SPRAWOZDANIE NAUKOWE

Transkrypt

1 P R O J E K T B A D A W C Z Y Z A M A W I A N Y PBZ-MiN-9/T11/23 Elementy i moduły optoelektroniczne do zastosowań w medycynie, przemyśle, ochronie środowiska i technice wojskowej SPRAWOZDANIE NAUKOWE 2.2. Opracowanie i wykonanie modułu impulsowego lasera neodymowego z konwersją częstotliwości pompowanego diodami półprzewodnikowymi Kierownik: dr hab. inż. J.K. JABCZYŃSKI Grupa tematyczna: II. Moduły laserowe do zastosowań w technice wojskowej, ochronie środowiska medycynie i przemyśle Wykonawca Części Wyodrębnionej: Instytut Optoelektroniki WAT Kierownik: Prof. dr hab. inż. Zygmunt MIERCZYK Warszawa 24-27

2 WOJSKOWA AKADEMIA TECHNICZNA INSTYTUT OPTOELEKTRONIKI SPRAWOZDANIE NAUKOWE z realizacji Projektu Badawczego Zamawianego p.t. Elementy i moduły optoelektroniczne do zastosowań w medycynie, przemyśle, ochronie środowiska i technice wojskowej w części realizowanej w ramach zadania 2.2 p.t. Opracowanie i wykonanie modułu impulsowego lasera neodymowego z konwersją częstotliwości pompowanego diodami półprzewodnikowymi w latach Nr ewd.... Warszawa, październik 27 r.

3 Zespół autorski: dr hab. inż. Jan K. Jabczyński dr hab. inż. Waldemar Żendzian dr inż. Wiesław Pichola dr inż. Jacek Kwiatkowski mgr inż. Józef Firak Jan Karczewski Ewa Wojciechowska dr inż. Marek Trnka Jerzy Król Jerzy Rybka oraz studenci Przemysław Zdanowski Kamil Tuszyński 2

4 Spis treści zad Spis treści Oferta i koncepcja realizacji zadania Oferta zadania Koncepcja realizacji zadania Konstrukcja i badania demonstratora głowicy RK-6 lasera impulsowego pompowanego diodą z konwersją na II harmoniczną poza rezonatorem Konstrukcja głowicy RK Badanie głowicy RK-6 pracującej w reżimie generacji CW Badanie głowicy RK-6 pracującej w reżimie generacji impulsowej Badanie konwersji na II harmoniczną w głowicy RK Konstrukcja i badania demonstratora głowicy RV-3-4 lasera impulsowego pompowanego 2 diodami z wewnątrz-rezonatorową konwersją na II harmoniczną Konstrukcja głowicy RV Badanie generacji CW w modelu laboratoryjnym Badania wewnątrz-rezonatorowej konwersji w głowicy RV Podsumowanie zadania

5 Oferta i koncepcja realizacji zadania Oferta zadania 2.2. Celem zadania 2.2. było wytworzenie modułu impulsowego lasera neodymowego z konwersją częstotliwości pompowanego diodami półprzewodnikowymi Zgodnie z zobowiązaniem przedstawionym w ofercie podjęliśmy się wykonania w istocie dwóch demonstratorów: a)..demonstrator z 1 diodą pompującą:...modułowa głowica impulsowego lasera na pręcie neodymowym pompowanym wzdłużnie z jednej strony modułem diody pompującej typu FCB (Fiber Coupled Bar). Jako ośrodek czynny zamierzamy zastosować któryś z trójki kryształów: Nd:YAG, Nd:YVO 4, Nd:YAP. Do przełączania dobroci zamierzamy wykorzystać modulator akusto-optyczny lub objętościowy pasywny absorber. Głowica w wersji z jednym modułem pompującym powinna generować wiązkę liniowo spolaryzowaną, bliską modu podstawowego poprzecznego: 2 W mocy średniej na podstawowej długości fali W układzie konwersji na II harmoniczną poza rezonatorem (przyjmując 5% sprawność konwersji) zobowiązanie dotyczy uzyskania : 1 W mocy średniej na II harmonicznej b) Demonstrator z 2 diodami pompującymi:... w przypadku modułowej głowicy impulsowego lasera w wersji pompowania z dwóch stron spodziewamy się uzyskać: 5 W mocy średniej na podstawowej długości fali W układzie wewnątrz-rezonatorowej konwersji na II harmoniczną zobowiązanie dotyczy uzyskania : 2.5 W mocy średniej na II harmonicznej Należy zwrócić uwagę, że oferta opiewa na wykonanie demonstratorów głowic laserowych. Stosowane w badaniach laboratoryjnych układy chłodzenia, zasilacze diod laserowych, chłodziarek termoelektrycznych, generatory RF do komórek akusto-optycznych i inne niezbędne układy i urządzenia kontrolne i pomiarowe zostały wytworzone lub były zakupione w ramach innych prac i stanowią wyposażenie Laboratorium Optyki Laserów IOE. 4

