Курсовая работа

Резонаторы для однородно активированных и градиентных лазерных кристаллов

Работу выполнил

Налбантов Николай Николаевич

РЕФЕРАТ

ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ЛАЗЕРЫ, ЛАЗЕРНЫЕ КРИСТАЛЛЫ, ГРАДИЕНТНОЕ ЛЕГИРОВАНИЕ, ОПТИЧЕСКИЕ РЕЗОНАТОРЫ, МИКРОЧИПОВЫЕ ЛАЗЕРЫ, ДИСКОВЫЕ ЛАЗЕРЫ.

Объектом исследований в данной курсовой работе являются генерационные свойства лазерных кристаллов с градиентным распределением активных ионов, а также проблемы синтеза и оптимизации лазерных систем, содержащих в качестве активного элемента данный тип усиливающих сред.

Целью работы является определение оптимальных параметров градиентных лазерных кристаллов и оптических резонаторов для эффективной и стабильной работы лазерных систем различных форм-факторов, а также поиск и создание математических моделей, позволяющих рассчитывать необходимые характеристики оптических резонаторов и структуру поля лазерного излучения внутри него.

В результате выполнения курсовой работы произведен анализ оптических резонаторов, обладающих свойствами стабилизации пространственно-временных параметров лазерного излучения, а также лазерных кристаллов, применяемых в микрочиповых и дисковых лазеров. Разработаны компьютерные математические модели усиления излучения накачки и трехмерной структуры основной гауссовой моды внутри лазерных кристаллов с произвольным градиентом концентрации.

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

АЭактивный элементЛСлазерная системаПВОполное внутреннее отражениеГВГгенерация второй гармоникиРВПрезонаторы с вращением поляTDLThin-DiskLasers, лазеры на тонких дискахRDLRotaryDiskLasers, лазеры на вращающихся дискахASEamplified spontaneous emission, усиленное спонтанное излучениеPZTpiezoelectric transducer, пьезоэлектрический преобразовательTi:Saтитан-сапфировый лазерлдлина волнызqdквантовый дефектфвремя жизни энергетического уровняусечение процесса, см2бпоглкоэффициент поглощения, см-1Cконцентрация ионов-активаторовTтемпература, KPмощностьw0диаметр перетяжки гауссова пучкаM2параметр качества пучкаpоптическая сила, дптрMувеличение неустойчивого резонатораNFэквэквивалентное число Френеля для неустойчивых резонаторовбугол вращения поля за полный проход в РВП% ат.концентрация ионов-активаторов в атомных процентах% мол.концентрация ионов-активаторов в мольных процентах%накдифференциальная эффективность мощности лазерного излучения относительно мощности накачки в процентах%поглдифференциальная эффективность мощности лазерного излучения относительно поглощенной мощности в процентах

ВВЕДЕНИЕ

Первый в истории лазер, созданный в 1960 г. Т. Мейманом, содержал в качестве АЭ кристалл рубина в форме цилиндрического стержня длиной около 4 см и диаметром 5 мм. С тех пор и почти до конца 1980-х гг. большинство твердотельных АЭ выполнялось в форме продолговатых стержней с круглым или прямоугольным сечением (слэб-лазеры). После открытия новых видов геометрии активной среды стержневые элементы не сразу потеряли своей актуальности, т.к. оставались непревзойдёнными по генерируемой мощности. Однако современный вектор развития твердотельных лазерных систем направлен в сторону уменьшения габаритов активной среды. В первую очередь, это позволяет быстро и эффективно отводить генерируемое в кристалле тепло, что стабилизирует работу ЛС и продлевает срок ее эксплуатации. С другой стороны, для получения высоких мощностей лазерного излучения на тонких активных элементах приходится серьезно усложнять оптические, механические и электрические блоки ЛС. Своеобразным компромиссом служат ЛС, от которых не требуется высокая мощность излучения, - долгое время данный класс генераторов был представлен в основном только полупроводниковыми лазерами, однако в последние годы компактные твердотельные системы стали появляться в коммерческих оптоэлектронных технических продуктах. Обзор конструкций лазеров такого типа представлен в пункте 2.1.

Среди актуальных разработок твердотельных ЛС киловаттного класса мощности непрерывной генерации следует отметить технические решения, содержащие активный элемент в форме диска. Общим свойством таких систем является то, что данная геометрия кристалла позволяет быстро и равномерно отводить тепло от генерационного блока; в связи с этим максимальная теоретически достижимая мощность генерации ограничена только свойствами активного материала и эффективностью обратной связи в резонаторе. Два основных типа дисковых лазеров (TDLи RDL) описаны в пунктах 2.2 и 2.3 соответственно.

В рамках данной работы была поставлена цель исследовать возможности оптимизации вышеописанных типов ЛС с помощью применения нового типа лазерных кристаллов - кристаллов с продольным градиентом концентрации активной оптической примеси - и специальных оптических резонаторов, ранее использовавшихся в основном только для габаритных стержневых лазеров.

Предыдущие теоретические исследования в данном направлении проводились только для кристаллов алюмоиттриевого граната с иттербием длиной несколько сантиметров в простейшем резонаторе Фабри-Перо, и такая ЛС показала значительный прирост энергетической эффективности по сравнению с аналогами, содержащими однородный активный элемент. Описанию и результатам работы гибкой модели генерации в градиентных лазерных кристаллах посвящен раздел 3 данного курсового проекта.