Новости

Новейшие лазеры на тонких дисках генерируют излучение высочайшей мощности, не боятся отражённого излучения и становятся серьёзными конкурентами волоконным лазерам.

Дата публикации: 09/09/2009
Категория: Новости лазерных технологий
Версия для печати

Высокие мощность и качество излучения, нечувствительность излучателя к отражению света и прямоугольное распределение плотности излучения в фокусе - определяют преимущества использования таких лазеров в металлообработке. Используя одни и те же стандартные элементы, можно получать импульсы разной длительности.
Лазеры на тонких дисках разрабатываются в Штутгарте начиная с 1992 года в группе под руководством доктора Гизена. Эта технология уже прошла путь от лаборатории до промышленного использования в некоторых компаниях. Большинство из них находятся в Германии.
Понятие "лазер на тонких дисках", как и английское "thin disk laser", отражает цилиндрическую симметрию лазера. Конечно же, активный материал может иметь и прямоугольную форму.
Отличительной особенностью такого лазера является толщина активной среды, которая во много раз меньше поперечного размера накачиваемой активной области.
Диаметр активной области варьируется от 1 мм для лазеров с низкой выходной мощностью до 10 мм и более для получения лазеров с выходной мощностью в десятки киловатт. Толщина активной среды меняется обычно от 100 мкм до 300 мкм.
Малая толщина активного материала позволяет эффективно охлаждать и отводить большой тепловой поток без значительного повышения температуры. Поэтому лазеры на тонких дисках способны генерировать излучение высочайшей мощности.
Сердцем лазера является его активный элемент - тонкий диск. Малая толщина лазерного материала требует использования подложки, чтобы придать конструкции необходимую жесткость. На верхнюю сторону диска нанесено просветляющее покрытие, а на нижнюю - зеркальное покрытие для отражения излучения накачки и генерируемого излучения.
Диск закреплен на подложке зеркальной стороной. В средней части диска создается инверсия заселенности путем накачки лазерными диодами.
Достигаемая плотность излучения накачки несколько кВт на см2.
Выделяющееся в лазерном материале тепло отводится через зеркальное покрытие в подложку и удаляется водяным охлаждением.
Таким образом, накачанный диск представляет собой усиливающее зеркало, которое заменяет одно из зеркал резонатора.

Поглощение излучения накачки при отражении на диске составляет около 15-20%.
Для получения высокого КПД в лазере используется многопроходная схема накачки (обычно 16-32 прохода). При использовании этой схемы до 90% излучения накачки поглощается в диске.
Существует много способов реализации многопроходной накачки.
Однако повсеместно используется квантрон, состоящий из параболического зеркала и нескольких плоских зеркал. Параллельный пучок излучения накачки фокусируется параболическим зеркалом на диск. Часть излучения поглощается, а оставшаяся часть попадает снова на параболическое зеркало и преобразуется в параллельный пучок, который направляется на следующий сегмент параболического зеркала с помощью двух плоских зеркал. Фокусировка, поглощение и коллимация пучка повторяются до тех пор, пока вся поверхность параболического зеркала не будет использована.
Так как расстояние, проходимое излучением накачки между двумя отражениями на параболическом зеркале, равно удвоенному фокусному расстоянию, размеры пучка на параболическом зеркале равны для всех отражений. То же самое верно для лазерного диска.
После заполнения всей поверхности параболического зеркала направление распространения излучения накачки изменяется на противоположное. Тогда весь путь проходится в обратную сторону, удваивая количество проходов.
Используя этот принцип, можно реализовать практически любое четное количество проходов излучения накачки. Ограничением являются только потери на рассеяние и пропускание в зеркалах.
Они приводят к тому, что после достижения некоего оптимального числа проходов поглощение престает значительно увеличиваться. Небольшой рост мало заметен после дальнейшего увеличения числа проходов.
Все оптические элементы в квантроне жестко закреплены и не требуют настройки.
Такие квантроны не требуют от излучения накачки высокого качества луча.
Низкие требования к излучению накачки позволяют существенно снизить стоимость лазеров на тонких дисках. Обычно для накачки применяются сборки лазерных диодов, а не отдельные излучатели.
Излучение одной или нескольких диодных сборок собирается в многомодовое оптоволокно или стекляный стержень и доставляется в квантрон.
Срок службы подобных сборок составляет от 10000 до 30000 часов.
Последние инженерные достижения в конструкции сборок позволяют увеличить срок службы до 50000 часов. Также можно использовать и отдельные эмиттеры с волоконным выходом, собранные в единый корпус. Для накачки отдельные волокна должны быть соединены в одно большое оптоволокно или в стержень.

