Ключевые проблемы Огромные тепловыделения в активной среде требуют

Ключевые проблемы Огромные тепловыделения в активной среде требуют: Ø высокого КПД Ø организации эффективного теплоотвода Ø подавления и/или компенсации термооптических эффектов в активной среде Ø учета тепловых эффектов в других оптических элементах 1

Уменьшение тепловых эффектов • Intelligent design of the geometry; pump, laser medium, resonator rod, slab, thin-disc, fibre geometry. • Reduce the quantum defect. • Use a brighter (longitudinal) pump and longer absorption length. • Increase thermal conductivity: cryogenic cooling (for crystals). • Coherently add beams from several thermally isolated systems. • “Point design” optimized for a given thermal lens (Inflexible, unable to correct higher order aberrations) • Adaptive optics (сomplex, expensive). 2

Полезные технологии. Адаптивная оптика ДВА ВИДА АДАПТИВНОЙ ОПТИКИ: Нелинейная - ОВФ Линейная - деформируемые зеркала ДВЕ ФУНКЦИИ АДАПТИВНОЙ ОПТИКИ: Компенсация (тепловых) искажений внутри самого лазера Компенсация искажений, вносимых атмосферой на трассе 3

Полезные технологии. Адаптивная оптика ЛАЗЕР Датчик волнового фронта Алгоритм Деформируемое зеркало 4

Полезные технологии. Суммирование каналов Amplifiers AO AO Feedback control Master oscillator Reference PD Successfully tested with 10 W Yb fibre amplifiers S. J. Augst, T. Y. Fan, A. Sanchez Opt Letts 29, 474, 2004 5

Полезные технологии. Суммирование каналов Методы: - Нелинейная оптика - Прямое измерение фазы и адаптивное управление - Суммирование спектров на дифракционной решетке Геометрия: - Суммирование резонаторов - Суммирование усилителей Пример суммирования двух волоконных лазеров прямым измерением фазы 6

Полезные технологии. Композитные материалы Nd: YAG YAG YAG Diffusion bonded 7

Полезные технологии. Охлаждение до 77 К Большая теплопроводность: YAG (10 раз), GGG (6 раз), сапфир (25 раз) Меньше коэффициент линейного расширения Меньше dn/d. T Больше сечение перехода Опустошение нижнего лазерного уровня в Yb Пример с дисковой геометрией 8

Полезные технологии. Охлаждение до 77 К Свойства сапфира (с титаном): T. Suzuki et. al. , Frontiers Science Series No. 41 (FSS-41), ISSN 0915 -8502 A. C. De. Franzo, B. G. Pazol, Applied Optics, 32, pp. 2224 -2234, 1993 9

Тепловая линза в Ti: Al 2 O 3 при 77 К • k, dn/d. T, and a depend on material temperature Temperature 300 K 77 K 0. 33 10 Thermal dependence on refractive index, dn/d. T [K-1] 1. 28 10 -5 0. 19 10 -5 7 x lower Thermal expansion coefficient, a [cm-3 K-1] 5. 0 10 -6 0. 34 10 -6 14 x lower Thermal conductivity, k [W cm-1 K-1] 30 x higher For a given thermal lens value, the pump power can increase by a factor of >200 at cryogenic temperatures! 10

Thermal modeling of amplifier crystal at 80 K 300 W, 80 K, f. l. ~215 mm Note the deviation from a quadratic profile within 1/e 2 radius. 1. 2 mm 1/e^2 radius • 150 W pump from each side. Pump beam radius wo=300µm 10 mm 11

Sample Commercial System: Legend-HE-Cryo • Oscillator, stretcher, regen, cryo-cooled multipass amplifier, high power compressor. • >7 m. J @ 1 k. Hz, <40 fs, <1% RMS stability 12

Накачка. Сегодня диодная накачка – широко рекламируемый и продаваемый продукт • • Decade Optical Systems, Inc. 720 -bar QCW array: 1. 7 mm pitch at 55º emission angle including fast axis collimation optics; 72 k. W of output. http: //www. sslasers. com/Laser_Diode_Arrays. htm Характерная цена 10 -20$/Вт, включая охлаждение НИКАКОЙ АЛЬТЕРНАТИВЫ ДИОДНОЙ НАКАЧКЕ НЕТ 13

Ион. ( Yb или Nd ) Nd: YAG Yb: YAG 808 941 6. 7 0. 7 <4 18 Интенсивность насыщения накачки, к. Вт/см 2 12 28 Минимальная интенсивность накачки, к. Вт/см 2 0 2. 8 Длина волны усиления, нм 1064 1030 Сечение усиления, 10 -20 см 2 28 2. 1 250 970 Дефект кванта 0. 24 0. 11 Энергия тепловыделения/hn 0. 37 0. 11 51 55 Длина волны накачки, нм 808 нм 1064 нм 941 нм 1030 нм Сечение поглощения, 10 -20 см 2 3 k. T при 300 К Ширина полосы накачки, нм Преимущества Yb явно превосходят его недостатки, 6 0. 6 хотя на сегодняшний Интенсивность насыщения усиления, к. Вт/см день лазеры на Nd более 2. 6 9. 5 1064 нм обеспечены технологически 0. 6 Энергия насыщения усиления, Дж/см 9. 0 Ширина полосы усиления, нм 2 2 808 нм Время жизни верхнего уровня, мкс 941 нм Плотность тепловыделения при усилении Nd 3+ 1030 нм 0. 05 см-1, Yb 3+ Вт/см 3 3 k. T при 300 К 14

