Учёные Института прикладной физики РАН (ИПФ РАН) предложили новую геометрию лазерного усилителя. Она позволяет не только получить хорошее качество лазерного пучка, но и существенно снизить тепловые эффекты, возникающие в активных элементах мощных лазеров. Результат исследования опубликован в журнале Journal of Optical Society of America B. (https://opg.optica.org/josab/fulltext.cfm?uri=josab-39-6-1565&id=472838)
Варианты геометрий лазерного усилителя, включая накачку вдоль плоской боковой поверхности, вдоль бокового ребра и вдоль цилиндрической боковой поверхности
Лазеры стали незаменимым прибором для многих областей человеческой деятельности. Сфера их применения включает, например, резку, сварку и микрообработку различных материалов, лазерное омоложение и хирургию, лазерные радары и вторичные источники рентгеновского и терагерцового излучения, лазерные ускорители заряженных частиц. В зависимости от задачи у лазеров варьируются такие параметры, как длина волны, длительность, энергия и частота следования импульсов и др. При этом большинство приложений выигрывают от повышения средней по времени мощности излучения. От этого зависит, с какой скоростью обрабатываются материалы, время воздействия излучения в медицине, а также яркость вторичных источников излучения. Эти параметры наиболее важны на стадии разработки прибора на основе лазера для конкретной задачи.
Однако при повышении средней мощности лазера исследователи сталкиваются с целым рядом проблем. Дело в том, что в процессе усиления лазерного излучения в активном элементе лазера неизбежно выделяется тепло, мощность которого пропорциональна средней мощности излучения (чем мощнее лазер, тем больше тепла). Нагрев активного элемента приводит к пагубным тепловым эффектам, начиная с ухудшения качества выходного пучка и заканчивая разрушением самого элемента. Поэтому, чтобы повысить среднюю мощность, необходимо эффективно выводить тепло из активного элемента. Для этой цели во всем мире применяются особые геометрии тонких активных элементов, которые обладают малой толщиной в направлении отведения тепла и большой площадью охлаждаемой поверхности. Среди них можно выделить тонкие стержни диаметром менее 1 мм и длиной несколько см, тонкие слэбы толщиной менее 1 мм, шириной и длиной более 1 см, и тонкие диски толщиной всего несколько сотен микрон и диаметром более 1 см. Однако изготовление таких элементов, как и их монтаж в систему охлаждения, крайне проблематично. Даже небольшой изгиб элемента приводит к еще более пагубным последствиям, чем сами тепловые эффекты.
Новый способ усиления лазерного излучения, предложенный учеными ИПФ РАН, позволяет использовать активные элементы геометрии стандартных стержней с большим поперечным размером, а с точки зрения тепловых эффектов не уступает усилителю на тонком стержне. Геометрия основана на трех основных аспектах. «Мы используем стандартные стержневые активные элементы с большим поперечным размером и различной формой боковой поверхности, включая стержни круглого и квадратного сечения, – рассказывает Иван Кузнецов, старший научный сотрудник лаборатории диагностики оптических материалов для перспективных лазеров, один из авторов исследования. – Во-вторых, используем торцевую диодную накачку (когда импульс заводится в торец активного элемента) с размером пучка значительно меньшим, чем поперечный размер активного элемента. В-третьих, смещаем пучок накачки максимально близко к охлаждаемой боковой поверхности активного элемента».
Результаты исследований показали, что смещение области накачки позволяет существенно повысить эффективность охлаждения и снизить температуру активного элемента. Возникающие при этом дополнительные тепловые эффекты, связанные с асимметрией задачи теплопроводности, являются незначительными и могут быть легко скомпенсированы при настройке схемы. Также ученым удалось экспериментально продемонстрировать усиление сигнала до средней мощности более 100 Вт при сохранении хорошего качества пучка.
В данной работе исследования проводились на кристалле алюмоиттриевого граната, легированного ионами иттербия (Yb:YAG), однако благодаря простоте предложенную геометрию в перспективе можно применить и в лазерах на других активных средах, включая редкие и уникальные, а также хрупкие и труднообрабатываемые кристаллы и керамики. В качестве продолжения работы исследователи сейчас рассматривают перспективу применения данной геометрии в многоканальных лазерных системах. Идея заключается в том, что можно использовать один-единственный активный элемент для одновременного усиления нескольких лазерных пучков, которые проходят вдоль его боковых граней или ребер.
Исследование проводилось при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект №18-12-00416).
Информация и фото предоставлены пресс-службой ИПФ РАН
Источник фото: ИПФ РАН
