно превосходить ИФ на основе магнитооптических стекол, которые ранее были практически безальтернативными.

В 2012-2013 годах работа получила поддержку в рамках программы «У.М.Н.И.К.».

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитируемой литературы, включающего и работы автора. Общий объем диссертации составляет 123 страницы, включая 41 рисунок и 3 таблицы. Список цитируемой литературы содержит 104 источника.

Краткое содержание диссертационной работы

В первой главе исследуется влияние переходной геометрии оптического элемента на термонаведенные искажения. Для расчета термонаведенной

деполяризации была создана трехмерная модель, позволяющая рассчитывать температурные изменения, обусловленные этим деформации и напряжения оптических элементов и возникающее из-за этого двулучепреломление.

В первой части первой главы рассматривается такой вопрос, как влияние соотношения диаметра элемента и его длины на термонаведенные искажения. Из-за роста средней и пиковой мощности лазерных установок на оптические элементы накладываются ограничения, связанные с порогом оптического пробоя материала элементов и их покрытий, вследствие этого приходится увеличивать апертуру элементов. Приближенные формулы, хорошо работающие для цилиндрических элементов (длина много больше диаметра), перестают точно описывать термонаведенные эффекты в таком ОЭ. В работе рассматриваются два важных случая: «толстый диск» - элемент с торцевым теплоотводом, но с толщиной сопоставимой с диаметром (например АЭ выполненный как сэндвич-структура из допированной и недопированной частей), «короткий стержень» - элемент с боковым теплоотводом и с толщиной меньше или порядка диаметра. В переходной геометрии проводится анализ и сопоставление деполяризаций рассчитанных численно, полученных экспериментально и вычисленных по аналитических выражениям (для крайних случаев - цилиндра и диска). Приводятся рекомендации по использованию таких элементов в качестве МОЭ ИФ и АЭ.

Во второй части первой главы исследована зависимость термонаведенной деполяризации от диаметра лазерного пучка для оптических элементов в переходной геометрии. Реальные оптические элементы часто имеют форму «толстых дисков»: длина элемента не превышает его диаметра, но теплоотвод осуществляется с боковой поверхности, в отличие от «коротких стержней». Для таких оптических элементов не существует аналитических выражений для вычисления термонаведенной деполяризации.

Вторая глава посвящена исследованию термонаведенной деполяризация в оптических элементах без аксиальной симметрии. Такие оптические элементы часто встречаются в мощных лазерных системах, однако аналитический расчет деполяризации в них сложен, а зачастую вовсе невозможен, поэтому для расчета

термонаведенных искажений излучения была применена трехмерная численная модель, описанная в первой главе.

Первая часть второй главы посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию ИФ работающим с неполяризованным светом. Стандартные схемы ИФ работают с линейно поляризованным светом, а для работы с неполяризованным светом используют два магнитооптических элемента, через которые проходят пучки взаимно ортогональных линейных поляризаций. Эти элементы могут быть помещены как в одну магнитную систему [19], так и в разные [20], при этом ИФ фактически представляет собой два независимых вращателя Фарадея. В этой части работы была предложена схема, впервые применяющаяся для мощных ИФ, где оба пучка с ортогональными поляризациями проходят через один оптический элемент на определенном расстоянии друг от друга. Преимущество данной схемы заключается в том, что за счет взаимного теплового влияния пучков друг на друга уменьшатся градиент температуры и, как следствие, термонаведенная деполяризация. За счет оптимизации размеров МОЭ и расстояния между пучками можно получить выигрыш в деполяризации до 40% относительно схемы с двумя независимыми вращателями, что показано экспериментально и численно.

Вторая часть второй главы посвящена термонаведенной деполяризация в «квадратной» геометрии оптического элемента и лазерного пучка. Пучки с квадратным поперечным сечением и большой средней мощностью довольно распространены. Это связано с рядом факторов: использование слэбовой геометрии АЭ для уменьшения проблем теплоотвода, использование керамических АЭ. Использование традиционных круглых ОЭ для таких пучков не оптимально, в этом разделе производится исследование и оптимизация ОЭ под квадратные пучки.

