ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Оптические неоднородности активных элементов АИГ из "Лазеры на алюмоиттриевом гранате с неодимом " Важной характеристикой активных элементов лазеров является их оптическая однородность. При низкой оптической однородности элементов, например при наличии свилей, генерируемый лазерный пучок рассеивается в них, теряет за счет этого выходную мощность и ухудшает поперечное распределение интенсивности. Другим примером неоднородностей является двулучепреломление в активном элементе, в том числе и неравномерное по сечению элемента К При такой неоднородности, кроме рассеяния пучка, наблюдается и нарушение его поляризации — она становится неодинаковой в разных частях пучка. Поэтому изучение природы возможных источников оптической неоднородности активных элементов АИГ-Nd, разработка методов их уменьшения и подавления их влияния на характеристики лазерного пучка являются важной практической задачей. [c.34] Все источники оптических искажений активных элементов могут быть разбиты на две группы искажения, появляющиеся в процессе выращивания кристалла (були) из-за несовершенств технологии роста и в процессе изготовления активных элементах под воздействием нагрева источником накачки. [c.34] Дефекты активных элементов могут носить различный характер. Во-первых, это неоднородные включения (твердые частицы, газовые пузырьки),. попадающие в кристалл в процессе его выращивания J24, 25]. Во-вторых, различные химические примеси в матрице кристалла, появляющиеся как на этапе приготовления исходных химических компонент кристалла (шихты), так и в процессе выращивания кристалла. Наиболее распространенной химической примесью является железо, дающее дополнительное поглощение света в кристалле. Существенными оптическими дефектами кристаллов являются неоднородности коэффициента преломления и наличие двулучепреломления в них (также чаще всего неоднородного). Подобный вид искажений может быть заметно уменьшен за счет улучшения технологии процессов. Что же касается термооптических искажений кристаллической решетки, возникающих под действием нагрева источником накачки лазера, то уменьшить их сложнее, поскольку источник принципиально не может быть устранен (стремятся лишь уменьшить его влияние). [c.34] Исследование и измерение неоднородности коэффициента преломления кристаллов производится, как правило, с помощью методов, основанных на интерференции невозмущенного светового луча и луча, прошедшего через исследуемый кристалл. [c.34] Другим источником ложных полос может быть непараллель-ность торцов исследуемого кристалла, даюш.ая соответствуюш.ий наклон фазовых фронтов интерферируюш,их пучков. В схеме с интерферометром Маха-Цендера этот источник легко устраняется юстировкой зеркал, направляющих невозмещедный пучок. В схеме, приведенной на рис. 1.18, непараллельность торцов дает ложные полосы, число которых пропорционально углу наклона между торцами. Для устранения этого фактора торцы кристалла полируют с необходимой параллельностью (обычно не хуже 10 )-Существенным достоинством установки является ее простота, отсутствие возможных источников нестабильности интерференционной картины за счет колебаний направляющих зеркал или среды между ними, в два раза большая чувствительность за счет двойного прохода зондирующего луча по кристаллу (туда и обратно). Рассмотрим пример оценки неоднородности кристалла на основе этой установки (рис. 1.18). [c.36] Дано Картина интерференции содержит т ри параллельных полосы по сечению кристалла, имеющего диаметр (2а) =0,5 см и длину /а = 5 см (рис. 1.19). Длина волны зон1ДИ рующего пучка —630 нм. [c.36] Существенно большие неоднородности коэффициента прелом-ления активных элементов возникают при их нагреве излучением источника накачки. Причиной служит выделение внутри активного элемента существенного количества тепла от источника накачки и то, что тепло отводится от разных частей кристаллов неравномерно. Тепло отводится только от внешней поверхности кристалла, непосредственно контактирующей с охлаждающей кристалл средой, например жидкостью. Поэтому граница кристалла холоднее его центральной части, вследствие чего возникают температурные градиенты и градиенты коэффициента преломления кристалла. В большинстве случаев лазерные кристаллы имеют цилиндрическую форму и тепло отводится от боковой поверхности цилиндрического тела (рис. 1.20). Возникающая обычно в таких случаях симметрия облучения кристалла светом накачки и отвода тепла обусловливает симметричное тепловое поле внутри кристалла, имеющее максимум температуры в центре кристалла и плавно спадающее к его краям. Симметричности теплового поля способствует также достаточно высокая теплопроводность кристаллов АИГ-Nd. [c.37] И луч ние но начни. [c.37] Где Sa — площадь боковой поверхности ha (Вт/град-см ) —коэффициент