Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Квантовая электроника

Диссертационная работа:

Храмов Валерий Юрьевич. Оптотехника мощных твердотельных лазеров : Дис. ... д-ра техн. наук : 05.27.03 : Санкт-Петербург, 2002 362 c. РГБ ОД, 71:04-5/28-9

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

Введение 4

Глава 1, Обзор литературы 14

1.1. Оптотехника мощных твердотельных лазеров и проблема

увеличения яркости излучения лазеров 14

1.2. Методы расчета характеристик пространственных мод

в оптических резонаторах 26

1.3. Применение приближения геометрической оптики при исследовании

и разработке оптических резонаторов твердотельных лазеров 32

Глава 2. Исследование внутрирезонаторных оптических элементов.,.. 35

2.1. Исследование оптического качества активных элементов

твердотельных лазеров 35

2.2 Исследование и оптимизация систем оптической накачки

твердотельных лазеров . 44

  1. Термоиндуцированные аберрации оптических элементов твердотельных лазеров , 63

  2. Исследование нелинейности показателя преломления

элементов оптических схем лазеров 81

Глава 3. Моделирование пространственно-временных характеристик
излучения твердотельных лазеров с учетом изменения
параметров активной среды в процессе генерации 105

  1. Дифракционная модель твердотельного лазера с активной средой 105

  2. Исследование твердотельного лазера с внутрирезонаторным телескопом 132

  3. Исследование пространственно-энергетических характеристик

внутрирезонаторных параметрических генераторов света 149

Глава 4. Применения градиентных зеркал в резонаторах мощных

твердотельных лазеров 167

4.1. Основы использования градиентных элементов в лазерной технике 167

  1. Моделирование пространственно-энергетических характеристик твердотельных лазеров с градиентными зеркалами 179

  2. Экспериментальные исследования характеристик твердотельных

лазеров с градиентными зеркалами 220

Глава 5. Примеры разработок мощных твердотельных лазерных

систем различного назначения 228

  1. Лазерный излучатель для космической программы "Фобос" 228

  2. Мощные высокоэффективные компактные твердотельные лазеры

для систем космической связи и дистанционного зондирования 237

  1. Сверхлегкий лазерный излучатель для блока дальномера приборного комплекса спускаемого аппарата космической программы Марс-96 256

  2. Квазинепрерывные лазерные излучатели высокой яркости для комплексов дистанционного мониторинга атмосферы 271

  3. Лазерные излучатели для стоматологических комплексов ЛАЗМАиОЫУХ 282

  4. Ультрафиолетовый 200 нм твердотельный лазер 297

  5. Исследование мощного лазера на неодимовом стекле 303

Заключение 323

Литература 326

Приложение!. Определение компонент тензора нелинейной восприимчивости

оптических сред при измерениях методом АСКР-спектроскопии 339

Приложение 2. Акты внедрения 352

Введение к работе:

Актуальность работы. Твердотельные лазеры (ТЛ) являются одним из наиболее распространенных типов лазерных излучателей. Они широко используются при построении лазерных комплексов, предназначенных для применения в научных исследованиях, в разнообразных технических устройствах, в технологических установках, военном деле, медицинских приборах. Столь значительное разнообразие применения твердотельных лазеров обусловлено возможностью широкого выбора активных сред, способных генерировать мощное световое излучение в различных спектральных диапазонах и в чрезвычайно широком временном интервале длительностей импульсов, относительной простотой, доступностью и достаточно высокой надежностью оптико-механических узлов, из которых собираются лазерные излучатели, отсутствием экологически вредных компонент и комплектующих, возможностью установки лазерных комплексов на различных носителях, сохранения работоспособности в широком диапазоне температур окружающей среды, относительно невысокой общей стоимостью твердотельных лазеров. По данным журнала Laser Focus World ТЛ с ламповой накачкой по объему продаж, который составил в 2001 году более 750 млн. долларов, продолжали занимать первое место среди всех типов 'недиодных' лазеров. Эффективность и стабильность ТЛ с ламповой накачкой уступают бурно прогрессирующим в последнее десятилетие твердотельным лазерным системам, в которых источником оптической накачки твердотельной активной среды служат полупроводниковые лазеры. Однако стоимость и предельные энергетические характеристики твердотельных лазеров с накачкой лазерными диодами в настоящее время все еще значительно уступают классическим ТЛ с ламповой накачкой.