В третьей главе проводится исследование возможностей применения криогенного охлаждения для улучшения параметров лазерных устройств, в частности изоляторов Фарадея. Применение криогенного охлаждения позволяет улучшить параметры качества магнитооптических сред, в частности постоянную

Верде и теплопроводность, что радикальным образом уменьшает все термонаведенные эффекты.

В первой части третьей главы исследуются среды для мощных ИФ. Проводится сравнение сред по параметру магнитооптической добротности, исследуются температурных зависимостей термооптических характеристик различных магнитооптических сред. Усовершенствование постоянных магнитов и применение криогенного охлаждения позволяют рассматривать в качестве магнитоактивных те среды, которые обладают низкой постоянной Верде или неприменимы при комнатной температуре. Также в первой части третьей главы представлены результаты исследования перспективных керамик на основе ТГГ и ТАГ, допированного церием. Исследованы термонаведенные фазовые и поляризационные искажения излучения.

Во второй части третьей главы проводится исследование ИФ созданных на основе керамик ТАГ и Се:ТАГ. Впервые созданы ИФ на этих средах, в том числе и по схеме с компенсацией деполяризации. Показано, что керамика ТГГ не уступает кристаллу ТГГ, а керамика ТАГ превосходит кристалл ТГГ по степени изоляции в мощных ИФ. Также во второй части третьей главы исследуются криогенный ИФ на основе керамики ТГГ, проводится их сравнение с ИФ на основе моно кристаллов ТГГ.

Криогенный ИФ на гадолиний-галлиевом гранате (ГГГ) был предложен в [21]. В четвертой части третьей главы приводятся результаты исследования возможностей его усовершенствования за счет создания схемы с внешней, одновременной компенсацией термонаведенной деполяризации и термолинзы с помощью стекла FK51. С помощью оптимального охлаждения стекла и ГГГ удалось добиться одновременной компенсации термодеполяризации и термонаведенной линзы, в 6.3 и 3.5 раза соответственно. Следует отметить, что и ГГГ и стекло доступны с апертурой превышающей 10-15 см, что позволяет применять такую схему в мощных лазерных установках, с высокими требованиями на отсутствие фазовых искажений.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Старобор, Алексей Викторович, 2015 год

Список литературы

Garrec B.J. Le, Hernandez-Gomez С., Winstone Т., Collier J. HiPER laser architecture principles // J. Phys. Conf. Ser. 2010. Vol. 244, № 3. P. 032020.

Giesen A. et al. Scalable concept for diode-pumped high-power solid-state lasers // Appl. Phys. B. 1994. Vol. 58, № 5. p. 365-372.

Cai H. et al. Continuous-wave and Q-switched performance of an Yb:YAG/YAG composite thin disk ceramic laser pumped with 970-nm laser diode // Chinese Opt. Lett. 2008. Vol. 6, № 11. P. 852-854.

Stidmeyer T. et al. High-power ultrafast thin disk laser oscillators and their potential for sub-100-femtosecond pulse generation // Appl. Phys. В Lasers Opt. 2009. Vol. 97, № 2. P. 281-295.

Tokita S., Kawanaka J., Fujita M., Kawashima Т., Izawa Y. Sapphire-conductive end-cooling of high power cryogenic Yb:YAG lasers // Appl. Phys. B. 2005. Vol. 80, № 6. P. 635-638.

Rand D., Miller D., Ripin D.J., Fan T.Y. Cryogenic Yb3+-doped materials for pulsed solid- state laser applications // Opt. Mater. Express. 2011. Vol. 1, № 3. P. 434-450.

Zheleznov D.S., Starobor A. V., Palashov О. V., Khazanov E.A. Cryogenic Faraday isolator with a disk-shaped magneto-optical element // J. Opt. Soc. Am. B. 2012. Vol. 29, № 4. P. 786-792.

Mukhin I., Voitovich A., Palashov O., Khazanov E. 2.1 Tesla permanent-magnet Faraday isolator for subkilowatt average power lasers // Opt. Commun. Elsevier B.V., 2009. Vol. 282, № 10. P. 1969-1972.

t

9. Е.А. Миронов, И.Л. Снетков, А.В. Войтович, О.В. Палашов, "Изолятор Фарадея на постоянных магнитах с напряженностью поля 25 кЭ'У/ Квант, электроника, 2013, 43 (8), 740-743.

