Поведение пороговой мощности накачки твердотельных лазеров с продольной диодной накачкой в критических конфигурациях резонатора

Сотрудниками Физического факультета В.Г. Тункиным и П.В. Кострюковым в содружестве с сотрудниками отдела КРФ ФИАН Е.А. Чешевым, М.В. Горбунковым и А.Л. Коромысловым выполнен цикл работ по экспериментальному и теоретическому изучению поведения лазерной генерации в/вблизи критических конфигураций лазера. Теория резонаторов и лазерной генерации была достаточно полно разработана к 90-м годам прошлого века и нашла своё блестящее изложение в книге А. Сигмена «Лазеры», вышедшей в 1986 г. Однако с тех пор схема, во всяком случае, твердотельных лазеров существенно изменилась благодаря использованию диодных лазеров в качестве источников накачки. Применяются как отдельные диодные лазеры, так и линейки диодных лазеров, излучение которых собирается в световолокно и по нему подаётся на активную лазерную среду. Применение диодных лазеров позволило резко поднять эффективность накачки и довести оптический КПД твердотельных лазеров до примерно 50%. Наиболее распространённым типом накачки является продольная накачка, когда излучение лазерных диодов идёт вдоль оси резонатора. Эффективность накачки повышается при уменьшении размера накачки в лазерной среде по сравнению с размером так называемой нулевой Гауссовой моды (неоднородная накачка). Однако при этом при некоторых длинах резонатора излучение этих лазеров приобретает кольцевую структуру, что недопустимо с точки зрения практического использования. Это происходит в так называемых критических конфигурациях, которым соответствуют вырожденные конфигурации резонатора лазера, в которых частоты поперечных мод равны между собой. Но если вырожденных конфигураций, каждая из которых характеризуется несократимой дробью r/s, несчётное множество, то критических конфигураций счётное множество. Их число ограничено числом Френеля, характерным для данного резонатора.

= 75 ?m и коэффициентепропускания выходного зеркала 4%: a) расчёт, b) эксперимент.Несократимые дроби r/s показаны ниже провалов порогов генерации.

= 75 ?m, их значения в расчёте не варьировались. Тем не менее, совпадение результатов эксперимента и расчёта весьма хорошее.

Безусловно, практическое использование лазера при настройке его на критическую конфигурацию исключается, мода генерируемого излучения должна быть гауссовой. Гауссова мода реализуется в промежутках между критическими конфигурациями, положение которых на шкале длин резонатора надо по этой причине знать точно. Вообще говоря, зная кривизну зеркал резонатора можно рассчитать положение критических конфигураций, однако расчёт может и не дать требуемой точности, поскольку, он не учитывает, например, небольшую кривизну поверхностей активного элемента, возникающую при их полировке. В расчёте эти поверхности, естественно, предполагаются плоскими. Измерение порогов генерации позволяет точно определить длины резонатора, соответствующие критическим конфигурациям.

Из сравнения расчёта и результатов эксперимента видно, что экспериментальные провалы порогов генерации несколько шире теоретических. Это связано с некоторой оптической неоднородностью кристалла Nd:YLF. При расчёте порогов, естественно, предполагалось, что кристалл Nd:YLF оптически однороден. Таким образом, ширина провалов даёт хорошую информацию об однородности активной среды.

На работу твердотельных лазеров, особенно мощных, существенное влияние оказывает тепловая линза, наводимая в активной среде накачкой. Для определения радиуса кривизны (фокусного расстояния) тепловой линзы существует несколько способов. Измерение провалов порогов генерации даёт ещё один простой способ определения этого фокусного расстояния. Дело в том, что при изменении средней мощности накачки с помощью прерывателя (обтюратора), происходит некоторое смещение провалов на шкале длин резонатора в силу изменения фокусного расстояния тепловой линзы. Поскольку нижняя часть провалов заострена, то реально в эксперименте регистрировались смещения в несколько десятков микрон. Этим смещениям соответствуют радиусы кривизны тепловой линзы на уровне полукилометра. Таким образом, предложенный нами метод измерения пороговых мощностей накачки твердотельных лазеров позволяет при неоднородной накачке получать количественную информацию о критических конфигурациях лазеров.

[1] Behavior of threshold pump power of diode end-pumped solid-state lasers in critical cavity configurations, E.A. Cheshev, M.V. Gorbunkov, A.L. Koromyslov, P.V. Kostryukov, and V.G. Tunkin, Laser Physics Letters 12, 025001 (2015)

д. ф.-м. н., проф. Тункин В.Г.

Назад