Усилитель лазерного излучения

 

Союз Советскин

Социапистическиа республик (6) ) Дополнительное к авт. свип-ву (22) Заявлено 02.06.78 (2l ) 2623946/18-25 (5 I ) M. Кл.

Н 01 S З 02 с присоединением заявки И— Ъеудеретеенный кемнтет (23) Приоритет по делам нзобретеннй н отнрытнй

ОпУбликовано 07.08,81. бюллетень J% 29

Дата опубликования описания 10.08.81 (53) gg f(62 .375..8 (088.8 ) N, F., Бродов, Н. И. Гаврилов, Il. И. Ивашкин, В„В. Коробкин, Б. М. Овчинников, lO. А, Пирогов, Л. М. Прохоров и P. Б. Серов (72) Авторы изобретения (71) Заявитель

Ордена Лентша физтгтескнй институт им. П. Н. Лебедев»

Ф(Q (54) УСИЛИТЕЛЬ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Изобретение относится к области физики, в частности к квантовой электронике.

В настоящее время известны следующие устройства для усиления лазерного излучения в твердотелых лазерах, Усилители выполнены в виде цилиндри5 ческого стержня из активного материала (1), Ось пучка усиливаемого излучения совпадает с осью стержня. Накачка производится обычно 1, 2 или 4 лампами, раст0 положенными параллельно оси стержня.

Во всех случаях распределение создаваемой накачкой инверсии по сечению существенно неравномерно, следовательно, и выходящее излучение имеет различную ин35 тенсивность по сечению. В мощных лазе,рак такие усилители в качестве выходных каскадов используются редко, Известен- усилитель .лазерного излучения, состоящий из твердотелого активного элемента прямоугольного сечения и источников накачки, расположенных параллельно основаниям активного элемента (21. е

Так как излучение накачки поглощается главным образом у поверхности активного элемента. то распределение инверсии по толщине активного элемента неравномерное.

Усиление К. испытываемое лучачн прн прохождении через усилитель, определяется по следующей формуле:;

@ g (7nN1-, где Q — сечение генерационного перехода (константа стекла); длина пути I)"÷ÿ В активном элемеп те; дй — инверсия.

Таким образом, различие в уровне инверсии на пути различных лучей в 2-3 раза приводит к большому различию коэффициентов усиления этих лучей. допустим, что инверсия у поверхности активного элемента в Э раза выше, чем в центре, тог да коэффициент усиления на краю К бук дет равен

К =е ()к" =р<. (а И), „

К -К, 11&7

/ М „. 4

Где где g . — усиление в центре. лт чаем Kt=-125, т.о. в 25 раз вьпие, чем в центре. Ь то же время для многочисленных применений лазеров, в частности дня лазерного термоядерного синтеза, требуется однородность .интенсивности пучка по сечению. Особую актуальность зто, имеет для мош. ых лазеров генерирующих импульсы с длительностью короче 1О .. О, так как при нерав-;и

-9 номерном распределении интенсивности по сечению пучка сильно возрастает вероятно ть самофокусировки на отдельных гзыбросях интенсивности. В свою очередь, самофокусировка приводит к разрушению актив- .г( н г:гх элементов, l

П(2лью ttacroattteI n изобретения являетг я повышение козффггциентя усиления при одновременном повышении его равномерное:ти ИО сечению активггОГО элемента.

Указяцная цель достигается тем, что а (г нвнгягг элемент выпсгг|негг в виде наклонкогo,пяраллеле .типеда с полированными

Основаниями, а угол скоса входного и выход-. ного торцов определен на основании сoorН ОШЕН ИЯ (М г-Я, сд ((г -с- р и ) t,)-cctst

Х вЂ” угол скоса торцов; ",1 — показатель преломления активной,.среды „ гг — число Отражений or оснований активного элемента; — толгцина аг(тивггого элемента;

Ь - длина активного злеме)гта — угол между осью входящего пу чка и осью активного элемента. дегтя расширения диапазона углов падения усиливаемОГО и тлучения HB осковйние ,г, активного элемента активный знемечт мо жегт быть выполнен с Рзгражающим покры тиег,т на основаниях.