6 Koncepcja realizacji zadania 2.2. Przyjęto następujące (wspólne dla obu laserów) założenia techniczne: 1. Ośrodki czynne stanowić będą pręty Nd:YVO 4 w postaci prostopadłościanów 2. Jako moduły pompujące zastosowane będą diody laserowe z wyjściem światłowodowym (parametry włókna doprowadzającego: NA=.22, średnica rdzenia d=.4 mm) o mocy 2 3 W. Diody wymagają niezależnego układu chłodzenia i stabilizacji temperatury umieszczonego poza głowicą 3. Wiązki pompujące będą doprowadzone do czół ośrodka czynnego przez zwierciadła; na ośrodkach czynnych naniesione będą warstwy AR dla długości fali pompy i długości fali generacji 4. Do przełączania dobroci zastosowane zostaną modulatory akusto-optyczne 5. Chłodzenie i stabilizacja długości fali diod pompujących realizowana jest z wykorzystaniem chłodziarek termo-elektrycznych umieszczonych na przepływowych chłodnicach umieszczonych poza głowicą 6. Ośrodki czynne, modulatory akusto - optyczne będą aktywnie chłodzone z wykorzystaniem przepływowych chłodnic stanowiących integralne części głowic laserowych 7. Przepływowe układy chłodzenia podłączone są do laboratoryjnego systemu chłodzenia o stabilizowanej temperaturze cieczy chłodzącej stosowanego w Laboratorium Optyki Laserów IOE 8. Zastosowane zostaną (w miarę możliwości) typowe uchwyty kątowe na elementy optyczne o średnicy 1 lub ½ cala 9. Ustalono następujący standard prowadzenia wiązki laserowej: wysokość 35.5 mm nad płaszczyzną bazową głowic, 155 mm nad stołem laboratoryjnym 1. Wiązki laserów generujących na długości fali podstawowej mają liniową polaryzację z pionowo zorientowanym wektorem pola elektrycznego 11. Przyjęto jako kryterium optymalizacji układów konwersji uzyskanie maksymalnej mocy średniej na II harmonicznej 12. Przyjęto wymóg modułowości elementów/układów opto-mechanicznych (układów wprowadzania wiązki pompującej, zwierciadeł, chłodnic, uchwytów kryształów nieliniowych itp.) w celu łatwej zmiany konfiguracji (np. wymiany ośrodka czynnego czy zwierciadeł). 5

7 13. Badania przeprowadzone będą dla prętów Nd:YVO 4 generujących na długości fali 164 nm. Przejście na długość fali 134 nm jest możliwe, wymaga jednak zakupu nowego kompletu elementów laserowych. 14. Każdy z demonstratorów stanowić powinien rodzaj zestawu laboratoryjnego ( laser kit ) który bez prawie żadnych przeróbek można skonfigurować do: a) generacji cw na podstawowej długości fali b) generacji impulsowej na podstawowej długości fali c) generacji III harmonicznej z długości fali nm stosując odpowiedni układ konwersji poza głowicą; dotyczy to demonstratora I z konwersją poza rezonatorem d) generacji IV harmonicznej stosując odpowiednie układy konwersji poza głowicami. e) wymiany ośrodka czynnego na inny kryształ np. Nd:YLF, Nd:YAP i uzyskania generacji impulsowej na innym zastawie długości fali Opcje c) d) e) z uwagi na ograniczone ramy finansowe i czasowe zadania 2.2 nie zostały sprawdzone w eksperymencie. Podstawowym problemem technicznym wymagającym odrębnego rozwiązania w obu demonstratorach była możliwie najlepsza kompensacja termo-optycznych efektów umożliwiająca wydajną generację impulsową dla mocy pompowania > 2 W w pierwszym przypadku i do 4 W w drugim przypadku oraz na tyle dobrą jakość wiązki by uzyskać wydajną konwersję na II harmoniczną. W pierwszym przypadku zastosowano klasyczny schemat liniowego rezonatora astabilnego umożliwiający generację wiązki o dużej średnicy modu podstawowego oraz zadawalającej jakości. Do konwersji II typu przetwarzania poza rezonatorem zastosowano tu kryształ KTP umieszczony w ognisku toru optycznego zoptymalizowanego ze względu na średnią moc na II harmonicznej. Wyniki badań wykonanego demonstratora głowicy RK-6 przedstawiono w rozdz. 2. W drugim przypadku znaleziono na drodze numeryczno-eksperymentalnych analiz i doświadczeń pewne rozwiązanie kompromisowe. Demonstrator głowicy RV-3-4 pompowanej dwoma diodami zostanie przedstawiony w rozdz. 3. W tym przypadku do wewnątrz - rezonatorowej konwersji zastosowano schemat przetwarzania I typu na krysztale LBO. 6