10. Zheleznov D., Starobor A., Palashov О. High-power Faraday isolators based on TAG ceramics // Opt. Express. 2014. Vol. 22, № 3. P. 740-743.

11. Zheleznov D., Starobor A., Palashov O., Lin H., Zhou S. Improving characteristics of Faraday isolators based on TAG ceramics by cerium doping. // Opt. Lett. 2014. Vol. 39, № 7. P. 2183-2186.

12. Slack G.A., Oliver D.W. Thermal conductivity of garnets and phonon scattering by rare-earth ions // Phys. Rev. B. 1971. Vol. 4, № 2. P. 592-609.

13. Wang B.S., Jiang H.H., Zhang Q.L., Yin S.T. Thermal conductivity of garnet laser crystals // Proc. SPIE. Spie, 2007. Vol. 6823, № 2007. P. 6823 IP - 6823 IP - 9.

14. Popov P. a. et al. Thermal conductivity of CaF2 optical ceramic // Dokl. Phys. 2007. Vol. 52, № l.P. 7-9.

15. Aggarwal R.L., Ripin D.J., Ochoa J.R., Fan T.Y. Thermo-optic properties of laser crystals in the 100-300 К temperature range: Y3A15012 (YAG), YAI03 (YALO) and LiYF4 (YLF) // Nanobiophotonics and Biomedical Applications II / ed. Hoffman H.J., Shori R.K. Proc. SPIE, 2005. Vol. 5707. P. 165-170.

16. Scott W.C., de Wit M. Birefringence compensation and TEMoo mode enhancement in a Nd:YAG laser // Appl. Phys. Lett. 1971. Vol. 18, № 1. P. 3-4.

17. Е.А. Хазанов, "Компенсация термонаведенных поляризационных искажений в вентилях Фарадея"// Квант, электроника, 1999, 26 (1), 59-64.

18. Zelenogorsky V. V, Khazanov E.A., Palashov O. V, Poteomkin A.K., Soloviev A.A. Compensation of isotropic thermal lens in Faraday isolators by means of

uniaxial crystal // XII Conference on Laser Optics. St. Petersburg, 2006. P. ThR4-ThR34.

19. Nicklaus K., Daniels M., Hohn R., Hoffmann D. Optical isolator for unpolarized laser radiation at multi-kilowatt average power // Adv. Solid-State Photonics. Incline Village, Nevada, USA: OSA, 2006. P. 5-7.

20. Nicklaus K., Langer T. Faraday isolators for high average power fundamental mode radiation // Solid State Lasers XIX: Technology and Devices. 2010. Vol. 7578. P. 75781U - 75781U - 10.

21. Starobor A. V., Zheleznov D.S., Palashov О. V., Khazanov E.A. Magnetoactive media for cryogenic Faraday isolators // JOSA B. 2011. Vol. 28, № 6. P. 1409-1415.

22. Мезенов A.B., Соме JI.H., Степанов А.И. Термооптика твердотельных лазеров. Ленинград: Машиностроение, 1986. 199 стр.

23. Л. Н. Соме, А. А. Тарасов, "Термические деформации активных элементов лазеров на центрах окраски. I. Теория"// Квант, электрон., 6:12 (1979), 2546-2551.

24. Koechner W., Rice D.K. Effect of birefringence on the performance of linearly polarized YAG:Nd lasers // IEEE J. Quantum Electron. 1970. Vol. QE-6, № 9. P. 557-566.

25. Л. H. Соме, А. А. Тарасов, В. В. Шашкин, "К вопросу о деполяризации линейно-поляризованного излучения лазерным активным элементом из АИГ: Nd в условиях термически наведенного двулучепреломления" // Квант, электрон., 7:3 (1980), 619-621

#

26. И.Б. Мухин, Е.А. Хазанов, "Использование тонких дисков в изоляторах Фарадея для лазеров с высокой средней мощностью"// Квант, электроника, 2004, 34 (10), 973-978.

27. Khazanov Е. Slab-based Faraday isolators and Faraday mirrors for lOkW average laser power // Appl. Opt. 2004. Vol. 43, № 9. P. 1907-1913.