На фиг, .1 изображена схема активного элемента; на фиг. 2 — кривая зависимости

) коэффициента усиления. Схема содержит активный элемент 1„поверхности 2-5 отражения уг.:иливяемого излучения„

Число отражений от оснований вьтбира:-тся, во-первых, иа энергетических треботт наний, Y.å. исходи из условия максимальноttîo сo ьема энергии с активного Обьема. Оп ор Опредецяется в

:тависимосги от требуемых энергетических

/ характеристик с учетом нясьгщения, зависящего Ог сечения генерационного ttepexo,да используемого активного «ещесгва ° 1 IB— обходимо учитывать, что в отсутствие огражающих, покрытий число М ограничено условием tIomtoro внутреннего отражения усиливаемого излучения ог оснований активного элемента. Угол падения усиливаемого излучения на основание плиты д(. (фиг. 1) определяется выражением

isa ъ (t » где Q — показатель преломления активной среды; — показатель прело глеиия среды, охлаждающей основания активного злемептя (воздух или охлаждающая жидкость) .

Таким образом, число N ограничено следующим условием, где g — длина активного элемента; — ет о толщина.

Г!ри наличии отражающих покрытий данное%ограничение снимается. Йля конкретной конфигурации усилителя гт определяется машинным счетом. В зависимосrtt от распределения инверсии оптимальными являются схемы с числом М, лежащим в пределах от двух до десяти.

Прп выборе МОР также следует учитывать искажение фронта волны, распространяющейся в активном элементе, вследствие эффектов, связанных с неоднородностью поля накачки по обьему, а также искажения боковых поверхностей активного элемента, источниками которых являгогся, в частности, лампы накачки.

Усилитель представляет собой твердотельный активный элемент прямоугольного сечения, а источники накачки (лампы) расположены параллельно основаниям активного элемента. Входной и выходной торцы активного элемента наклонены к сои плиты под углом Х, определяемым соотношением тМи(a « МН t Ь)-><

CC ХM cg5(v с,я Йн (4) -co56

2 где (, — угон между осью пучка и осью активного элемента. Основания активного элемента, or которых происходит отра2кение излучения, иаготавливаются частично или полностью полированными (в случаях, когда угол падения превосходит угол полного внутреннего отражения) или же имеют отражающее покрытие (при меньших углах падения).

7 f 1(378 6 элемент усилителя выполнен в виде нак лонного параллелепипеда с полированными основаниями, а угол скоса входного и выходного торцов определены на основании соотношения

На фиг. 2 приведены результаты измерения коэффициента усиления, где Т кривая распределения коэффициента усипе ния по сечению активного элемента в пр тотипе, à Q — распределение коэффициент усиления в данной схеме.

Из приведенных экспериментальных результатов видно, что в данной схеме интенсивность излучения близка к равномерной по сечению, причем величина коэффи- t0 циента усиления намного выше, чем по центру в прототипе. Так, например, в исследованных нами активных элементах с размерами 40х240х720 (использующихся в пазерпой установке УМИ-35, предназ-15 наченной для исследований в области термоядерного синтеза) усиление в центре для. силикатного стекла ЛГС-2- 17-2 имеет ве ичину К =3 2. Переход на данную схему п иводит к равномерному по сечению уси- zo р пению K=6 2 (ири oDHHQKoBoH энергии HBкачки. Лля фосфатного стекла ЛГС-И получены К =4,9 и К=15,8 (фиг. 2, кривые

I и2).

2. Уси"".èòåïb по п. Л., о т и и ч а юшийся тем, что, с целью расширения диапазона углов падения уеипиваемого излучения на основание активного элемента, 5 активный элемент выполнен с отражающим покрытием на основаниях.

Формула изобретения и Мм(см-с1 NH I L;81 6

И coS(Ovc4@NH !Ь) -coS3 угол скоса торцов; показатель преломления активной среды; число отражений от оснований активного элемента; длина активного элемента; угол между осью входящего пучка и осью активного элемента; толщина активного элемента, 1. Усилчтепь лазерного излучения, состоящий из твердотельного активного зле- З0 мента прямоугольного сечения и источников накачки, расположенных параллельно основаниям активного элемента, .о r ч и=ч а ю щ и Й с я тем, что, с цепью повышения коеффициента усиления при одно- 35 временном повышении его равномерности по сечению активного элемента, активныи

Ист-очники информации, принятые во внимание пр;. =.::сп;-.рт . е

1. Бепостоцкий 5 Р и -,ð. Основы па= зерной техники. М., Советское радж>", 1972, с. 10.

2, Калинин Ю. A. и лр. Бпияние распределения чеинверсной населенности на поперечные типы колебании .*, -Техн. физики, 1868, т. 38, Pq 3", г и т

711978

Составитель О. Исаева редакт Л, Гольдина Техред Н.Ковалева - КорректорГ, Решетник

Заказ 5891/48 Тираж 634 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП Патент", r. Ужгород, ул, Проектная, 4