8 Konstrukcja i badania głowicy RK-6 lasera impulsowego pompowanego 1 diodą z konwersją na II harmoniczną poza rezonatorem Konstrukcja głowicy RK-6 Jak omówiono szczegółowo w sprawozdaniach z lat 25, 26 zdecydowano się na schemat rezonatora astabilnego z wypukłym zwierciadłem tylnym i płaskim zwierciadłem wyjściowym (patrz rys ). R M T 1 R 2 L 1 L 2 Rys Schemat optyczny rezonatora Mode radius in rod [ mm ] WPL( P) W5( P) W25( P) P 1 25 Optical Power [ 1/m ] Rys Promień modu podstawowego w ośrodku czynnym w funkcji mocy optycznej soczewki termicznej dla różnych promieni krzywizny 1. zwierciadła: R 1 =-25 czarna, krzywa ciągła, R 1 =-5, niebieska krzywa kropkowana, R 1 = - czerwona krzywa przerywana. Wartość promienia krzywizny zwierciadła tylnego dobrano tak by dla maksymalnych mocy pompowania (tj. około 25 W mocy padającej) rezonator znajdował się wewnątrz obszaru stabilności (patrz rys ), zaś średnica modu podstawowego na pręcie była porównywalna ze średnicą wiązki pompującej wynoszącą około.8 mm. f1 f2 RM OC f3 f4 GM FCB AOM NLC Rys Schemat toru optycznego głowicy RK-6 pompowanej diodą z wyjściem światłowodowym W wyniku weryfikacji eksperymentalnej określono, że zależnie od koncentracji domieszki neodymu w prętach YVO 4, rozmiaru kaustyki wiązki pompującej oraz dostrojenia 7

9 widma pompy do widma absorpcji ośrodka, optymalna wartość promienia krzywizny wynosi od 25 do 1 mm. Schemat całego toru optycznego głowicy (z uwzględnieniem układu konwersji) przedstawiono na rys Określenie wartości ogniskowych poszerzacza f3 - f4 nastąpiło po badaniach parametrów przestrzennych generowanej wiązki oraz uwzględnieniu właściwości kryształu nieliniowego NLC. Soczewki f1 - f4 oraz zwierciadła RM, OC wykonano we własnym zakresie. W głowicy RK-6 zastosowano jako ośrodek czynny kryształ.2% at. Nd:YVO 4 o wymiarach 4x4x15 mm, kryształ KTP o wymiarach 3x3x12 mm, wycięty na przetwornik II typu do konwersji na II harmoniczną oraz modulator AO na szkle kwarcowym o długości 35 mm. Na kolejnym rys przedstawiono szkic techniczny zrealizowanego w praktyce demonstratora RK-6 oraz jego fotografie (fot ). Głowica RK6 lasera z A-O-Q_switchem i gen II harm BNC-AO-cell wyjść. chłodzenia przepust światłowodu Rys Szkic techniczny konstrukcji demonstratora RK-6. Fot Fotografia demonstratora RK-6; widok od góry. Jako bazę rezonatora zastosowano profil kątownika 35 x 1 mm o grubości ścianek 1 mm i długości 6 mm wykonany ze stopu PA6. Układ wprowadzania wiązki pompującej składał się z dwóch soczewek o ogniskowych f1 = 22 mm i f2 = 44 mm zapewniających wytworzenie w odległości około 5 mm od drugiej soczewki kaustyki o średnicy około 8

10 .8 mm i połowie długości obszaru autokolimacji około 4 mm w powietrzu (8 mm w ośrodku czynnym o współczynniku załamania n = 2.) Tak dużą długość bazy (6 mm) przyjęto z uwagi na zapewnienie możliwości zastosowania innych torów konwersji wymagających dłuższych ogniskowych. W naszym, konkretnym przypadku zastosowano poszerzacz o ogniskowych f3 = 44 mm i f4 = 1 mm, których dobór wynikał ze zmierzonych wartości zasięgu Rayleigha wiązki wyjściowej i uzyskanej mocy szczytowej przy optymalnej ze względu na średnią moc na II harmonicznej, repetycji 67 khz. Baza układu może w tym przypadku być skrócona do 45 mm. Dla mniejszych repetycji (tj. przy większych mocach szczytowych impulsu) należy zastosować soczewkę f3 o dłuższej ogniskowej ze względu na dopuszczalną wartość gęstości mocy na powierzchni kryształu KTP. Fot Fotografie demonstratora głowicy RK-6. Wiązka pompująca jest wprowadzona przez przepust umieszczony w tylnej ściance głowicy światłowodem o średnicy rdzenia.4 mm i aperturze numerycznej NA =.22 zakończonym złączami SMA-95. Zasilanie modulatora AO sygnałem RF dostarczone jest do gniazdka BNC umieszczonego w tylnej ściance. Również tam umieszczono dwa króćce: doprowadzający i odprowadzający ciecz chłodzącą. W ściance czołowej umieszczone jest okienko wyjściowe o średnicy 15 mm. Wiązka wyprowadzana jest na wysokości 45 mm od dolnej powierzchni bazy co odpowiada wysokości 155 mm mierzonej od podstawy nóżek demonstratora. 9