В этой связи необходимость решения задач развития и оптимизации оптотехнических параметров ТЛ, которые в большинстве случаев не являются противоречивыми для излучателей с ламповой накачкой и накачкой лазерными диодами, не потеряет своей актуальности еще в течение многих десятилетий. Большинство методов, разработанных для систем с ламповой накачкой, могут быть практически без изменений, а во многих случаях даже со значительными упрощениями, использованы при разработке и создании твердотельных лазеров с диодной накачкой. Поэтому актуальность настоящей работы, в которой рассмотрение проблем моделирования, исследования, разработки и оптимизации оптотехнических систем мощных ТЛ проведено на примере ТЛ с ламповой накачкой, представляется несомненной и полученные основные результаты могут быть применены при решении

многих задач, обусловливающих развитие и прогресс лазерной оптики и лазерной техники.

К оптотехническим системам твердотельных лазеров следует отнести в первую очередь традиционные оптические системы, а именно:

Оптические системы осветителей, предназначенные для передачи световой энергии от источника накачки к активным элементам лазерных излучателей.

Внутрирезонаторные оптические системы, составляющие оптический резонатор лазера и служащие для управления и формирования пространственно-временных и спектральных характеристик генерируемого излучения.

Внерезонаторные оптические системы лазерных излучателей, устанавливаемые в усилительных каскадах лазерных излучателей или каскадах нелинейно-оптического преобразования лазерного излучения.

Оптические системы доставки и формирования заданных пространственных характеристик излучения на облучаемом объекте (мишени).

Кроме того, очевидно, немаловажное значение играют оптические и технические системы, обеспечивающие как эффективность работы непосредственно ТЛ, так и позволяющие выполнить работы по исследованию и разработки ТЛ в наикратчайшие временные сроки и с наименьшими финансовыми затратами. К этой группе систем следует отнести:

комплексы контроля оптических неоднородностей всех оптических элементов резонатора лазера, в т. ч. и в процессе генерации,

лазерные комплексы по измерению важнейших характеристик оптических сред(в т.ч. и нелинейно-оптических), которые определяют возможность их применения в оптическом тракте мощных ТЛ,

технические системы обеспечения заданных тепловых режимов функционирования оптических элементов,

электронные системы формирования заданных параметров разрядного тока в источниках накачки и параметров управления электронно-оптическими элементами лазера.

Конечная цель разработки лазерного комплекса — достижение требуемых энергетических, пространственных, временных и спектральных параметров излучения на мишени, может быть оптимально решена только при учете взаимосвязи всех оптотехнических систем, как входящих в состав лазерной системы, так и обеспечивающих ее разработку.

Цель и задачи работы. Создание аппаратного и программного обеспечения проектирования оптотехнических систем мощных твердотельных лазеров, в т.ч. для комплексов дистанционного зондирования и медицины. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

Анализ совокупности физических и расчетных моделей, применяемых при разработке твердотельных лазеров, и разработка усовершенствованной системы моделирования мощных ТЛ, позволяющей определить пространственно-временные характеристики излучения мощных ТЛ с учетом влияния активной среды, воздействия систем оптической накачки, особенностей теплового режима.

Исследование оптических неоднородностей элементов резонатора ТЛ, позволяющее осуществить гарантированную классификацию и отбор активных элементов.

Экспериментальное исследование нелинейности показателя преломления оптических сред, применяемых при создании твердотельных лазеров.

Разработка, оптимизация и применение ряда оригинальных оптических элементов, определяющих свойства лазерных схем (внутрирезонаторные телескопы, интсрферометрические отражатели, поляризационные отражатели, градиентные оптические элементы, пассивные затворы, многоэлемеитные квантроны, нелинейно-оптические кристаллы и т.д.).

Научная новизна работы определяется тем, что в ней впервые:

  1. Предложен и реализован новый метод контроля оптических неоднородностей (метод максимального контраста) элементов схем твердотельных лазеров .

  2. Экспериментально доказана возможность измерения значений нелинейности показателя преломления оптических сред экспресс-методами, основанными на спектроскопии трехволнового смешения (АСКР-спектроскопии,).

  3. Обоснована и развита компьютерная модель определения пространственно-временных характеристик излучения генерации твердотельных лазеров, позволяющая учитывать изменения параметров активной среды в дифракционном приближении в процессе генерации. Показана возможность расширения данной модели на случай внутрирезонаторной параметрической генерации света.

  1. Определены основные характеристики и проведено систематические исследование градиентных оптических элементов с негауссовым радиальным пространственным профилем коэффициента отражения.

  1. Проведены систематические экспериментальные и теоретические исследования оптических схем мощных твердотельных лазеров с применением внутрирезонаторных телескопов, интерферометрических отражателей, градиентных оптических элементов.

  2. Проведены исследования динамики развития термооптических искажений, наводимых в активных элементах из неодимового стекла, при миллисекундных длительностях импульсов накачки.

  3. Разработаны критерии оценки необходимой точности задания параметров хладагента при ступенчатой термостабилизации активных элементов из неодимового стекла при работе в режиме генерации нескольких импульсов.

  4. Осуществлено исследование самофокусировки, самоотклонения и нелинейного рассеяния лазерного излучения в оптической керамике.

