Неодимовый лазерный регенеративный усилитель с электромеханическим затвором

Развитие лазерной техники дало возможность получать импульсы света с длительностями от миллисекунд до десятков фемтосекунд, с энергиями от наноджоулей до нескольких килоджоулей. Благодаря такому большому диапазону параметров лазеры со времени их открытия получили широкое распространение и используются во многих отраслях науки и техники.

Одной из задач лазерной физики является разработка лазерных установок, способных генерировать лазерные импульсы нано- и пикосекундного диапазона с энергией порядка единиц джоулей [3; 4].

Разработанные к настоящему времени лазерные усилительные системы имеют сходные структуры и состоят из задающего генератора (инжектора), устройства чирпирования импульсов, усилительного каскада и компрессора усиленных импульсов [6]. Чтобы достичь наибольшего усиления необходимо использовать лазер-усилитель с большой апертурой, иначе мощный оптический импульс, сконцентрированный на небольшую площадь, может повредить или разрушить элементы системы. Так как в режимах сверхрегенеративного и регенеративного усиления, как и в режиме гигантского импульса (ГИ), в усилителе необходимо задать начальную ненулевую инверсную заселенность активной среды, то возникают характерные для лазеров с широкой апертурой трудности с методами управления излучением. Основным различием между сверхрегенеративным усилителем (СРГУ) и регенеративным (РГУ) является то, что в сверхрегенераторе усиление активной среды включается в момент прихода инжектируемого излучения от задающего лазера, поэтому здесь и не требуется достаточно точной электронной схемы сопряжения этих лазеров. В регенеративном усилителе с резким включением добротности резонатора лазера-усилителя необходимо инжектировать излучение задающего лазера до начала нелинейного этапа формирования собственной генерации усилителя, поэтому для правильной работы этих лазеров необходима очень точная электронная схема сопряжения, регулирующая момент инжекции излучения в усилитель с точностью до нескольких десятков наносекунд. Разработке и реализации такой системы и посвящена данная работа.

Экспериментальная установка и методика исследования характеристик лазерного регенеративного усилителя с электромеханическим затвором

Усилитель построен на базе мощного технологического лазера ГОС-1001 на неодимовом стекле. В качестве задающего использован лазер, работающий в режиме кратковременной резонансной модуляции потерь (КРМП) [2]. Для режима РГУ необходимо создать инверсную населенность в лазере-усилителе, а затем с резким открытием добротности резонатора усилителя впрыснуть излучение задающего КРМП-лазера. Таким образом, при изменении начальных условий лазер станет воспроизводить и усиливать захваченное излучение.

К достоинствам РГУ с электромеханическим затвором (ЭМЗ) можно отнести полное отсутствие фоторефракции [1; 5], что в свою очередь позволяет получать энергии до нескольких джоулей.

На рисунке 1 представлена общая схема экспериментальной установки.

Для правильного понимания принципа работы установки в режиме РГУ необходимо рассмотреть временную диаграмму процессов. Для запуска промышленного лазера ГОС-1001 в режиме РГУ с ЭМЗ необходим блок управления, он должен синхронизиро- вать момент включения добротности резонатора, момент достижения активной средой максимума инверсии и момент впрыска в усилитель сформированного КРМП-импуль-са. Диаграмма синхронизации процессов для осуществления режима РГУ представлена на рисунке 2. На диаграмме обозначены: Т1 – время между импульсом с датчика оборотов ЭМЗ и включением добротности усилителя; Т2 – регулируемая внешняя задержка; Т3 – время, необходимое для достижения максимума инверсии усилителя после сигнала на поджиг ламп накачки; Т4 – время между сигналами, идущими на поджиги ламп накачки лазеров; Т5 – время, необходимое для достижения максимума инверсии в активных элементах КРМП-лазера; Т6 – задержка между моментами включения ламп накачки усилителя и включением ВЧ-генератора КРМП-лазера; Тл – время линейного этапа задающего КРМП-лазера.

Рассматривая эту диаграмму, мы должны иметь в виду физический смысл режима РГУ и его отличие от режима КРМП. Принципиально они почти не отличаются. Разница лишь в том, что в режиме КРМП осуществляется ВЧ-модуляция добротности резонатора во время линейного этапа развития генерации, а в режиме РГУ на этом участке подается заранее сформированный цуг УКИ. Достаточным условием для захвата является превышение энергией цуга УКИ величины, соответствующей энергии спонтанного шума на рассматриваемом участке генерации усилителя в режиме РГУ.

Данная установка способна работать и в режиме ГИ, для описания процесса образования ГИ нужно рассмотреть лишь первые шесть пунктов диаграммы.

На рисунке 3 представлен временной ход интенсивности УКИ задающего КРМП-лазе-ра, а на рисунке 4 – осциллограмма цуга усиленных импульсов, подтверждающая воспроизведение цуга УКИ при усилении.