11 Badanie głowicy RK-6 pracującej w reżimie generacji CW Podstawowym zespołem głowicy RK-6 jest pompowany diodowo laser Nd:YVO 4 (patrz rys , 2.2.1). Układ pompowania składa się z diody laserowej z wyjściem światłowodowym o NA=.22 i średnicy.4 mm dostarczającej do 25 W mocy ciągłej oraz układu optycznego f22 - f44 doprowadzającego wiązkę do ośrodka czynnego. Ośrodkiem aktywnym jest kryształ Nd:YVO 4 z.2% domieszką neodymu. Rezonator o długości 98 mm zakończony jest od strony pompy zwierciadłem wypukłym o krzywiźnie 5 mm, wysokiej transmisji (do 95%) na długości fali pompy λ=.89 µm i współ. odbiciu R = 99.8% dla λ=1.64μm. W eksperymencie zastosowano płaskie zwierciadło wyjściowe o 4% transmisji dla λ=1.64μm. Schemat stanowiska pomiarowego dla badań charakterystyk energetycznych i przestrzennych wiązki lasera przedstawiony jest na rys Rys Schemat stanowiska pomiarowego dla badań generacji w reżimie pracy ciągłej (CW). 1 8 plane plane cavity, P thr = 5.2 W, slope =43.2% convex rear mirror R=5, P thr = 7.5 W, slope = 57.1 % Output Power [ W ] % Nd:YVO 4 laser, L cav = 98, T oc = 4% Pump Power [ W ] Rys Zależność mocy wyjściowej lasera od mocy pompy Dla reżimu pracy CW zmierzono moc wyjściową lasera dla rezonatora płasko-płaskiego oraz płasko-wypukłego o zwierciadle R=5mm (rys ). Uzyskano ponad 8 W mocy wyjściowej ze sprawnością optyczną przekraczającą 57% w przypadku rezonatora astabilnego. 1

12 Badania rozkładów przestrzennych przeprowadzono jedynie dla układu rezonatora astabilnego, w przypadku rezonatora z płaskim zwierciadłem tylnym jakość wiązki była znacznie gorsza. Procedura pomiaru charakterystyk przestrzennych polegała na rejestracji rozkładów poprzecznych intensywności wiązki w płaszczyznach prostopadłych do kierunki propagacji dla różnych prądów zasilania diody pompującej. Rejestracja rozkładu poprzecznego odbywała się za pomocą kamery CCD WAT-92, której położenie wzdłuż kierunku propagacji wiązki zmieniano z krokiem równym 2 cm. Początkowa płaszczyzna rejestracji obrazu znajdowała się w odległości 5 mm od soczewki o ogniskowej f = 5 mm. Sygnał z kamery CCD analizowany był przy pomocy urządzenia LBA1A (Laser Beam Analyser). Do wyznaczenia średnicy wiązki w kolejnych położeniach kamery stosowano kryterium 1/e 2.. Mając dane parametry wiązki w przestrzeni obrazowej soczewki (patrz tab ), korzystając z wzorów R. Jóźwickiego, obliczono jej parametry w płaszczyznie zwierciadła wyjściowego lasera. Otrzymane charakterystyki przestrzenne pozwoliły obliczyć parametry przestrzenne wiązki przedstawione w tab oraz na rys Output Power [ W] Brigthness [GW/cm 2 /srd] Pump Power [ W ] Rys Moc wyjściowa i luminancja w funkcji mocy pompy 6. 4 divergence angle [mrad] M 2 parameter Pump Power [ W ] Rys Kąt rozbieżności i parametr M 2 w funkcji mocy pompy 11

