Приложения лазеров с большой средней мощностью и дифракционным качеством пучка 100 к. Вт LIGO Barish, B. C. , R. Weiss, Physics Today, 1999, 35, 44. Технологические приложения Hecht, J. , . Laser Focus World, 2004, 40 УТС: Livermore: реактор к 2030 году Osaka University: реактор к 2025 году Требования на один канал: 1 -2 к. Дж, 10 -12 Гц, 3 -10 нс 2005 г: 20 Дж 10 Гц 10 нс K. Kincade, Laser Focus World, 2005, 41 Kawashima, T. , et al. . OSA Topical Meetings ASSP 2005. 1
Свойства лазерного излучения Когерентность в пространстве (направленность) Дифракционно ограниченный пучок DDk» p Фаза =const на всей апертуре пучка Расходимость Jdiff =2. 44 l/D (П-образный пучок) 2 l/p. D (гауссов пучок) l/D=1 мкм/10 см=10 -5 рад Передача энергии (информации) на большие расстояния D Dfar z Концентрация энергии при фокусировке d D F 2
Яркость Brightness (or radiance) ≡ Power Area Solid angle Diffraction-limited : B = P [ D 2( Beam quality Mx 2, My 2 : B = P TEMmn B=P l /D)2 ] (W/m 2/sr) = P l 2 [Mx 2 My 2 l 2] [(2 m+1) (2 n+1) l 2] B determines maximum focussed intensity B is invariant as beam traverses (perfect) lens system B can be increased by passive optical components Light source figure of merit: usually Brightness (not Power) We need a convenient unit: ? 1 W/m 2/sr ≡ 1 Townes, 1 To 3
Яркость некоторых источников W/m 2/sr (Townes) Tungsten lamp, visible light 105 100 k. To (kilo. Townes) 50 W diode bar 1010 10 GTo (Giga. Townes) 1 m. W laser pointer * 3 x 109 3 GTo 1 W Ar laser (488 nm) * 4. 5 x 1012 4. 5 TTo (Tera. Townes) 1 k. W laser @1µm * 1015 1 PTo (Peta. Townes) 1 MW laser @1µm * 1018 1 ETo (Exa. Townes) 30 fs, 1 m. J @0. 8µm * 5 x 1022 50 ZTo (Zetta. Townes) 45 TW @0. 8µm * 7 x 1025 70 YTo (Yotta. Townes) “ * assumed diffraction limited 4
Причины быстрого роста средней мощности лазеров с дифракционным качеством пучка 1) увеличение эффективности, надежности и доступности 2) диодных лазеров 2) “появление” иона итербия Yb 3+. Krupke, W. , IEEE J. on Sel. Topics in Quant. Electronics, 2001, 6, 1287 1030 нм 1064 нм 808 нм 941 нм 3 k. T при 300 К 3) новые технологии изготовления оптических материалов: • • • Yb 3+ Nd 3+ вытягивание double-clad волокон с большим сечением Jeohg, Y. , et al. Opt. Exp. , 2004 12, 6088 спекание оптической керамики Lu, J. , et al. , Journal of Alloys and Compounds, 2002. 341, 220 изготовление композитных материалов Tsunekane, M. et al, , Applied Optics, 1999. 38, 1788 4) развитие адаптивных методов компенсации • ОВФ-зеркала • деформируемые зеркала. 5
Источники тепла • ток в лазерных диодах • накачка в активных элементах • Мезенов, А. В. , Л. Н. Сомс, А. И. Степанов, Термооптика твердотельных лазеров. 1986 • Koechner, W. , Solid-State Laser Engineering. 1999, Berlin: Springer • поглощение излучения в оптических элементах удвоители частоты Eimerl, D. , . IEEE J. of Quantum Elecronics, 1987. 23, 575. модуляторы добротности Eimerl, D. , IEEE J. of Quantum Electronics, 1987. 23, 2238. модуляторы частоты Kaminow, I. P. , Appleid Optics, 1964. 3, 511 окна Peng, Y. , et al. , . Applied Optics, 2004. 43, 6465 зеркала Strain, K. A. , et al. , Physics Letters A, 1994. 194, 124 изоляторы и вращатели Фарадея • затухание колебаний среды в ОВФ-зеркалах Андреев, Н. Ф. ; Кулагин, О. В. ; Палашов, О. В. ; Пасманик, Г. А. ; Хазанов, Е. А. , . Квантовая электроника 1994, 21, (11), 1058. 6