  5. Экспериментально определен и обоснован критерий, позволяющий связать расчетные и экспериментально наблюдаемые параметры угла расходимости излучения при многомодовом режиме генерации Er:YAG лазеров, что позволило в значительной степени упростить и ускорить процедуру оптимизации EnYAG лазеров.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту.

  1. Метод максимального контраста, позволяющий определить оптическую неоднородность лазерных кристаллов и осуществить их обоснованный отбор для применения в излучателях мощных твердотельных лазеров с целью увеличения яркости излучения.

  2. Экспресс-метод АСКР-спектроскопии на базе применения двух твердотельных лазеров с частотным сдвигом линий генерации 27 см"1, позволяющий провести измерения нелинейности показателя преломления оптических материалов. Методика определения независимых компонент тензора x'tl кубичной нелинейности для изотропных и одноосных

кристаллов,

  1. Модель оптического резонатора твердотельного лазера, учитывающая свойства активной среды, и результаты исследования пространственно-временных характеристик излучения ТЛ, в т.ч. динамики изменения кривизны волнового фронта в течение импульса генерации.

  2. Модель расчета характеристик внутрирезонаторных параметрических генераторов света (ПГС) и результаты исследования ПГС с активной средой

на основе кристаллов КТР для оптимизации конфигурации зеркал резонатора ПГС.

  1. Методика и результаты исследования влияния структуры модельных градиентных зеркал на пространственные характеристики излучения лазеров,

  2. Оптические схемы твердотельных лазеров, включающие многоэлементные квантроны, внутрирезонаторные перестраиваемые телескопы, интерферометрические отражатели, градиентные оптические элементы, применение которых позволяет реализовать режим генерации излучения лазера с максимальной яркостью, уменьшить массово-габаритные параметры ТЛ, увеличить их энергетическую эффективность, добиться повышенной устойчивости выходных пространственно-энергетических характеристик излучения к воздействию возмущающих факторов.

  3. Взаимосвязь между экспериментально измеренным углом расходимости выходного излучения EnYAG лазеров, работающих в режиме свободной генерации, и расчетным значением угла расходимости, используемым при моделировании резонаторов с применением аппарата ABCD-матриц.

Практическая ценность работы состоит в создании целостной системы обеспечения исследования и разработки мощных твердотельных лазеров, которая позволила успешно решить ряд важных задач лазерной техники и квантовой электроники. Большая часть проведенных исследований и разработок осуществлялась в рамках выполнения важнейших Государственных программ, в соответствии с координационными планами АН СССР по проблеме "Квантовая радиофизика и квантовая электроника", перечнем критических технологий Российской Федерации по разделу "Лазерные и электронно-ионно-плазменные технологии". Реализация результатов работы отражена актами внедрения от предприятий и организаций, в т.ч от института космических исследований РАН, института кристаллографии РАН, ФГУП ГОИ им. СИ. Вавилова, ГУП НИИ Лазерной физики, ГП УНП "Лазерный центр ИТМО", белорусско-японского совместного предприятия LOTIS ТИ и др.

Результаты настоящей работы широко внедрены в учебный процесс при разработке Государственного образовательного стандарта по специальности 072300 "Лазерная техника и лазерные технологии" и при подготовке студентов по специальности 072300 на кафедре квантовой электроники и биомедицинской оптики СПбГИТМО(ТУ). Материалы диссертационной работы были частично использованы автором при написании учебных и учебно-методических пособий по дисциплинам

"Твердотельные лазеры', "Элементы лазерных систем", "Теория лазеров", "Лазерная техника", "Нелинейная оптика" и др.

Личный вклад автора. Диссертация написана по материалам исследований выполненных лично автором, при его участии или под его руководством. Автором выполнены исследования, определившие защищаемые положения и методики. Соавторство, в основном, относится к практической реализации и выполнению части экспериментальных исследований.

