Моделирование твердотельного лазерного модуля с импульсной поперечной диодной накачкой активной среды Nd3+:YAG

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Проведено моделирование лазерного модуля (квантрона) с поперечной импульсной диодной накачкой цилиндрического активного элемента Nd3+:YAG методом непоследовательной трассировки лучей в программной среде Zemax. Численно получены распределения мощности поглощенного излучения накачки по поперечному сечению активного элемента и рассчитана эффективность накачки квантрона. Предложена методика оптимизации конструкции квантрона, результатом которой является повышение эффективности накачки активного элемента.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

С. В. Гарнов

Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук

Автор, ответственный за переписку.
Email: karina272001@yandex.ru

Член-корреспондент РАН

Россия, Москва

К. А. Галюк

Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук; Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ

Email: karina272001@yandex.ru
Россия, Москва; Москва

Б. Д. Овчаренко

Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук

Email: karina272001@yandex.ru
Россия, Москва

А. А. Ушаков

Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук

Email: karina272001@yandex.ru
Россия, Москва

В. В. Букин

Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук

Email: karina272001@yandex.ru
Россия, Москва

Список литературы

  1. Ross I.N., Csatári M., Hutchins S. High-performance diode-pumped Nd:YLF amplifier // Appl. Opt. 2003. V. 42. № 6. P. 1040–1047. https://doi.org/10.1364/AO.42.001040
  2. Koechner W. Solid-State Laser Engineering // Solid-State Laser Engineering. N.Y. (NY): Springer New York, 2006. V. 1. 750 p.
  3. Barnes N.P. Solid-State Lasers From an Efficiency Perspective // IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 2007. V. 13. № 3. P. 435–447. https://doi.org/10.1109/JSTQE.2007.895280
  4. Glukhikh I.V., Dimakov S.A., Kurunov R.F., Polikarpov S.S., Frolov S.V. Powerful Solid-State Transversely Diode-Pumped YAG: Nd Lasers With Improved Radiation Quality // Tech. Phys. 2011. V. 56. № 8. P. 1129–1134. https://doi.org/10.1134/S1063784211080111
  5. Tulloch W.M., Rutherford T.S., Gustafson E.K., Byer R.L. A CW, high-power, conduction-cooled, edge-pumped slab laser // Solid State Lasers VIII / Ed. Scheps R. 1999. V. 3613. № May. P. 2–7. https://doi.org/10.1117/12.347664
  6. Lapucci A., Ciofini M., Pucci M., D’Uva M. High efficiency, Diode Pumped 170 W Nd:YAG ceramic slab laser // J. Eur. Opt. Soc. Rapid Publ. 2011. V. 6. P. 11047. DOI: 1990-2573
  7. Kravtsov N.V. Basic trends in the development of diode-pumped solid-state lasers // Quantum Electron. 2001. V. 31. № 8. P. 661–677. https://doi.org/10.1070/QE2001v031n08ABEH002025
  8. Clarkson W.A., Hardman P.J., Hanna D.C. High-power diode-bar end-pumped Nd:YLF laser at 1.053 µm // Opt. Lett. 1998. V. 23. № 17. P. 1363–1365. https://doi.org/10.1364/OL.23.001363
  9. Глухих И.В. и др. Мощные твердотельные лазеры на Nd:YAG с поперечной диодной накачкой и улучшенным качеством излучения // Журнал технической физики. 2011. Т. 81. №. 8. С. 70–75. https://doi.org/10.1134/s1063784211080111
  10. Takada A. et al. Diode laser-pumped cw Nd:YAG lasers with more than 1-kW output power // Advanced Solid State Lasers. Washington, D.C.: OSA, 1999. P. 21–23.
  11. Brand T. Compact 170-W continuous-wave diode-pumped Nd:YAG rod laser with a cusp-shaped reflector // Opt. Lett. 1995. V. 20. № 17. P. 1776–1778.
  12. Sun Z. et al. Experimental study of high-power pulse side-pumped Nd:YAG laser // Opt. Laser Technol. 2005. V. 37. № 2. P. 163–166. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2004.03.004
  13. Kashef T., Ghoniemy S., Mokhtar A. Robust modeling and performance analysis of high-power diode side-pumped solid-state laser systems // Appl. Opt. 2015. V. 54. № 36. P. 10666–10677. https://doi.org/10.1364/AO.54.010666
  14. Гречин С.Г., Николаев П.П. Квантроны твердотельных лазеров с поперечной полупроводниковой накачкой // Квантовая электроника. 2009. Т. 39. № 1. С. 1–17. https://doi.org/10.1070/QE2009v039n01ABEH013787
  15. Yu D., Tang D. Experimental study of a high-power CW side-pumped Nd:YAG laser // Opt. Laser Technol. 2003. V. 35. № 1. P. 37–42. https://doi.org/10.1016/S0030-3992(02)00121-4
  16. Xiong Z. et al. Detailed investigation of thermal effects in longitudinally diode-pumped Nd:YVO4 lasers // IEEE J. Quantum Electron. 2003. V. 39. № 8. P. 979–986. https://doi.org/10.1109/JQE.2003.814371
  17. Kojima T., Yasui K. Efficient diode side-pumping configuration of a Nd:YAG rod laser with a diffusive cavity // Appl. Opt. 1997. V. 36. № 21. P. 4981–4984. https://doi.org/10.1364/AO.36.004981