Классификация тепловых эффектов • нагрев (увеличение средней по объему температуры) Øрасширение и смещение линии, а также уменьшение сечения перехода АЭ или пассивного модулятора добротности Bass, M. , et al. , IEEE J. Quantum Electronics, 2003. 39, 741 Øизменение угла синхронизма удвоителей Eimerl, D. , . IEEE J. of Quantum Elecronics, 1987. 23, 575 Ø уменьшение постоянной Вердэ изоляторов Barnes, N. P. , L. P. Petway, JOSA B, 1992. 9, 1912 Øуменьшение теплопроводности • механическое разрушение из-за напряжений Øпараметр теплового разрушения Koechner, W. , Solid-State Laser Engineering. 1999, Berlin: Springer Øанализ ограничений Chen, Y. F. , . IEEE J. of Quantum Electronics, 1999. 35, 234 • тепловая линза Øлинейное расширение Øзависимость показателя преломления от температуры Øфотоупругий эффект (изотропная часть) Øтермооптическая постоянная P Ананьев, Ю. А. , Н. Гришманова, . ЖПС, 1970. 12, 668 • двулучепреломление Øфотоупругий эффект (аизотропная часть) Øтермооптическая постоянная Q Ананьев, Ю. А. , Н. Гришманова, . ЖПС, 1970. 12, 668 7
Механическое разрушение Для циллиндрического активного элемента теплопроводность thermal shock parameter коэффициент линейного расширения Модуль Юнга стекло Rthermal , Вт/см GSGG YAG 6. 5 7. 9 максимально допустимое напряжение Al 2 O 3 1 коэффициент Пуассона 100 8
Вклад термооптических эффектов Базовые уравнения: Изменение длины оптического пути Фотоупругие эффекты Зависимость n от температуры Изменение формы образца 9
Вклад термооптических эффектов • Аналитическое выражение для тепловой линзы для длинного циллиндра Thermal index part of the bulk lensing ~80% Thermal strain part of the bulk lensing ~15% Lensing from bulging of material faces ~5% • Pa = total heat dissipated in the rod, A = rod cross section, ro = rod radius, L = rod length, κ = thermal conductivity, n = on-axis index of refraction, α= thermal coefficient of expansion, Crφ = photoelastic coefficient 10
Численный расчет термооптических эффектов Температура: Стационарное нагревание образца T • K-8 • длина цилиндра L=2 см; • радиус цилиндра R=3, 2 см; • мощность лазера P=0, 1 Вт. Z R Схематично показана геометрия нагревания образца и способ задания сетки разбиения 11
Численный расчет термооптических эффектов Температура: Z Z R Через 20 секунд Z R Через 100 секунд R Через 500 секунд Нестационарное нагревание образца • K-8 • длина цилиндра L=2 см; • радиус цилиндра R=3, 2 см; • мощность лазера P=0, 1 Вт. 12
ИЗМЕРЕНИЕ ФАЗОВЫХ ИСКАЖЕНИЙ l/1000 4 измерения в секунду 13
Три критерия качества пучков. Интеграл перекрытия c Еin Yin=const Еout Yout=Yout(r) фазовый аберратор Еout= N Еin + Е^ Рout=c Рin + Р^ 14
Три критерия качества пучков. Число Штреля S Еin Yin=const Еout Yout=Yout(r) Iin(r) F I (r) out фазовый аберратор 15
Три критерия качества пучков. Параметр M 2 Еin Yin=const Еout Yout=Yout(r) qin w 0 qout фазовый аберратор вторые центральные моменты интенсивности пучка и его пространственного спектра Международный стандарт «Лазеры и лазерное оборудование – Методы исследования параметров лазерного пучка – Размер (ширина) пучка, угол расходимости, коэффициент передачи» ISO 11146 16
Компенсирующая линза Еin Yin=const Еout Yout=Yout(r)+Ycorr фазовый аберратор t = r 2/a 2 , Варьируя R мы можем максимизировать c , S, а M 2 (или m) нет 17