Апробация работы и публикации. Результаты работы обсуждались и докладывались на следующих конференциях и заседаниях: Всесоюзной конференции "Применение лазеров в науке и технике", Ленинград, 1980; V Всесоюзном совещания по нерезонансному взаимодействию оптического излучения с веществом, Ленинград, 1981; II Всесоюзной научно-технической конференции "Применение лазеров в технологии и системах передачи и обработки информации", Ленинград, 1984; V Международном симпозиуме "Сверхбыстрые процессы в спектроскопии", Вильнюс, 22-25авг. 1987г.; Международной конференции "Фобос". Научно-методологические аспекты исследований. АН СССР, Москва,, 24-28 ноября 1988г.; XIII международной конференции по когерентной и и нелинейной оптике, Минск, 6-9сент. 1988г.; Всесоюзной конференции "Применение лазеров в народном хозяйстве", Москва, 1989г.; 4 международном семинаре "Научное космическое приборостроение ",17-23 сентября 1989г., г.Фрунзе; VI Всесоюзной конференции "Оптика лазеров" Ленинград., 2-7 марта1990г.; OSA, CLEO'90, Anaheim, USA, May 1990; Conference on OE Laser'93, Los-Angeles, USA, Jan/1993; VIII Международной конференции "Оптика лазеров", С-П., 1995г, конференциях Прикладная оптика-96-2002, XVII-XXX научно-технических конференциях проф.-препод. состава ИТМО(ТУ); IX Международной конференции "Оптика лазеров", С-П., 1998г., Российской научно-практической конференции Оптика и научное приборостроение - ФЦП "Интеграция" 25-28 янв, 1999г.; X Международной конференции "Оптика лазеров", С-П., 2000г.; 2 международной конференции Лазеры, измерения, информация, С-Пб, 2001г.; 7-th International Symposium on Laser Metrology applied to Science, Industry and Everyday Life, September (9-13), Novosibirsk, 2002. Основные результаты диссертации опубликованы в 38 научных работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитируемой литературы и двух приложений. Материал изложен на 352 страницах, содержит 130 рисунков, 29 таблиц и список литературы из 208 наименований.

Во введении обоснована актуальность выбранной темы, сформулирована цель работы, научные положения, выносимые на защиту, приведены сведения об апробации работы.

В первой главе в разделе 1.1 приведен краткий обзор современного состояния проблемы увеличения яркости излучения твердотельных лазеров, описаны основные методы, применяемые для увеличения яркости излучения. Показано, что, несмотря на большое количество методов, применяемых для увеличения яркости излучения ТЛ, ни один из них в полной мере проблему не решает.

В разделе 1.2 первой главы в начале кратко перечислены основные расчетные методы, применяемые при анализе оптических резонаторов твердотельных лазеров. Приведены результаты критического анализа литературы по применению аппарата ABCD-матриц для расчета характеристик оптических резонаторов ТЛ.

В разделе 1.3 первой главы рассмотрено применение приближения геометрической оптики при исследовании и разработке неустойчивых резонаторов твердотельных лазеров. Выполнены оценки влияния наведенных термооптических неоднородностей на угловую расходимость излучения мощного твердотельного лазера на неодимовом стекле

Вторая глава содержит результаты исследований характеристик оптических сред и элементов, применяемых при разработке ТЛ.

В разделе 2.1 рассмотрено применение разработанного при выполнении настоящей работы метода наибольшего контраста для определения оптической неоднородности кристаллических активных сред. Показано, что данный метод особо эффективен при отборе высокооднородных кристаллов.

В разделе 2.2 второй главы проведено рассмотрение методов исследования и оптимизации систем оптической накачки твердотельных лазеров. В начате раздела выполнен обзор методов расчета и исследования оптических систем квантронов. Далее приведены результаты исследования по созданию адекватной модели расчета осветительной системы твердотельного лазера практически любой реально интересной конструкции. Для построения модели оптимизации осветительных систем использован метод Монте-Карло, так как на его основе возможно построение универсальных

высокоэффективных алгоритмов расчета многокомпонентных оптических систем, применяемых в лазерных излучателях различных типов.

Подобные работы
Нгуен Тхак Зыонг 0
Исследование действия поперечного магнитного поля на работу газоразрядных лазеров и создание управляемого лазера на углекислом газе
Власов Александр Николаевич
Разработка методов и средств стабилизации частоты He-Ne лазеров для прецизионных измерений
Назаров Вячеслав Валерьевич
Моделирование оптических систем импульсных твердотельных лазеров
Воронина Елена Анатольевна
Высокодобротный призменный резонатор кольцевого лазера малогабаритного лазерного гироскопа
Кацнельсон Алексей Александрович
Гибридная интеграция вертикально излучающих лазеров на поверхность кремниевых интегральных схем для создания оптических линий передачи данных
Хлопонин Леонид Викторович
Исследование и разработка мощных компактных твердотельных лазеров для систем дистанционного зондирования
Гудилин Антон Валентинович
Спектрохронограф для исследования временных и энергетических параметров лазеров ультракороткой длительности в спектральном диапазоне 200-1000 нм и его применение для оптимизации лазерного излучения
Чельный Александр Александрович
Исследование влияния легирования эмиттерных слоев на параметры диодных лазеров на основе твердых растворов AlGaAs и AlGaInP
Зубанов Андрей Владимирович
Активный элемент одномодового полупроводникового лазера повышенной мощности
Копчатов Владимир Ильич
Улучшение параметров излучательной рекомбинации инжекционных лазеров на основе гетероструктур с активной областью квазинулевой размерности : В системах А3В5 и А2В6

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net