High polarization degree, high-power Q-switched 1064 nm output with efficient depolarization compensation.pdf Введение Твердотельные Nd:YAG-лазеры с высокой средней мощностью обычно используются для различных применений обработки материалов, таких как резка, сварка, сверление и т.д. [1-4]. Применение Nd:YAG-лазера для обработки материалов зависит от поглощения длины волны 1064 нм в материале. Состояние поляризации лазерного луча оказывает существенное влияние на поглощение, которое усиливается для линейно-поляризованного луча [5, 6]. С другой стороны, работа лазера в импульсном режиме считается более подходящей для обработки материалов из-за его минимальных тепловых искажений и малой зоны теплового воздействия. Таким образом, при обработке материалов фактически требуется линейно-поляризованный пучок импульсного режима, что может значительно повысить эффективность обработки. Кроме того, линейно-поляризо¬ван¬ный пучок импульсного режима является неотъемлемой частью преобразования частоты в качестве источника накачки. Однако вызванное термическим напряжением двулучепреломление в Nd:YAG-стержнях приводит к существенной деполяризации, что значительно ограничивает выходную мощность с линейной поляризацией. В различных условиях эксперимента вращатель Фарадея [7], пластины λ/4 [8, 9], λ/2 и петлевая зеркальная система [10, 11], кварцевый вращатель [12-15] обычно используются для компенсации эффекта двулучепреломления в случае термически индуцированного напряжения. Для обеспечения степени поляризации выходной мощности необходим поляризатор перед выходным зеркалом. Обычно поляризатор помещается непосредственно на пути луча, тогда проходящий через поляризатор световой луч будет p-поляризован или s-поляри¬зован. Однако выходная мощность будет более или менее уменьшена после поляризатора, а потеря деполяризации не может быть устранена полностью. В данной работе представлена попытка получить мощный линейно-поляризованный свет с λ = 1064 нм, с высокой степенью поляризации в лазере с модуляцией добротности. Как и в обычном методе компенсации двулучепреломления, в данном случае для улучшения степени поляризации выходного луча использовался поляризатор. Однако разница состоит в том, что отраженный луч после поляризатора, который обычно игнорируется, в данном случае полностью используется для генерации линейно-поляри¬зованных выходных лазерных лучей. Доказано, что этот метод очень эффективен в компенсации потери при деполяризации. Был тщательно разработан резонатор Nd:YAG-лазера с диодной накачкой с переключением добротности и двумя лазерными модулями. При использовании описанного выше метода для компенсации потери деполяризации был получен 1064 нм линейно-поляризованный свет с мощностью до 250 Вт, что даже превышает выходную мощность полностью нелинейно-поляризованного света. Коэффициент экстинкции линейно-поляризованного света длиной волны 1064 нм превышает 2500:1. Исследование генерации линейно-поляризованного света с высокой эффективностью Прежде всего, был проведен исследовательский эксперимент по генерации линейно-поляри¬зованного света, принципиальная схема которого показана на рис. 1. В плоскопараллельном резонаторе Nd:YAG-лазера использовался один стержень, легированный 0.6% Nd3+, с диаметром 4 мм и длиной 120 мм, кристалл имел водяное охлаждение. Nd:YAG-cтержень накачивался сбоку пятью cw-диодными массивами, излучающими на длине волны 808 нм, которые обеспечивали эффективную накачку, а две торцевые поверхности стержня имели просветляющие покрытия на 1064 нм. Поляризатор и отражающее зеркало, которые составляли линейно-поляризационную систему для генерации света, отстояли друг от друга на расстоянии, обеспечивающемся равенством l1 = l2 + l3 = 250 мм. Как показано на рис. 1, с помощью данной системы возможно получение p- или s-поляризованного света. Рис. 1. Принципиальная схема генерации и компенсации линейно-поляризованного света Выходные мощности p- и s-поляризованного света с системой генерации линейно-поляризо¬ванного света и нелинейно-поляризованного света с заменой выходного ответвителя (T = 30%) в зависимости от тока накачки показаны на рис. 2. Наибольшие выходные мощности p- и s-поляри¬зо¬ванного света составляют 210 и 148 Вт, в то время как наибольшая выходная мощность нелинейного поляризованного света - 270 Вт. Обычно способ получения линейно-поляризованного света в резонаторе лазера с боковой накачкой заключается в прямой вставке поляризатора, но выходная мощность значительно уменьшится в результате потери. В данной системе часть света, отраженная поляризатором, возвращается в резонатор лазера и используется повторно, поэтому эффективность генерации линейно-поляризованного света намного выше. Более того, можно получить, что в простом прямом плоскопараллельном резонаторе соотношение преобразования деполяризованного света в p-поляризованный свет больше, чем соотношение преобразования деполяризованного света в s-поляризованный свет. Соотношение мощности (p) / мощности (s) остается примерно на уровне 1.3 при постоянном увеличении тока (рис. 3). Таким образом, можно спроектировать наш лазерный резонатор высокой выходной мощности в режиме p-поляризованного светового потока. Рис. 2. Выходная мощность в зависимости от тока насоса Рис. 3. Соотношение мощности между двумя линейно-поляризованными источниками света и током накачки Генерация линейно-поляризованного света на 1064 нм с высокой мощностью Чтобы получить высокую выходную мощность линейно-поляризованного света при 1064 нм, был тщательно разработан симметричный плоскопараллельный резонатор, включающий два лазерных модуля с боковой накачкой. Экспериментальная установка показана на рис. 4. Режим накачки двух лазерных модулей такой же, как и в приведенном выше эксперименте. Для получения высокой выходной мощности необходимо, чтобы два лазерных модуля имели одинаковые тепловые эффекты, а именно одинаковое соотношение «вход - выход» [16]. Поэтому были тщательно выбраны Рис. 4. Принципиальная схема компактного прямого резонатора для генерации линейно-поляризованного света высокой мощности 1064 нм два лазерных модуля, а соотношение ввода - вывода двух использованных головок было исследовано с помощью симметричного плоскопараллельного резонатора с частичным выходным соединителем T = 30%. При длине резонатора 500 мм область термостабильности двух лазерных модулей достигла своего максимального значения. Соотношение вход - выход показано на рис. 5 отдельно, а максимальная выходная мощность составляет 270 и 280 Вт при токе диодного привода 17.5 и 18 А. Для улучшения симметрии лазерного резонатора между двумя лазерными модулями используется оптическая система визуализации, состоящая из двух фокусирующих линз (f = 100). Это позволяет повысить область термостабильности данного резонатора [7, 14]. Строго регулируем пространство так, что l1 = l5 + l6 = 200 мм, l2 = l4 = 100 мм и l3 = 200 мм. Чтобы получить импульсный свет при высоком уровне мощности, два акустооптических (АО) Q-переключателя (QSG40-1Z, 26-й научно-исследовательский институт «CETC») были размещены ортогонально для улучшения удерживающей способности [7]. Это может значительно повысить способность генерирования импульсного света. Два Q-переключателя АО приводились в действие синхронно от одного источника питания и работали с частотой повторения 10 кГц. Кварцевый 90-градусный вращатель был вставлен между двумя лазерными модулями для компенсации зависящего от поляризации теплового двулучепреломления. Компенсация двулучепреломления уменьшила потери на деполяризацию и исключила бифокусировку стержня, что одновременно повысило выходную мощность и улучшило качество луча. Для получения линейно-поляризованного света в эксперименте использовался поляризатор Брюстера. s-Поляризованный свет, который отражается поляризатором Брюстера, был возвращен в резонатор отражающим зеркалом М2, а переданный p-поляризованный свет был экспортирован. Подобная L-образная полость «творит чудеса» при генерации линейно-поляризованного света. Для подтверждения этого были проведены сравнительные эксперименты. На рис. 6 показаны линейно-поляризованные выходные мощности, генерируемые аналогичным L-образ¬ным резонатором (треугольники) при непрерывном увеличении тока. Нелинейно-поляризованные выходные мощности (на рис. 6 точки) создавались другой полостью, в которой деполяризованный свет 1064 нм выводился непосредственно зеркалом T = 30% при 1064 нм. Рис. 5. Сравнение соотношения ввода - вывода между лазерным модулем 1 и лазерным модулем 2 Рис. 6. Сравнение выходных мощностей с линейной поляризацией и выходных мощностей с нелинейной поляризацией при увеличении тока Свет мощностью 250 Вт при 1064 нм был получен с помощью аналогичного L-образного резонатора, что даже превышает полностью нелинейно-поляризованную выходную мощность. Это связано с тем, что наша L-образная полость не только производит линейно-поляризованный свет, но и эффективно выполняет роль компенсатора потерь при деполяризации, многократно перемещая s-поляризованный свет взад и вперед внутри полости. Форма волны светового луча также была измерена, как показано на рис. 7, ширина полученного импульса линейно-поляризованного света составляет около 60 нс. Рис. 7. Ширина импульса линейно-поляризованного света Для проверки степени поляризации выходного луча использовался поляризатор на выходном оптическом тракте для измерения мощности p- и s-поляризованного света. Результат показывает, что коэффициент экстинкции превышает 2500:1, убедительно доказывая, что степень поляризации полученного линейно-поляризованного света 1064 нм очень высока. Используя этот свет 1064 нм в качестве основного источника, был проведен эксперимент по удвоению частоты. Кристалл LBO размером 3×3×15.6 мм, который был вырезан для некритического согласования фазы типа I (NCPM) (θ = 90°, φ = 0°), использовался для генерации второй гармоники (SHG). Из рис. 8. следует, что максимальная полученная мощность 532 нм составила 120 Вт при соответствующей эффективности преобразования 48%. Рис. 8. Для луча 532 нм: а - мощность 532 нм против мощности 1064 нм; б - пиковая плотность мощности 532 нм по сравнению с эффективностью преобразования Кривые на рис. 8, а, б имеют тенденцию к росту, поэтому выходная мощность при 532 нм и эффективность преобразования могут также увеличиваться. Так как длина использованного кристалла LBO немного меньше, чем в эксперименте с удвоением частоты, то при использование более длинного кристалла LBO выходная мощность 532 нм будет намного выше при использовании линейно-поляризованного основного источника света с переключением добротности, который был получен выше. Этот эксперимент надежно доказывает, что качество луча нашего света 1064 нм достаточно хорошее. Выводы Таким образом, впервые продемонстрирована система генерации и компенсации линейно-поляризованного света, использующая в резонаторе Nd:YAG-лазеры с диодной накачкой с переключением добротности, которая может эффективно повысить выходную мощность линейно-поляризованного света. При использование данной системы получен линейно-поляризованный свет с модуляцией добротности 1064 нм с максимальной выходной мощностью 250 Вт с частотой повторения 10 кГц и шириной импульса 60 нс. Это выше, чем полностью нелинейно-поляризо¬ванная выходная мощность без этой системы. Коэффициент экстинкции линейно-поляризованного света длиной 1064 нм был более 2500:1, что свидетельствует об очень высокой степени поляризации полученного выходного луча. Используя этот линейно-поляризованный свет 1064 нм в качестве основного источника света, был проведен эксперимент по удвоению частоты. Высокая выходная мощность при 532 нм и высокая эффективность преобразования в эксперименте по удвоению частоты подтвердили, что качество полученного луча 1064 нм достаточно хорошее.

Скачать электронную версию публикации