13 Tab Parametry wiązki w przestrzeni obrazowej soczewki (praca CW). I pomp prąd zasilania diody pompującej; P pomp odpowiadająca prądowi moc optyczna pompy; D 1 średnica wiązki w przewężeniu obrazowym soczewki ; S 1 położenie przewężenia za soczewka (odległość od ogniska); Z R 1 zasięg Rayleigha; M 2 parametr jakości wiązki. I pomp [A] P pomp [W] D 1 [mm] S 1 [mm] Z R1 [mm] M , , , , , , , , , ,27 Tab Parametry wiązki w płaszczyźnie zwierciadła wyjściowego lasera (praca CW): I pomp prąd zasilania diody pompującej; P pomp odpowiadająca prądowi moc optyczna pompy; D średnica wiązki w przewężeniu na zwierciadle wyjściowym lasera; Z R zasięg Rayleigha; Θ kąt rozbieżności; M 2 parametr jakości wiązki, B luminancja (jasność). I pomp [A] P pomp [W] P out [W] D [mm] Z R [mm] Θ [mrad] M 2 B [GW/(cm 2 srd)] , ,71 3,166 1, ,666 32,24 2,8 1, , ,1 3,716 2, ,83 172,35 4,622 2, , ,23 5,96 3,27.37 Jak widać, obserwujemy nie-monotoniczną zależność zasięgu Rayleigha Z R i luminancji B od mocy pompowania. Ekstremum odpowiada mocy pompy około 15 W. Dla wyższych mocy pompy obserwujemy wzrost parametru M 2, jednakże w dalszym ciągu rozkłady poprzeczne mają symetrię kołową i są zbliżone do rozkładu gaussowskiego. Określone dla generacji CW parametry w przypadku generacji impulsowej mogą ulec zmianie ze względu na pojawienie się dodatkowych efektów cieplnych związanych z procesami ETU ( energy transfer up conversion ). Stąd podstawowe znacznie przy projektowaniu układu konwersji będą miały pomiary wykonane dla reżimu pracy impulsowej. 12

14 Badanie głowicy RK-6 pracującej w reżimie generacji impulsowej Aby zapewnić możliwość jednoczesnego pomiaru parametrów energetycznych, czasowych i przestrzennych wiązki lasera, zestawiono układ pomiarowy według schematu przedstawionego na rys Wyjściowa wiązka lasera rozdzielona została za pomocą klina optycznego. Ponad 9% mocy wiązki przechodziło przez klin i docierało do sondy pomiarowej 818T-1 miernika mocy Newport 1825-C, przy pomocy której mierzono moc średnią wiązki. Część promieniowania odbita od pierwszej powierzchni klina docierała do foto-odbiornika InGaAs (o stałej czasowej.2 ns), z którego sygnał analizowany był przy pomocy oscyloskopu cyfrowego Tektronix DPO Wiązka odbita od drugiej powierzchni klina docierała do kamery CCD WAT-92B, przy pomocy której rejestrowano poprzeczne rozkłady intensywności w kolejnych przekrojach za soczewką o ogniskowej f = 5 mm. Rys Schemat stanowiska pomiarowego dla reżimu pracy impulsowej Stanowisko przedstawione na rys zastosowano w pierwszej części badań do pomiaru charakterystyk czasowych i energetycznych (pomiar mocy wiązki przechodzącej przez klin). Wyniki pomiarów przedstawiono na rys Output Power [ W ] % Nd:YVO 4 laser, L cav = 98, T oc = 4% convex rear mirror R=5, cw P thr = 7.5 W, slope = 57.1 % t rep = 1 µ s P thr = 8.9 W, slope = 55.1 % t rep = 2 µ s P thr = 11 W, slope = 52.6 % Output Peak Power [ kw ] % Nd:YVO 4 laser, L cav = 98, T oc = 4% convex rear mirror R=5, t rep = 1 µ s t rep = 2 µ s Pump Power [ W ] Pump Power [ W ] Rys Średnia moc w funkcji mocy pompy Rys Moc szczytowa w funkcji mocy pompy 13

15 % Nd:YVO 4 laser, L cav = 98, T oc = 4% convex rear mirror R=5, 45.2% Nd:YVO 4 laser, L cav = 98, T oc = 4% convex rear mirror R=5, Output Energy [ µj ] 9 6 t rep = 1 µs t rep = 2 µs pulse duration [ ns ] t rep = 1 µs t rep = 2 µs Pump Power [ W ] Pump Power [ W ] Rys Energia impulsu w funkcji mocy pompy Rys Czas trwania impulsu w funkcji mocy pompy Procedura pomiaru charakterystyk przestrzennych dla pracy impulsowej lasera przebiegała identycznie, jak w przypadku pracy CW. Charakterystyki wyznaczono dla dwóch czasów repetycji (t rep ) sygnału sterującego komórką akusto - optyczną. t rep = 1 [μs] f rep = 1 [khz] I pompy = 4 [A] I pompy = 36 [A] Rys a Rys b I pompy = 32 [A] I pompy = 28 [A] Rys c Rys d 14