Основные результаты

Необходимым условием для правильной работы системы является согласование межмодовых частот резонатора задающего КРМП-лазера и резонатора регенеративного

Рис. 1. Общая схема экспериментальной установки:

1 – блок высокого напряжения; 2 – электрооптический затвор; 3 – глухое зеркало ( R = 99 %);

4 – ВЧ-генератор; 5 – высоковольтный блок, формирующий прямоугольный импульс; 6 , 7 – активные элементы КРМП-лазера (неодимовое стекло марки ГЛС-1); 8 – блок управления задающего КРМП-лазера;

9 – блок задержек; 10 – зеркало-клин ( R = 55 %); 11 – блок накачки технологического лазера ГОС-1001;

12 – блок управления электромеханическим затвором (ЭМЗ); 13 , 17 , 21 , 23 – светоделительные пластинки; 14 , 22 – измеритель энергии ИМО-2Н; 15 – ФЭУ; 16 – ФК-32; 18 – выходное зеркало ( R = 20 %);

19 – активный элемент лазера ГОС-1001 (неодимовое стекло марки ГЛС-1); 20 – He-Ne-лазер;

24 – скоростной осциллограф С7-19; 25 – ЭМЗ

Рис. 2. Диаграмма временных процессов:

1 – сигнал с катушки датчика оборотов ЭМЗ; 2 – момент отключения двигателя ЭМЗ; 3 – момент включения добротности резонатора усилителя; 4 – инверсия населенности лазера-усилителя; 5 – импульс на поджиг ламп накачки усилителя; 6 – гигантский импульс на выходе лазера-усилителя при отсутствии инжекции;

7 – инверсная населенность в задающем КРМП-лазере; 8 – модуляционный сигнал на электрооптический затвор КРМП-лазера; 9 – цуг импульсов на выходе КРМП-лазера

Рис. 3. Временной ход интенсивности УКИ задающего КРМП-лазера (длительность отдельного УКИ – 1–2 нс, энергия в цуге – 110 мДж)

20 нс

Рис. 4. Осциллограмма цуга усиленных импульсов (длительность отдельного УКИ – 1–2 нс, энергия в цуге – 4 Дж)

усилителя. На рисунке 5 представлена зависимость длительности одного импульса из цуга УКИ на выходе усилителя от плавного перемещения выходного зеркала резонатора усилителя при фиксированной оптической дли- не резонатора задающего лазера

Из рисунка 5 видно, что в области резонанса минимальная длительность одного УКИ составляет 2 нс.

Зависимость плотности мощности лазерной системы от перемещения выходного зеркала при диаметре апертуры излучения 25 мм и постоянной энергии излучения 4 Дж представлена на рисунке 6.

Рисунок 6 показывает, что в области ре- зонанса плотность мощности максимальна и составляет 3,2X108 Вт/см2 при диаметре апертуры 25 мм на выходе регенеративного усилителя, а при фокусировке данного излучения собирающей линзой интенсивность возраста- сивности достаточно для получения оптического пробоя в воздухе. Фотография оптического пробоя в воздухе в режиме фокусировки представлена на рисунке 7.

Этот результат позволяет использовать данную установку для лазерно-плазменных исследований. Экспериментально определен коэффициент усиления регенеративной системы с ЭМЗ. Излучение задающего КРМП-ла-зера максимально ослаблялось до порогового значения (10 нДж), ниже которого усилитель генерирует гигантский импульс (см. рис. 8), так как уровень спонтанного шума лазера-усилителя становится больше энергии впрыскиваемого УКИ, а типичная ос- циллограмма генерации системы в режиме РГУ при впрыске УКИ с энергией от 10 нДж до 10 мДж при постоянной энергии 4 Дж на выходе РГУ представлена на рисунке 4. В области резонанса коэффициент усиления по

Пер смещение зеркала, L(mm)

Рис. 5. График зависимости длительности одного импульса из цуга УКИ i (нс) от перемещения выходного зеркала резонатора _l L (мм) в режиме регенеративного усиления

Пер смещение зеркала. L (мм)

Рис. 6. Зависимость плотности мощности лазерной системы в РГУ от перемещения выходного зеркала резонатора _t L (мм)

Рис. 7. Фотография лазерной плазмы в воздухе в режиме РГУ

Рис. 8. Осциллограмма гигантского импульса лазера ГОС-1001 с электромеханическим затвором

Выводы

Таким образом, в ходе работы была разработана лазерная усилительная система, работающая в режиме регенеративного усиления, предназначенная для лазерно-плазменных исследований. Продемонстрирована высокая плотность мощности данной системы, которая составляет 3,2X108 Вт/см2 без фокусировки. Эк- спериментально определен коэффициент усиления регенеративного усилителя с электромеханическим затвором, равный 4X108.