Оптическая схема. С усилителем или без? Усилитель Для лазерного драйвера для УТС выбор однозначен Для лазерного оружия – конкуренция между двумя архитектурами в полном разгаре 15

Выбор матрицы. S-FAB или стекло В настоящее время на УТС, но в будущем их могут вытеснить и оттуда Для волоконных лазеров : Кварц кристаллические волокна ? ! Для НЕволоконных лазеров 3 кандидата: YAG - теплопроводность GGG – апертура, качество Керамика – теплопроводность, апертура, качество. . . 16

Геометрия активной среды. 5 вариантов. Ключевой вопрос – одновременно организовать потоки накачки, генерации и охлаждения стержень слэб 2 D геометрия Суммирование каналов - ? 77 K – перспектривно ! диск активное зеркало волокно YAG GGG керамика Композитные среды 17

Геометрия активной среды. 5 вариантов. Ключевой вопрос – одновременно организовать потоки накачки, генерации и охлаждения стержень слэб 2 3 D геометрия Суммирование каналов - ? 77 K – перспектривно ! диск активное зеркало волокно YAG GGG керамика Композитные среды 18

Геометрия активной среды. 5 вариантов. Ключевой вопрос – одновременно организовать потоки накачки, генерации и охлаждения стержень слэб диск 2 1 D геометрия Суммирование каналов - нет 77 K – ? активное зеркало волокно YAG GGG керамика 19

Геометрия активной среды. 5 вариантов. Ключевой вопрос – одновременно организовать потоки накачки, генерации и охлаждения стержень слэб диск 3 2 D геометрия Суммирование каналов - нет 77 K – перспектривно ! активное зеркало волокно YAG GGG керамика Композитные среды 20

Геометрия активной среды. 5 вариантов. Ключевой вопрос – одновременно организовать потоки накачки, генерации и охлаждения стержень слэб диск активное зеркало волокно 2 D геометрия Суммирование каналов - да 77 K – перспектривно ! 21

Геометрия активной среды. 300 Вт поляр. (2005) 1. 4 к. Вт неполяр. (2004) 2. 65 к. Вт (2002) Во всех геометриях продемонстрирована мощность киловаттного уровня. Перспективы достичь 100 к. Вт примерно одинаковы. 30 к. Вт 1 сек (2004) 16 к. Вт 4 сек (2004) 4. 5 к. Вт (2004) 12+12=19 к. Вт (2006) 1 k. W-level (2004) 22

Обзор действующих проектов. Northrop Grumman Nd Слэбы Генератор - усилитель 8 каналов по 12. 5 k. W 4 слэба в канале Суммирование – прямое измерение Май 2004 – 4. 5 к. Вт с одного слэба 23

Обзор действующих проектов. Raytheon Yb YAG Слэбы Генератор - усилитель 25 к. Вт ОВФ – тепловая нелинейность 1 канал 25 к. Вт + 1 -2 усилителя -100 к. Вт 2002 – 2. 65 к. Вт (стержни) 24

Обзор действующих проектов. Ливермор (HCL) Nd: GGG (кладинг Co: GGG) Диски Генератор Деформируемое зеркало 9 дисков (с накоплением тепла) 14 х14 см -100 к. Вт Май 2004, 3 диска: 30 к. Вт (1 сеунда) 10 к. Вт (4 секунды) 25

Обзор действующих проектов. Boeing. Nd: GGG Активные зеркала диаметр 15 см Diffusion bonded 26

Обзор действующих проектов. Boeing. Генератор без усилителя Деформируемое зеркало 16 дисков -100 к. Вт (проект) 27

Обзор действующих проектов. Boeing. 28

Обзор действующих проектов. Boeing. 29

Обзор действующих проектов. Ливермор Yb: YAG Активные зеркала Резонатор Diffusion bonded 30

Обзор действующих проектов. Ливермор 31

Обзор действующих проектов. Northrop Grumman “Northrop Grumman has already combined beams from a linear array of four fiber lasers in a project for the HELJTO; the company is now trying to combine outputs of a circular array of seven fibers”. Yb Волокно PM Резонатор – усилитель 265 Вт суммирование 32

Обзор действующих проектов (не волоконных). геометрия фирма ион Усилитель матрица Суммирование Адаптивная оптика Диски LLNL Nd нет GGG нет зеркала Активные зеркала Boeing Nd нет GGG нет Активные зеркала LLNL Yb нет YAG нет слэб NG Nd да слэб Raytheon Yb да YAG слэб LLNL Yb да S-FAP слэб Osaka U. Nd да стекло 8 каналов Зеркала нет ВТР нет ВРМБ 33

34