16 Na podstawie uzyskanych charakterystyk określono następujące parametry wiązki w przestrzeni obrazowej soczewki: Tab Parametry wiązki w przestrzeni obrazowej soczewki (f rep = 1 [khz]); I pomp prąd zasilania diody pompującej; P pomp odpowiadająca prądowi moc optyczna pompy; D 1 średnica wiązki w przewężeniu obrazowym soczewki ; S 1 położenie przewężenia za soczewka (odległość od ogniska); Z R1 zasięg Rayleigha; M 2 parametr jakości wiązki. I pomp [A] P pomp [W] D 1 [mm] S 1 [mm] Z R1 [mm] M , , , , , , ,966 Po przetransformowaniu wiązki do płaszczyzny zwierciadła wyjściowego lasera otrzymano następujące jej parametry: Tab Parametry wiązki w płaszczyźnie zwierciadła wyjściowego lasera (f rep = 1 [khz]): I pomp prąd zasilania diody pompującej; P pomp odpowiadająca prądowi moc optyczna pompy; D średnica wiązki w przewężeniu na zwierciadle wyjściowym lasera; Z R zasięg Rayleigha; Θ kąt rozbieżności; M 2 parametr jakości wiązki, B luminancja (jasność). I pomp [A] P pomp [W] P peak [kw] D [mm] Z R [mm] s [mm] Θ [mrad] M 2 B [1 12 W/cm 2 /srd] , ,5 1228,67 2, ,73 22, ,72 3,39 1, , , ,57 4,237 2, ,81 159,5 117,26 5,2 2, W dalszej części wykonano podobne badania dla czasu repetycji 2 µs ( f rep = 5 khz) t rep = 2 [μs] f rep = 5 [khz] I pompy = 4 [A] I pompy = 36 [A] Rys a Rys b 15

17 I pompy = 32 [A] I pompy = 28 [A] Rys c Rys d Tab Parametry wiązki w przestrzeni obrazowej soczewki (f rep = 5 [khz]): I pomp prąd zasilania diody pompującej; P pomp odpowiadająca prądowi moc optyczna pompy; D 1 średnica wiązki w przewężeniu obrazowym soczewki; S 1 położenie przewężenia za soczewka (odległość od ogniska); Z R1 zasięg Rayleigha; M 2 parametr jakości wiązki. I pomp [A] P pomp [W] D [mm] s 1 [mm] Z R1 [mm] M , , , , , , ,48 Po przetransformowaniu wiązki do płaszczyzny wyjściowej lasera otrzymano następujące jej parametry: Tab Parametry wiązki w płaszczyźnie zwierciadła wyjściowego lasera (f rep = 5 [khz]): I pomp prąd zasilania diody pompującej; P pomp odpowiadająca prądowi moc optyczna pompy; D średnica wiązki w przewężeniu na zwierciadle wyjściowym lasera; Z R zasięg Rayleigha; Θ kąt rozbieżności; M 2 parametr jakości wiązki, B luminancja (jasność). I pomp [A] P pomp [W] P peak [kw] D [mm] Z R [mm] s [mm] Θ [mrad] M 2 B [1 12 W/cm 2 /srd] ,54 127,18 13,84 2, , , ,9 3,24 1, , ,9 1183,23 3,884 1, , , ,18 4,534 2, Jak widać, obserwujemy tutaj montoniczny (poczynając od 15 W mocy pompy) spadek luminancji i wzrost parametru M 2. Warto zwrócić uwagę, że wartości zasięgu Rayleigha zależą od mocy pompy jak również ze względu na procesy ETU od przyjętej repetycji. Stąd przy projektowaniu optymalnego układ konwersji należy brać pod uwagę obie zależności. 16

18 Badania konwersji na II harmoniczną w głowicy RK-6 Schemat układu konwersji na II harmoniczną i stanowiska pomiarowego do badań charakterystyk energetycznych i czasowych przedstawione są na rys Za impulsowym laserem Nd:YVO 4 wstawiono soczewkę o ogniskowej f3 = 44 mm w odległości 1 mm od zwierciadła wyjściowego rezonatora. Rys Schemat układu konwersji na II harmoniczną i stanowisko pomiarowe Dobór ogniskowej f3 i warunków sprzężenia nastąpił po analizie obliczeniowej mającej na celu określenie optymalnych wartości parametrów kaustyki w ognisku soczewki ze względu na maksymalizację sprawności konwersji oraz ograniczenie progu uszkodzenia kryształu KTP. Wyniki obliczeń przedstawiono w tab i Tab Wyniki obliczeń parametrów wiązki w kaustyce za soczewką f3 = 44 mm przy odległości Z pocz =1 mm dla czasu repetycji 1 μs, Z położenie przewężenia, Z R2 zasięg Rayleigha wiązki za soczewką, I - gęstość mocy w ognisku. I pomp [A] P pomp [W] P peak [kw] M 2 Z [mm] Z R2 [mm] I [MW/cm 2 ] ,27 6,5 26, ,783 46,9 8,25 21, ,542 46,71 9,3 19, ,966 47,8 1,81 19,88 Tab Wyniki obliczeń parametrów wiązki w kaustyce za soczewką f3 = 44 mm przy odległości Z pocz =1 mm dla czasu repetycji 2 μs, Z położenie przewężenia, Z R2 zasięg Rayleigha wiązki za soczewką, I - gęstość mocy w ognisku. I pomp [A] P pomp [W] P peak [kw] M 2 Z [mm] Z R2 [mm] I [MW/cm 2 ] ,82 7,73 96, ,246 46,91 9,6 85, ,825 47,61 1,58 61, ,48 49,8 12,24 53,51 Warto zwrócić uwagę, że maksymalna gęstość mocy w ognisku jest osiągana dla mocy pompy około 15 W dla której parametr M 2 jest bliski 1. Ze wzrostem mocy pompy maleje luminancja wiązki oraz gęstość mocy w ognisku pomimo wzrostu mocy szczytowej. Jak widać przyjęta konfiguracja układu ogniskującego (tj. zastosowanie soczewki f3 = 44 mm umieszczonej w odległości 1 mm od zwierciadła wyjściowego lasera) pozwala wytworzyć 17

