ОПТИМИЗАЦИЯ РАБОЧИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ЛАЗЕРА С ДИОДНОЙ НАКАЧКОЙ ДЛЯ КОСМИЧЕСКИХ ПРИМЕНЕНИЙ

Предмет исследований. Теоретически и экспериментально исследованы теплофизические и оптические методы стабилизации характеристик твердотельного лазера с диодной накачкой для его применения в системах лазерной космической связи и лазерной дальнометрии. Методы. Исследования проведены с использованием оригинальной конструкции лазерного модуля твердотельного лазера с диодной накачкой, которая включает в себя Nd:YAG активный элемент лазера в виде слэба с оптической накачкой излучением линейки лазерных диодов типа QCW 400W производства фирмы NORTHROP GRUMMAN, неустойчивый двухпроходный резонатор с поворотом апертуры пучка на 180° и выводным зеркалом с переменным коэффициентом отражения, систему термостабилизации режимов генерации линеек лазерных диодов на основе гипертеплопроводящих пластин. Гипертеплопроводящие пластины позволяют исключить традиционные проточные системы охлаждения рабочих элементов твердотельных лазеров. Режим стабилизации температуры обеспечивается с помощью алгоритма широтно-импульсной модуляции мощности дополнительных электрических нагревателей. Для компенсации нестационарных тепловых искажений показателя преломления слэба в схему резонатора лазера включен призменный отражатель с углом при вершине 120°. На его узкие грани нанесено отражающее покрытие, а на широкую – просветляющее. В результате тройного отражения пучка внутри отражателя происходит поворот апертуры пучка на 180°. При осевой симметрии температурных искажений слэба такая процедура приводит к компенсации фазовых искажений выходного лазерного пучка. Для подавления паразитной генерации в слэбе используются диэлектрические оптические покрытия широких граней слэба. Основные результаты. Теоретически и экспериментально показано, что применение гипертеплопроводящих пластин совместно с алгоритмом широтно-импульсной модуляции позволяет обеспечить стабилизацию температуры подложек линеек лазерных диодов с точностью ± 0,1 °С и, одновременно выравнивать распределения температуры по ее поверхности с отклонением менее 1 °С. Оптическая схема резонатора лазера позволяет сохранить угловую расходимость излучения, превышающую дифракционный предел не более чем в два раза, при мощности накачки до 100 Вт. Показано, что для повышения эффективности световой накачки и коэффициента полезного действия лазера в целом необходимо использовать многослойные покрытия широких оптических поверхностей слэба на основе чередующихся слоев SiO2 и ZrO2. Практическая значимость. Предложена оригинальная конструкция лазерного модуля твердотельного лазера с диодной накачкой, позволяющая за счет температурной стабилизации линейки лазерных диодов и компенсации искажений оптического качества активного элемента оптимизировать режимы накачки и генерации излучения твердотельных лазеров. Разработанные методы оптимизации характеристик твердотельного лазера с диодной накачкой применимы и в космических условиях, что становится определяющим фактором при разработке лазеров космического базирования.