  18. Koshel R.J., Walmsley I.A. Optimal design of optically side-pumped lasers // IEEE J. Quantum Electron. 1997. V. 33. № 1. P. 94–102. https://doi.org/10.1109/3.554900
  19. Zendzian W., Jabczynski J.K., Kwiatkowski J. High peak power Nd:YAG laser pumped by 600-W diode laser stack // Opt. Laser Technol. 2008. V. 40. № 3. P. 441–444. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2007.07.007
  20. Sabaghzadeh J., Rahimzadeh F., Mashayekhe I. 468-W CW operation of a diode-pumped Nd:YAG rod laser with high beam quality and highly efficient concentrator of pump light // Opt. Laser Technol. 2008. V. 40. № 5. P. 748–755. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2007.10.006
  21. Moon H.-J. et al. Efficient diffusive reflector-type diode side-pumped Nd:YAG rod laser with an optical slope efficiency of 55% // Appl. Opt. 1999. V. 38. № 9. P. 1772–1776. https://doi.org/10.1364/AO.38.001772
  22. Wang Y., Kan H. Design of a triangular reflector for diode-pumped solid-state lasers with both high absorption efficiency and homogeneous absorption distribution // J. Opt. A Pure Appl. Opt. 2006. V. 8. № 9. P. 720–727. https://doi.org/10.1088/1464-4258/8/9/002
  23. Kiyko V.V et al. Optimisation of the parameters of a pump chamber for solid-state lasers with diode pumping by the optical boiler method // Quantum Electron. 2015. V. 45. № 6. P. 511–514. https://doi.org/10.1070/QE2015v045n06ABEH015287
  24. Sutton S.B., Albrecht G.F. Simple analytical method to calculate the radial energy deposition profile in an isotropic diode-pumped solid-state laser rod // Appl. Opt. 1996. V. 35. № 30. P. 5937–5948. https://doi.org/10.1364/AO.35.005937
  25. Meng J. et al. Comparison of different side-pumping configurations for high power laser diode pumped solid-state laser // Chinese Opt. Lett. 2003. V. 1. № 9. P. 538–540. https://doi.org/10.3788/COL20030109.0538
  26. Wang Y., Kan H. Optimization algorithm for the pump structure of diode side-pumped solid-state lasers // Opt. Lasers Eng. 2007. V. 45. № 1. P. 93–105. https://doi.org/10.1016/j.optlaseng.2006.06.005
  27. Walker D.R. et al. Efficient continuous-wave TEM00 operation of a transversely diode-pumped Nd:YAG laser // Opt. Lett. 1994. V. 19. № 14. P. 1055–1057. https://doi.org/10.1364/OL.19.001055
  28. Marshall L.R., Kaz A., Burnham R.L. Highly efficient TEM00 operation of transversely diode-pumped Nd:YAG lasers // Opt. Lett. 1992. V. 17. № 3. P. 186–188. https://doi.org/10.1364/OL.17.000186
  29. Qin H. et al. Extraordinary variation of pump light intensity inside a four-level solid-state laser medium // Opt. Lasers Eng. 2008. V. 46. № 8. P. 628–634. https://doi.org/10.1016/j.optlaseng.2008.03.015
  30. Haiyong Z. et al. Diode-side-pumped 131 W, 1319 nm single-wavelength cw Nd:YAG laser // Appl. Opt. 2007. V. 46. № 3. P. 384–388. https://doi.org/10.1364/AO.46.000384
  31. Kandasamy R., Raghavachari S., Misra P., Nathan. T.P.S. Highly efficient continuous-wave operation of a Nd:YAG rod laser that is side pumped by p-polarized diode laser bars // Appl. Opt. 2004. V. 43. № 31. P. 5855–5859. https://doi.org/10.1364/AO.43.005855
  32. Phua P.B., Lai K.S., Wu R.F. Linearly polarised 100-W output from a diode-pumped Nd: YALO laser // Advanced Solid State Lasers. Washington, D.C.: Optica Publishing Group, 2000. V. 39. № 3. P. 431–434. https://doi.org/10.1364/ASSL.2000.WC7
  33. Du K. et al. Neodymium:YAG 30-W cw laser side pumped by three diode laser bars // Appl. Opt. 1998. V. 37. № 12. P. 2361–2364. https://doi.org/10.1364/AO.37.002361
  34. Liu X., Zhao W., Xiong L., Liu H. Packaging of High Power Semiconductor Lasers // Packaging of High Power Semiconductor Lasers. N.Y. (NY): Springer New York, 2015. 402 p.
  35. Amzajerdian F. et al. Improving reliability of high power quasi-CW laser diode arrays for pumping solid state lasers // Lidar Remote Sensing for Environmental Monitoring VI / ed. Singh U.N. 2005. V. 5887. № February 2015. P. 58870E1–58870E7. https://doi.org/10.1117/12.620102
  36. 3Пат. RU 184832 U1. Оптическая усилительная головка с диодной накачкой / Багдасаров В.Х., Бельков С.А., Букин В.В., Гаранин С.Г., Гарнов С.В., Кудашева Н.А., Овчаренко Б.Д., Цветков В.Б.; заявитель и патентообладатель ФГБУН Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук (ИОФ РАН); опубл. 12.11.2018.
  37. URL: https://omlc.org/spectra/lasermedia/html/052.html (дата обращения: 15.12.2023).
  38. Schiling B.W. et al. End-pumped 1,5 µm monoblock laser for broad temperature operation // Appl. Opt. 2006. V. 45. № 25. P. 6607–6615. https://doi.org/10.1364/AO.45.00660