19 w płaszczyźnie kaustyki pole o gęstości mocy do 1 MW/cm 2 w przypadku generacji z repetycją około 5 khz. Jest to wartość bezpieczna (próg uszkodzenia kryształu KTP wynosi około 5 MW/cm 2. Długość kaustyki jest porównywalna z długością kryształu. Do pomiaru mocy wyjściowej dla tej konfiguracji lasera zastosowano miernik mocy LabMaster z sondą pomiarową LM45. Aby odciąć wpływ promieniowania na długości fali podstawowej na pomiar, przed sondę wstawiono zwierciadło HR o dużym współczynniku odbicia dla λ = 164 nm i wysokiej transmisji dla λ = 532 nm, współczynnik kalibracji wynosił Na rys przedstawiono zależność mocy średnich na I i II harmonicznej zaś na rys zależność mocy szczytowej na II harmonicznej od mocy pompy. 8 7 Average 164 nm Average 532 nm Average Output Power [ W ] AO-qswitched.2% Nd:YVO 4 laser R 1 =5, L cav = 98, Toc=4% KTP 12 mm, f 3 =44 mm, Z p =1 t rep = 15 µs, Pump Power [ W ] Rys Zależność średniej mocy promieniowania na I i II harmonicznej od mocy pompy dla t rep =15 µs. Peak nm AO-qswitched.2% Nd:YVO 4 laser R 1 =5, L cav = 98, Toc=4% KTP 12 mm, f 3 =44 mm, Z p =1 t rep = 15 µs, Pump Power [ W ] Rys Zależność mocy szczytowej na II harmonicznej od mocy pompy dla czasu repetycji 15 µs. Jak pokazano na rys , uzyskano 2.66 W mocy średniej, 4 µj energii i ponad 3 kw mocy szczytowej na II harmonicznej dla wiązki padającej o mocy średniej 7.4 W, energii impulsu 11 µj, mocy szczytowej 5.3 kw i czasie trwania impulsu około 2 ns. Sprawność konwersji na II harmoniczną wynosiła około 28% w odniesieniu do mocy na podstawowej długości fali i 11% w odniesieniu do mocy diody pompującej. 18

20 Konstrukcja i badania głowicy RV-3-4 lasera impulsowego pompowanego 2 diodami z wewnątrz-rezonatorową konwersją Konstrukcja głowicy RV-3-4 Jak omówiono szczegółowo w sprawozdaniach z lat 25, 26, zdecydowano się na schemat rezonatora typu V (patrz rys ) ze zwierciadłem kierującym o promieniu R. OC L 2 F=2/R T L 1 L L T L 1 F=2/R L 2 OC Rys Schemat optyczny rezonatora typu V.4 wr( p) =.271 t2( p) = 4.39 Rc = 3 M2( p) = W[mm] wr( p) w2( p) Wrod W2 T( p) Dioptric power [ D ] Rys Promień modu podstawowego (czerwony) w ośrodku czynnym, promień modu w płaszcz. zw. wyjść. (niebieski) w funkcji mocy optycznej soczewki termicznej: L =3, L 1 =27, L 2 =17, L cav =47. 19