1. Лебедько Е.Г. Системы оптической локации: Учебное пособие. Ч.2. СПб.: НИУ ИТМО, 2012. 129 с.
2. Кравцов Н.В. Основные тенденции развития лазеров с полупроводниковой накачкой // Квантовая электроника. 2001. Т. 31. №8. С. 661–677.
3. Гречин С.Г., Николаев П.П. Квантроны твердотельных лазеров с поперечной полупроводниковой накачкой // Квантовая электроника. 2009. Т. 39. № 1. С. 1–17.
4. Поляков В.М., Покровский В.П., Сомс Л.Н. Лазерный передающий модуль с переключаемой диаграм-мой направленности для космического аппарата «Фобос-Грунт» // Оптический журнал. 2011. Т. 78. № 10. С. 4–9.
5. Yang X., Bo Y., Peng Q., Zhang H., Geng A., Cui Q., Sun Z., Cui D., Xu Z. High-beam-quality, 5.1 J, 108 Hz diode-pumped Nd:YAG rod oscillator-amplifier laser system // Optics Communication. 2006. V. 266. P. 39–43. doi: 10.1016/j.optcom.2006.04.078
6. Глухих И.В., Димаков С.А., Курунов Р.Ф., Поликарпов С.С., Фролов С.В. Мощные твердотельные лазеры на Nd:YAG с поперечной диодной накачкой и улучшенным качеством излучения // ЖТФ. 2011. Т. 81. № 8. С. 70–75.
7. Coyle D.B., Kay R.B., Stysley P.R., Poulios D. Efficient, reliable, long-lifetime, diode-pumped Nd:YAG laser for space-based vegetation topographical altimetry // Applied Optics. 2004. V. 43. N 27. P. 5236–5242. doi: 10.1364/AO.43.005236
8. Coyle D.B., Kay R.B., Stysley P.R., Poulios D. High output maximum efficiency prototype diode pumped laser for space application // Proc. Earth-Sun System Technology Conference. Maryland, USA, 2005. 5 p.
9. Stysley P., Coyle B., Kay R., Frederickson R., Poulios D., Blair B., Scott S. Arnold E. Lifetest of the high out-put maximum efficiency resonator (HOMER) laser for the SAFFIRE instrument on NASA’s DESDynI pro-ject // Proc. Conf. on Lasers and Electro-Optics: Laser Science to Photonic Applications (CLEO 2011). Baltimore, USA, 2011. Art. 5951187.
10. Armandillo E., Norrie C., Cosentino A., Laporta P., Wazen P., Maine P. Diode-pumped high-brightness Q-switched Nd:YAG laser // Optics Letters. 1997. V. 22. N 15. P. 1168–1170. doi: 10.1364/OL.22.001168
11. Krebs D.J., Novo-Gradac A.-M., Li S.X., Lindauer S.J., Afzal R.S., Yu A.W. Compact, passively Q-switched Nd:YAG laser for the MESSENGER mission to Mercury // Applied Optics. 2005. V. 44. N 9. P. 1715–1718. doi: 10.1364/AO.44.001715
12. Abshire J.B., Smith J.C., Schutz B.E. The Geoscience Laser Altimeter System (GLAS) // Proc. 19th International Laser Radar Conference. Annapolis, USA, 1998. P. 211–214.
13. Kracht D., Hahn, S., Huß R., Neumann J., Wilhelm R., Frede M., Peuser P. High efficiency, passively Q-switched Nd:YAG MOPA for spaceborne laser altimetry // Proceedings of SPIE – The International Society for Optical Engineering. 2006. V. 6100. Art. 610021. doi: 10.1117/12.674044
14. Ma X., Bi J., Hou X., Chen W. High efficiency diode-pumped slab oscillator and amplifier for space-based application // Optics and Laser Technology. 2011. V. 43. N 3. P. 559–562. doi: 10.1016/j.optlastec.2010.07.016
15. Васильев Е.Н., Деревянко В.А., Нестеров Д.А., Коенко В.Е., Чеботарев В.Е. Вычислительное моделирование процессов теплообмена в системах терморегулирования космических аппаратов // Вычисли-тельные технологии. 2009. Т. 14. № 6. С. 19–28.
16. Бирюк В.В., Китаев А.И. Применение тепловых труб для охлаждения РЭА // Вестник СГАУ. 2009. № 3-1. С. 342–345.
17. Belanger P.-A., Pare C. Unstable laser resonators with a specified output profile by using a graded-reflectivity mirror: geometrical optics limit // Optics Communications. 1994. V. 109. N 5–6. P. 507–517. doi: 10.1016/0030-4018(94)90507-X
18. Rutherford T.S., Tulloch W.M., Sinha S., Byer R.L. Yb:YAG and Nd:YAG edge-pumped slab lasers // Optics Letters. 2001. V. 26. N 13. P. 986–988. doi: 10.1364/OL.26.000986
19. Brown D.C., Benfey D.P., Gehm W.J., Holmes D.H., Lee K.K. Parasitic oscillation and amplified spontaneous emission in face-pumped total internal reflection lasers // Proceedings of SPIE – The International Society for Optical Engineering. 1987. V. 736. P. 74–83. doi: 10.1117/12.938069
20. Sridharan A.K., Saraf S., Sinha S., Byer R.L. Zigzag slabs for solid-state laser amplifiers: batch fabrication and parasitic oscillation suppression // Applied Optics. 2006. V. 45. N 14. P. 3340–3351. doi: 10.1088/0264-9381/25/11/114040
21. Мак А.А., Малинин Б.Г., Митькин В.М., Панков В.Г., Серебряков В.А., Устюгов В.И. Модуль твердотельного пластинчатого лазера с диодной накачкой. Патент РФ №2200361. Опубл. 10.03.2003.
22. Андреев С.В., Губанова Л.А., Путилин Э.С. Методические указания к лабораторному практикуму по курсу Оптические покрытия. СПб.: СПбГУ ИТМО, 2006. 150 с.
 

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License