теплопередачи от кристалла хладоагенту, определяющий скачок температуры на границе кристалла с хладоагентом. Для часто используемой в качестве хладоагента дистилированной воды (коэффициент теплопроводности /Св = 0,057 Вт/см-град, вязкость 1в=1-10 см-с, теплоемкость Ср=4, 17 Вт/г град, ллотность рв = 1 г/см , коэффициент объемной теплопередачи 7в = 0,643-10 град- ) коэффициент теплопроводности ha для случая чисто ламинарного течения равен 1,5 Вт/см -град, для чисто турбулентного течения 0,75 Вт/см -град [36]. В реальных конструкциях осветителей поток охлаждающей кристалл воды, как правило, промежуточ- ный между чисто ламинарным и турбулентным. Поэтому для оценок можно использовать среднее значение /ia l,13 Вт/см -град. [c.38] Таким образам, даже в условиях равномерного тепловыделения в объеме элемента его температура нер1авномерна по сечению из-за объемной неоднарод-ности теплоотвода (теплоотвод осуществляется только с боковой поверхности элемента). В реальных условиях плотность мощности накачки и соответствен-но. [c.38] Нагрев кристалла, в том числе неравномерный, приводит к ряду отрицательных физических явлений, основными из которых являются механические напряжения, тепловая линза и неоднородное двулучепреломление. Рассмотрим их подробнее. [c.39] Как видно из выражений (1. 21), в радиальном направлении кристалл испытывает только сжатие, максимальное в центре п плавно спадающее до нуля к краю кристалла. В тангенциальном и продольном направлениях кристалл испытывает сжатие в центральной области и растяжение в периферийной. Поэтому существуют области кристалла, в которых Oq, Oz близки к нулю и при переходе через которые они меняют знак. Для тангенциальной составляющей Gq область перехода через нуль находится на расстоянии 0,6а от центра кристалла, для продольной на расстоянии 0,7а от центра. Полный вектор напряжения в точке кристалла вычисляется как векторная сумма компонент Ог, Tq направленных друг к другу под углом 90 . [c.40] Из выражений (1.21) видно, что напряжения в кристалле зависят от удельной мощности тепловыделения и не зависят от геометрических размеров кристалла (должна быть лишь цилиндрическая форма и выполняться соотношение /а 2а). Исходя из этого, можно оценить предельно допустимую мощность тепловыделения в кристалле на единицу объема активной среды. Используя вышеприведенные данные и тот факт, что на кристалл допускается механическая нагрузка не более 0,75 от предельной, получаем удельное значение максимально допустимого тепловыделения равным 390 Вт/см . [c.40] Здесь щ — показатель преломления на оси кристалла, близкий по значению к показателю преломления в холодном состоянии Пз. г — расстояние до оси кристалла Пг — добавка к коэффициенту преломления, появляющаяся за счет нагрева кристалла. Знак ми-лус перед ti2 означает, что тепловая линза является собирающей. [c.41] Рн (Ра пропорциональна Рн). Эта зависимость подтверждается многочисленными экспериментальными исследованиями [37, 40. Соотношение вкладов в оптическую силу тепловой линзы, изменения коэффициента преломления и выпучивания торцов элемента, как видно из (1.30), не зависит от накачки и определяется только длиной элемента /а. Как правило, U составляет 5—10 см. Используя характеристики кристалла, приведенные в табл. 1.1, легко найти указанное выше соотношение. Оно составляет (9,86/а)/12,74, или (49—98)/12,74, т. е. основной вклад в тепловую линзу кристалла АИГ-Isfd дает темпе ратурное изменение коэффициента преломления. [c.43] Степень деполяризации пучка для элементов с ориентацией [III] не зависит от направления поляризации падающего пучка относительно кристаллографических осей и нарастает по мере удаления от центра элемента. Степень деполяризации пучка для элементов с ориентацией [001] существенно зависит от ориентации поляризации относительно кристаллографических осей. Минимальная деполяризация наблюдается, как следует из (1.32),, (1.33), при направлении поляризации вдоль кристаллографических осей элемента, максимальная деполяризация — под углом 45° к осям. Поэтому при установке элемента внутрь лазерного резонатора, содержащего поляризующие устройства, необходимо ориентировать активный элемент вокруг своей оси с учетом этой закономерности. На практике, даже в холодном состоянии активные элементы при наблюдении коноскопической картины часто проявляют розочку деполяризации, одинаково ориентированную с розочкой в нагретом состоянии [39]. Данное обстоятельство объясняется наличием в элементах остаточной деформации кристаллической решетки, возникающей в процессе выращивания элементов, когда они подвергаются тепловому воздействию. Этот факт позволяет упростить методику ориентации активного элемента на минимум деполяризации, используя еще не работающий лазер с выключенными накачкой и охлаждением. [c.46] Вернуться к основной статье