28. Okada H., Sumimura K., Yoshida H., Fujita H., Nakatuska M. Ceramic Nd:YAG split-disk laser amplifier with a 10 J output energy // Conference on Lasers and Electro-Optics. Baltimore, MD, 2005. P. JTuC25.

29. Wentsch K.S. et al. Yb : CaF2 thin-disk laser // Opt. Express. 2014. Vol. 22, № 2. P. 1524-1532.

30. Rothhardt C., Rekas M., Kalkowski G., Eberhardt R., Tiinnermann A. New approach to fabrication of a Faraday isolator for high power laser applications // Proc. SPIE / ed. Heisterkamp A., Meunier M., Nolte S. 2012. Vol. 8237. P. 82373Z - 82373Z - 8.

31. Lin H., Zhou S., Teng H. Synthesis of ТЬзА15012 (TAG) transparent ceramics for potential magneto-optical applications // Opt. Mater. (Amst). Elsevier B.V., 2011. Vol. 33, № 11. P. 1833-1836.

32. Khazanov E. et al. Effect of terbium gallium garnet crystal orientation on the isolation ratio of a Faraday isolator at high average power // Appl. Opt. 2002. Vol. 41, №3. P. 483—492.

33. Eggleston J., Kane Т., Kuhn K., Unternahrer J., Byer R. The slab geometry laser -Part I: Theory // IEEE J. Quantum Electron. 1984. Vol. 20, № 3. P. 289-301.

34. Kane Т., Eggleston J., Byer R. The slab geometry laser - Part II: Thermal effects in a finite slab // IEEE J. Quantum Electron. 1985. Vol. 21, № 8. P. 1195-1210.

35. Koechner W., Rice D.K. Birefringence of YAG:Nd laser rods as a function of growth direction // J. Opt. Soc. Am. 1971. Vol. 61, № 6. P. 758-766.

36. Ландау Л.Д., Лифшиц E.M. Теоретическая физика (Том 7. Теория упругости). М.: Наука, 1987..

37. Sadd М. Elasticity: theory, applications, and numerics. Boston: Academic Press, 2009.

38. Timoshenko S., Goodier J.N. Theory of elasticity. 2d ed. New York: McGraw-Hill, 1951. № 6.

39. Zarubina Т. V, Mal'shakov A.N., Pasmanik G.A., Poteomkin A.K. Comparative characteristics of magnetooptical glasses // Opt. Zhurnal. 1997. Vol. 64, № 11. P. 67-71.

40. Snetkov I.L., Yasuhara R., Starobor A. V., Palashov О. V. TGG ceramics based Faraday isolator with external compensation of thermally induced depolarization // Opt. Express. 2014. Vol. 22, № 4. P. 4144-4151.

41. Yasuhara R. et al. Terbium gallium garnet ceramic Faraday rotator for high-power laser application // Opt. Lett. 2014. Vol. 39, № 5. P. 1145-1148.

42. Starobor A. V., Palashov О. V. Thermally-induced depolarization in the optical elements of the transition configuration // Laser Phys. Lett. 2014. Vol. 11, № 12. P. 125003.

43. Starobor A. et al. Study of the properties and prospects of Ce:TAG and TGG magnetooptical ceramics for optical isolators for lasers with high average power // Opt. Mater. Express. 2014. Vol. 4, № 10. P. 2127.

44. Kiriyama H. et al. Laser-diode-pumped eight-pass Nd: YAG slab amplifier // Advanced High-Power Lasers / ed. Basu S. Proc. SPIE, 1998. Vol. 3264. P. 30-36.

45. Brown D.C. Nonlinear thermal and stress effects and scaling behavior of YAG slab amplifiers // IEEE J. Quantum Electron. 1998. Vol. 34, № 12. P. 2393-2402.

46. Kawashima T. et al. 20-J diode-pumped zig-zag slab laser with 2-GW peak power and 200-W average power // Advanced Solid-State Photonics. Vienna, Austria, 2005. P. TuB44.

47. Furuse H. et al. Output characteristics of high power cryogenic YbrYAG TRAM laser oscillator // Opt. Express. 2012. Vol. 20, № 19. P. 21739.