Эффективное охлаждение активного материала позволяет использовать легирование ионами иттербия с практически трехуровневой энергетической схемой.
Иттербий часто используют в лазерах из-за малой разницы энергий фотонов накачки и выходного излучения. Это позволяет уменьшить нагрев лазерного материала и увеличить КПД.
В сравнении с неодимом (при накачке лазерными диодами с длиной волны излучения 808 нм) нагрев материала за счет разницы энергий фотонов уменьшается в два раза в случае использования иттербия.
Выходная мощность лазера может быть увеличена просто, путем увеличения площади активной области на диске. Объясняется это тем, что такие важные физические параметры, как температура поверхности, механические напряжения, плотность излучения на диске и т. п., остаются неизменными при увеличении площади активной области, если плотность накачки не меняется.
Основным фактором, ограничивающим выходную мощность (кроме технологических сложностей), является усиление спонтанного излучения в активной области.
Математическое моделирование прогнозирует максимальную выходную мощность из одного диска порядка нескольких мегаватт.
Недавно фирма "Боинг" продемонстрировала излучатель с выходной мощностью в 25 кВт и качеством луча (М2), близким к 1.
Лазеры на тонких дисках поэтому являются основными кандидатами для таких "проектов будущего", как передача энергии из космоса на Землю и подпитка космических челноков.
Известно, что с удалением космических кораблей от Солнца встают проблемы пополнения запасов энергии, ведь эффект от использования солнечных батарей исчезает.

Следующим важным преимуществом тонких дисков является очень слабое фазовое искажение при больших мощностях накачки (тепловая линза).
Сферическая часть фазового изменения соответствует линзе с фокусным расстоянием в несколько метров. Действием такой линзы можно пренебречь.
Типичные значения КПД составляют 30-40%. Технология изготовления лазеров на тонких дисках кардинально отличается от широко распространенной технологии оптоволоконных лазеров. В оптоволоконных лазерах оптический резонатор создается выходными поверхностями волокна или дифракционными решетками внутри оптоволокна.
При использовании одномодового оптоволокна, автоматически получается лазер с одной поперечной модой. В лазерах на тонких дисках резонатор создается несколькими зеркалами.
Выбор количества поперечных мод в резонаторе происходит с помощью выбора размера основной моды резонатора на диске. Для одномодового режима работы размер моды ТЕМ00 должен быть немного меньше размера активной области. Обычно общая длина резонатора составляет от одного до нескольких метров.

Для надежной работы в течение долгого времени оправы зеркал и несущая конструкция должны быть жесткими и стабильными. Луч в резонаторе распространяется в воздухе, а не в оптоволокне, поэтому необходим чистый неподвижный воздух без пыли внутри резонатора. Эти технологические требования были успешно решены несколькими немецкими компаниями: Jenoptik, Trumpf и другими.
Для излучателей с выходной мощностью в несколько киловатт простота и относительная дешевизна накачки делают технологию тонких дисков конкурентоспособной. Однако лазеры на тонких дисках, работающие в непрерывном режиме и имеющие выходную мощность в несколько сот ватт и ниже, явно неконкурентоспособны.
Причина кроется в сложности их конструкции. Но ситуация резко меняется, когда от выходного излучения требуется поляризованность и узкий спектр. Основным достоинством тонких дисков является неограниченная площадь активной области на диске.
Это очень важно для приложений, требующих высокой выходной мощности и высокой импульсной энергии. В этих областях уже заметна роль, которую играют излучатели на тонких дисках. В будущем лазеры на тонких дисках займут свою нишу на рынке в тех приложениях, где требуется луч хорошего качества. По прогнозам аналитиков они способны удерживать свои позиции там, где требуется излучение со средней мощностью, превосходящей несколько десятков ватт. Перечислим их достоинства.
Во-первых, это очень низкая термонаведенная деполяризация. Излучатель на тонких дисках с поляризованным выходным излучением почти так же эффективен, как и излучатель со случайной поляризацией.
Это позволяет, в частности, создавать регенеративные усилители с высоким КПД.
Во-вторых, отсутствие эффектов, связанных с высокой плотностью излучения, например рассеяния Брилюэна и Рамана, позволяет достичь узкой спектральной ширины выходого излучения.
В-третьих, узкий спектр излучения позволяет эффективно изменять частоты (генерация гармоник) в нелинейном кристалле.
Четвертое преимущество - это отсутствие фазовой модуляции в диске при генерации пикосекундных и фемтосекундных импульсов, что позволяет усиливать короткие импульсы без их предварительного удлинения.

Источник: «ФОТОНИКА», 2009, №3, с.2-8, www.electronics.ru

Статьи по теме:

страницы: 1