Фотоупругий эффект градиент температуры ÑT механические смещения и деформации e фотоупругий эффект: изменение тензора диэлектрической непроницаемости пропорциональное тензору деформации DBij=pijklekl или DBi=pijej двулучепреломление: ni-nj= n 3(DBjj – DBii)/2 pijkl ® pmn 11 ® 1 22 ® 2 33 ® 3 12, 21 ® 4 13, 31 ® 5 23, 32 ® 6 (в системе координат, где тензор DB диагонален) 18
Двулучепреломление, деполяризация двулучепреломление: ni-nj= n 3(DBjj – DBii)/2 среда с круговым двулучепреломлением: превращение собственных поляризаций в эллиптические и изменение разности фаз между ними изотропная среда: появление линейных собственных поляризаций и разности фаз между ними среда с линейным двулучепреломлением: изменение линейных собственных поляризаций и разности фаз между ними P 0 Pдепол¹ 0 Pпол¹P 0 19
Деполяризованное излучение P 0 Pдепол¹ 0 Pпол¹P 0 Деполяризацованное излучение - излучение, у которого поляризация постоянна во времени, но изменяется от точки к точке поперечного сечения. деполяризованное излучение нельзя характеризовать фазой (и, соответственно, волновым фронтом), т. к. для комплексного вектора нельзя ввести понятие фазы Выбор поляризационного базиса произволен, однако есть два физически выделенных базиса: 20
Степень деполяризации (неразвязка) P 0 Pдепол¹ 0 Pпол¹P 0 21
Уменьшение и компенсация деполяризации Уменьшение: • диодная накачка • ион итербия Krupke, W. , IEEE J. on Sel. Topics in Quan. Electr. , 2001, 6, 1287 ; • оптическое волокно Jeohg, Y. , et al. Opt. Exp. , 2004 12, 6088 • диски Brown, D. C. , et al. , Appl. Opt. 1986. 25, 612 • слэбы Martin, W. S. and J. P. Chernoch, US Patent. 1972 • подбор активной среды с большой теплопроводностью и малой величиной Q Мезенов, А. В. , Л. Н. Сомс, А. И. Степанов, Термооптика твердотельных лазеров. 1986 • охлаждения до температуры 77 К Ripin, D. J. , et al. , Optics Letters, 2004. 29, 2154 • кристаллы с естественной анизотропией Мезенов, А. В. , Л. Н. Сомс, А. И. Степанов, Термооптика твердотельных лазеров. 1986 • композитные материалы Tsunekane, M. , et al. . IEEE J. on Sel. Top. in Quant. Electr. 1997. 3, 9 Выбор ориентации кристалла Компенсация: • Пространственно-поляризационное ОВФ и другие нелинейно-оптические методы • Линейные схемные решения: 900 активный элемент W. Scott, M. De Wit Appl. Phys. Lett. 18, 3, 1973 активный элемент Фарадеевский вращатель, 450 G. Giuliani, P. Ristori, Opt. Commun. 35, 109, 1980. активный элемент l/4 00 W. A. Clarkson. et al. Opt. Lett. , 24, 820, 1999 Модернизация старых и новые схемы: • с одноосным кристаллом • с параллельным аксиконом 22
Расходящийся пучок в одноосном кристалле. Идея. активный элемент одноосный кристалл 23
Расходящийся пучок в одноосном кристалле. Экспериментальные результаты Профиль пучка лазера Профиль пучка деполяризации без с компенсацией компенсации Одноосный кристалл, помещенный внутрь телескопа, позволяет уменьшить деполяризацию на порядок величины и более. Метод может быть эффективно использован как в однопроходной так и в двухпроходной геометрии 24
Использование механических напряжений x СИЛА x Ein лазерный пучок СИЛА z СИЛА y направление собственных поляризаций, индуцированных силой 25
Скачать презентацию Приложения лазеров с большой средней мощностью и дифракционным
Термооптика.ppt