48. Kagan M.A., Khazanov E.A. Thermally induced birefringence in Faraday devices made from terbium gallium garnet-polycrystalline ceramics. // Appl. Opt. 2004. Vol. 43, № 32. P. 6030-6039.

49. Хазанов E. А., Сергеев A. M. "Петаваттные лазеры на основе оптических параметрических усилителей: состояние и перспективы"// УФН, 178, 1006— 1011 (2008).

50. Yamanaka М. et al. Laser-diode pumped lOJxlOHz Nd:glass slab laser for inertial fusion energy // First International Conference on Inertial Fusion Sciences and Applications. Bordeaux, France, 1999. P. Tu02cl 199.

51. Mironov E.A., Starobor A. V., Voitovich A. V., Palashov О. V. A Faraday isolator with a square optical aperture // Opt. Commun. 2014. Vol. 338, № 2. P. 565-568.

52. Tokita S., Kawanaka J., Izawa Y., Fujita M., Kawashima T. 23.7-W picosecond cryogenic-Yb:YAG multipass amplifier // Opt. Express. 2007. Vol. 15, № 7. P. 3955-3961.

53. Brown D.C. The promise of cryogenic solid-state lasers // IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 2005. Vol. 11, № 3. P. 587-599.

*

Ripin D.J., Ochoa J.R., Aggarwal R.L., Fan T.Y. 165-W cryogenically cooled Yb:YAG laser // Opt. Lett. 2004. Vol. 29, № 18. P. 2154-2156.

55. Д.С. Железнов, A.B. Войтович, И.Б. Мухин, O.B. Палашов, Е.А. Хазанов, "Значительное уменьшение термооптических искажений в изоляторах Фарадея при их охлаждении до 77 К" // Квант, электроника, 2006, 36 (4), 383-388.

56. Savinkov V.I. et al. Borogermanate glasses with a high terbium oxide content // J. Non. Cryst. Solids. Elsevier B.V., 2010. Vol. 356, № 33-34. P. 1655-1659.

57. Zarubina Т. V, Petrovsky G.T. Magnetooptical glasses made in Russia // Opt. Zhurnal. 1992. Vol. 59, № 11. P. 48-52.

58. Averbakh V.S. et al. Induced scattering and self-action in gases and their effect on propagation of optical radiation (survey) // Radiophys. Quantum Electron. 1978. Vol. 21, №8. P. 755-775.

59. Malshakov A.N., Pasmanik G., Poteomkin A.K. Comparative characteristics of magneto-optical materials // Appl. Opt. 1997. Vol. 36, № 25. P. 6403-6410.

60. Khazanov E., Mo C. Faraday Isolators for High Average Power Lasers // Advances in Solid-State Lasers: Development and Applications / ed. Grishin M. 2010. Vol. 13, № February.

61. Д.С. Железнов, B.B. Зеленогорский, E.B. Катин, И.Б. Мухин, O.B. Палашов, Е.А. Хазанов, "Криогенный изолятор Фарадея"// Квант, электроника, 2010, 40 (3), 276-281.

62. Zarubina Т. V, Kim Т.А., Petrovskiy G.T., Smirnova L.A., Edel'man I.S. Temperature dependence and dispersion of Faraday effect in glass based on oxide of terbium and cerium // Opt. Promyshlennost'. 1987. Vol. 11. P. 33-45.

63. Padula C.F., Young C.G. 5.4-Optical isolators for high-power 1.06-micron glass

* laser system // Quantum Electron. IEEE J. 1967. Vol. QE-3, № 11. P. 493-498.

64. Davis J. a, Bunch R.M. Temperature dependence of the Faraday rotation of Hoya FR-5 glass. // Appl. Opt. 1984. Vol. 23, № 4. P. 633.

65. Zheleznov D.S., Khazanov E.A., Mukhin I.B., Palashov О. V, Voytovich A. V. Faraday rotators with short magneto-optical elements for 50-kW laser power // IEEE J. Quantum Electron. 2007. Vol. 43, № 6. P. 451^57.

66. Barnes N.P., Petway L.P. Variation of the Verdet constant with temperature of TGG // J. Opt. Soc. Am. B. NASA Langley Res. Center, Hampton, VA, USA, 1992. Vol. 9, № 10. P. 1912-1915.