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Оптическая схема численного эксперимента по измерению пространственного распределения интенсивности пятна излучения массива диодов (Zemax).

Скачать (158KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Пространственные распределения интенсивности пятна излучения массива диодов, полученные в численном эксперименте (Zemax) (красный график) и рассчитанные с помощью модельной функции и метода наименьших квадратов (синий график); а – серединное горизонтальное сечение; б – серединное вертикальное сечение.

Скачать (189KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Оптическая схема экспериментальной установки измерения пространственного распределения интенсивности пятна излучения лазерной диодной решетки.

Скачать (215KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Оптическая схема поперечного сечения модели квантрона с пятисторонней (а) и трехсторонней (б) диодной накачкой.

Скачать (268KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Спектры поглощения Nd3+:YAG 1% ат. (синий график), излучения ЛДР с центральной длиной волны 806 ± 3 нм (фиолетовый график). Три гауссовых кривых показывают центральное положение спектра излучения ЛДР (сплошная линия) и предельные случаи смещения положения спектра излучения ЛДР в пределах партии при фиксированной температуре 25 °C (пунктирные кривые).

Скачать (171KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Длина поглощения в Nd3+:YAG 1% ат. в диапазоне длин волн излучения ЛДР в пределах партии.

Скачать (95KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Распределение поглощенной мощности излучения по поперечному сечению Nd3+:YAG в математической модели Zemax с пятисторонней (а) и трехсторонней (б) накачками.

Скачать (281KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Пространственное распределение поглощенной мощности излучения в серединном горизонтальном разрезе поперечного сечении активного элемента с пятисторонней (красный график) и трехсторонней (синий график) накачками.

Скачать (113KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Значения эффективности накачки активного элемента при различных значениях Δ – толщин жидкостного протока и кварцевой трубки (а); Н – расстояния между лазерными диодными решетками (б).

Скачать (199KB)
Метаданные
11. Рис. 10. Оптическая схема поперечного сечения модели квантрона с металлическими отражателями, а – расположенными на некоем расстоянии от внешней поверхности кварцевой трубки, б – напыленными на внешней поверхности кварцевой трубки.

Скачать (279KB)
Метаданные
12. Рис. 11. Значения эффективности накачки активного элемента при различных значениях радиуса R металлического отражателя (а), угла φ дуги сегмента металлического напыления на кварцевой трубке (б).

Скачать (129KB)
Метаданные
13. Рис. 12. Значения эффективности накачки активного элемента при допустимой погрешности в установке активного элемента и кварцевой трубки: (а) ∆y – смещение элементов вдоль оси y; (б) γ – угол поворота относительно центра активного элемента вокруг оси y.

Скачать (219KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024