«

67. C.B. Антонов, X.C. Багдасаров, И. Вархульска, А.П. Додокин, В. Неквасил, М.В. Ремизов, А.А. Сорокин, Е.А. Федоров, "Электронный парамагнитный резонанс и магнитная восприимчивость кристаллов HAT:Nd " // Квант, электроника, 1993, 20 (4), 374-376.

68. Mukimov К.М., Sokolov B.Y., Valiev U. V. The Faraday Effect of Rare-Earth Ions in Garnets // Phys. Status Solidi. 1990. Vol. 119, № 1. P. 307-315.

* 69. Pastor R., Pastor A.C., Miller K.T. Solid-solution of RF3 in CaF2 // Mater. Res.

Bull 1974. Vol. 9, № 9. P. 1247-1251.

70. Pastor R.C., Robinson M., Hastings A.G. Congruently-melting compounds of RF3 in CaF2 // Mater. Res. Bull. 1974. Vol. 9, № 6. P. 781-786.

71. Pastor R.C., Pastor A.C., Miller K.T. Congruently melting compounds of RF3 in CaF2: Part II // Mater. Res. Bull. 1974. Vol. 9, № 9. p. 1253-1259.

72. Kuznetsov I., Mukhin I., Silin D., Palashov O. Thermal conductivity

* measurements using phase-shifting interferometry // Opt. Mater. Express. 2014. Vol. 4, № 10. P. 2204.

73. Зарубина Т.В., Малыиаков А.Н., Пасманик Г. А., Потемкин А.К. Сравнительные характеристики магнитооптических стекол // Оптический журнал. 1997. Vol. 64, № 11. Р. 67-72.

74. Ivanov I. et al. Terbium gallium garnet for high average power Faraday isolators: modern aspects of growing and characterization // CLEO /EUROPE-EQEC 2009. Munich, Germany, 2009. P. CE.P.12 MON.

75. M.A. Каган, E.A. Хазанов, "Компенсация термонаведенного двулучепреломления в активных элементах из поликристаллической керамики" // Квант, электроника, 2003, 33 (10), 876-882.

76. Yasuhara R., Furuse Н. Thermally induced depolarization in TGG ceramics // Opt. Lett. 2013. Vol. 38, № 10. P. 1751-1753.

77. Vyatkin A.G., Khazanov E.A. Thermally induced scattering of radiation in laser ceramics with arbitrary grain size // J. Opt. Soc. Am. B. 2012. Vol. 29, № 12. P. 3307.

78. Yasuhara R. et al. Novel Faraday Rotator by Use of Cryogenic TGG Ceramics // Rev. Laser Eng. 2008. Vol. 36, № APLS. P. 1306-1309.

79. Snetkov I.L. et al. Thermo-optical constants of sesquioxide laser ceramics Yb3+ :Ln203 (Ln=Y,Lu,Sc) // Phys. Status Solidi. 2013. Vol. 10, № 6. P. 907-913.

80. Snetkov I. et al. Study of the thermo-optical constants of Yb doped Y203, LU2O3 and Sc203 ceramic materials // Opt. Express. 2013. Vol. 21, № 18. P. 21254-21263.

81. Yasuhara R. et al. Terbium gallium garnet ceramic Faraday rotator for high-power laser application // Opt. Lett. 2014. Vol. 39, № 5. P. 1145-1148.

82. Williams P., Rose A., Day G. Temperature dependence of the Verdet constant in several diamagnetic glasses // Appl. Opt. 1991. Vol. 30, № 10. P. 1176-1178.

#

Jiménez-González H., Aggarwal R., Becla P. Near-infrared Faraday rotation of Cdl-xMnxTe // Phys. Rev. B. 1992. Vol. 45, № 24. P. 14011-14018.

84. Hwang Y. et al. Temperature dependence of the Faraday rotation in diluted magnetic semiconductors Cdi_x-yMnxZnyTe crystals // J. Magn. Magn. Mater. 2006. Vol. 304, № 1. P. e312-e314.

85. Weila R. Some optical and thermal properties of CdMnTe. 1995. № 3. P. 9-10.

86. Kowalczyk L., Koziarska-Glinka B., Khoi L. Near band-gap optical nonlinearities and bistability in Cd!_xMnxTe // Opt. Mater. (Amst). 2000. Vol. 14. P. 161-170.

87. Weber M. Handbook of optical materials. CRC Press, 2002.

88. Hwang Y.H., Kim H.K., Cho S., Um Y.H., Park H.Y. Magneto-optical properties in diluted magnetic semiconductors Cd0.65-yMn0.35NiyTe single crystals // J. Magn. Magn. Mater. 2007. Vol. 310, № 2. P. 2702-2704.

89. Hwang Y., Chung S.-S., Um Y. Giant Faraday rotation in Cdi.xMnxTe (0 < x < 0.82) crystals // Phys. Status Solidi Curr. Top. Solid State Phys. 2007. Vol. 4, № 12. P. 4453—4456.

90. Yagi H. Konoshima's transparent polycrystalline ceramic for photonics applications // 9th Laser Ceramics Symposium. Daejeon, South Korea, 2013.

91. Starobor A., Yasuhara R., Zheleznov D., Palashov O., Khazanov E. Cryogenic Faraday Isolator Based of TGG ceramics // IEEE J. Quantum Electron. 2014. Vol. 50, № 9. p. 749-754.

92. Yasuhara R. et al. Cryogenic temperature characteristics of Verdet constant on terbium gallium garnet ceramics. // Opt. Express. 2007. Vol. 15, № 18. P. 11255-11261.

93. Rich T.C., Pinnow D. A. Optical Absorption in Fused Silica and Fused Quartz at 1.06 micron. // Appl. Opt. 1973. Vol. 12, № 10. P. 2234.

94. Sviridenko V.I., Medvedev V.A., Rybkin N.P., Gorbunova V.G. The thermal conductivity of KV fused silica at 2-300K // Meas. Tech. 1987. Vol. 30, № 5. P. 454-458.

95. Yasuhara R. et al. Development of cryogenic TGG ceramic based Faraday rotator for inertial fusion driver // J. Phys. Conf. Ser. 2008. Vol. 112, № 3. P. 032059.

96. Khazanov E.A. et al. Compensation of thermally induced modal distortions in Faraday isolators // IEEE J. Quantum Electron. 2004. Vol. 40, № 10. P. 1500-1510.

97. Andreev N. et al. Thermooptical constant of magneto-active glasses // J. Opt. Technol. 2000. Vol. 67, № 6. P. 556-558.

98. Snetkov I.L., Mukhin I., Palashov O., Khazanov E. Compensation of thermally induced depolarization in Faraday isolators for high average power lasers. // Opt. Express. 2011. Vol. 19, № 7. P. 6366-6376.

99. Khazanov E.A., Kulagin O.V., Yoshida S., Tanner D.B., Reitze D.H. Investigation of self-induced depolarization of laser radiation in terbium gallium garnet // IEEE J. Quantum Electron. 1999. Vol. 35, № 8. P. 1116-1122.

100. Yasuhara R., Nozawa H., Yanagitani T., Motokoshi S., Kawanaka J. Temperature dependence of thermo-optic effects of single-crystal and ceramic TGG. // Opt. Express. 2013. Vol. 21, № 25. P. 31443-31452.

101. Wang H.L., DeShazer L.D. Diamagnetic Faraday effect in the garnets YAG, YGG, and GGG // J. Opt. Soc. Am. 1974. Vol. 64, № 10. P. 1383.

102. Rubinstein C.B., Uitert L.G. Van, Grodkiewicz W.H., Van Uitert L.G., Grodkiewicz W.H. Magneto-Optical Properties of Rare Earth (III) Aluminum Garnets // J. Appl. Phys. 1964. Vol. 35, № 10. P. 3069.

103. Tabor W.J., Anderson A.W., Uitert, Van L.G. Visible and infrared faraday rotation and birefringence of single-crystal rare-earth orthoferrites // J. Appl. Phys. 1970. Vol. 41, № 7. P. 3018-3021.

104.

Starobor A. V., Zheleznov D.S., Palashov O. V. Compensation of Thermally Induced Distortions in a GGG-Based Cryogenic Faraday Isolator // IEEE J. Quantum Electron. 2012. Vol. 48, № 9. P. 1120-1127.