21 1 Rc = 3 t1r( p) = 5.76 t2( p) = 4.39 M2( p) = TETA [mrad] t2( p) t1r( p) M2( p) Q2 Q1 M2 T( p) Dioptric power [ D ] Rys Kąt rozbieżności w II ramieniu (czerwony), kąt rozbieżności w I ramieniu (niebieski-przerywany), parametr M 2 (czarny przerywany) w funkcji mocy optycznej soczewki termicznej: L =3, L 1 =27, L 2 =17, L cav =47. Podjęto próbę optymalizacji konstrukcji rezonatora typu V. Naszym celem było znalezienie konfiguracji rezonatora spełniającej następujące warunki: i/ rozbieżność wiązki w ramieniu lokalizacji AO-q-switcha nie większa niż 7 mrad dla dużych mocy pompowania ii/ możliwie duża średnica modu >.5 mm na ośrodku czynnym iii/ możliwość lokalizacji przetwornika na II harmoniczną w II przewężeniu. Zdecydowano się na umieszczenie obu elementów (tj. AO-qswitcha i kryształu NLC) w II ramieniu (podobnie jak w modelu laboratoryjnym przedstawionym w sprawozdaniu z 25 r). Po wstępnych analizach konstrukcyjnych przyjęto, że zostanie opracowana głowica ze zwierciadłem o promieniu R = 3. Wyniki obliczeń termo-optycznych dla zrealizowanego w praktyce demonstratora RV-3-4 przedstawiono na rys Jak widać obszar stabilności odpowiada w tym przypadku zakresowi mocy termo-optycznych 16 m -1, zaś całkowita długość rezonatora wynosi 47 mm. Przesunięcie zakresu stabilności do wyższych mocy jest technicznie możliwe przez skrócenie odległości L 2. Wiąże się to z przesunięciem zwierciadła kierującego R = 3 oraz odpowiednio modulatora AO, uchwytu kryształu i zwierciadła tylnego do nowych położeń. W badaniach przedstawionych w dalszej części ograniczono się do wstępnych położeń ww. elementów. 2

22 Podstawę konstrukcji głowicy RV-3-4 stanowi płyta bazowa ze stopu PA6 o wymiarach 15 x 4 x 3 mm na której umieszczono wszystkie elementy optyczne zachowując standard wysokości wiązki 35.5 mm. Z lewej i prawej strony płyty przymocowane są płyty czołowe: przednia i tylna. Całość przykryta jest osłoną z blachy aluminiowej o grubości 2 mm. Szkic konstrukcji demonstratora przedstawiono na rys , zaś jego fotografie na fot. 3.1a-c. Rys Szkic techniczny konstrukcji demonstratora RV-3-4. Wiązki pompujące są wprowadzone przez przepusty umieszczone w bocznej ściance głowicy dwoma światłowodami o średnicy rdzenia.4 mm i aperturze numerycznej NA =.22 zakończonymi złączami SMA-95. Również tam umieszczono dwa króćce: doprowadzający i odprowadzający ciecz chłodzącą oraz zasilanie modulatora AO; przepust z gniazdkiem BNC. W płycie czołowej umieszczone jest okienko wyjściowe o średnicy 15 mm służące do wyprowadzenie wiązki na II harmonicznej. Wiązka wyprowadzana jest na wysokości 45 mm od dolnej powierzchni bazy co odpowiada wysokości 155 mm mierzonej od podstawy nóżek demonstratora. Po drugiej stronie w płycie tylnej wykonano także otwór z okienkiem wyjściowym przeznaczony do wyprowadzenia wiązki na długości fali podstawowej (wersja CW lub generacji impulsowej). Dwa ośrodki czynne.2%nd:yvo 4 o wymiarach 4 x 4 x 15 mm umieszczono w szereg jeden za drugim w miedzianej chłodnicy przepływowej, z której ciecz chłodząca po przejściu przez chłodnicę AO modulatora wyprowadzona jest na zewnętrz króćcem umieszczonym z boku płyty. Jako przełącznik dobroci zastosowano modulator akusto-optyczny na szkle kwarcowym o długości 35 mm o maksymalnej mocy RF 15 W i sprawności dyfrakcyjnej nie przekraczającej 75%. Do generacji II harmonicznej zastosowano schemat przetwarzania I typu na krysztale LBO o wymiarach 3 x 3 x 2 mm. Wiązka na II harmonicznej o poziomej polaryzacji typu p po 21

23 odbiciu się od płaskiego zwierciadła tylnego i ponownym przejściu przez kryształ i AO modulator opuszcza głowicę przez zwierciadło kierujące o promieniu R=3. Przewidziano zastosowanie dodatkowej soczewki do kolimacji wiązki wyjściowej. a) b) c) Fot Fotografie demonstratora głowicy RV

24 Badania generacji CW w modelu laboratoryjnym Nie przeprowadzono oddzielnych, kompletnych badań generacji cw i impulsowej głowicy RV-3-4 na podstawowej długości fali z uwagi na fakt, że głowica ta została zoptymalizowana do wewnątrz-rezonatorowej konwersji. Badania takie dla modelu laboratoryjnego układu z 2 diodami pompującymi przedstawiono w sprawozdaniach z 25 i 26 r. Uzyskano wtedy około 16 W mocy wyjściowej (patrz rys ) V_Type, T oc =42% 3:28:13 P thr =4.83, η =.422 V_Type, T oc =42% 3:18:13 P thr =4.82, η =.465 Output Power [ W ] Pump Power [ W] Rys Moc wyjściowa w funkcji mocy pompy dla różnych transmisji zwierciadła wyjściowego Wg przeprowadzonych wtedy pomiarów parametr M 2 wiązki wyjściowej wynosił około 2.43 zaś kąt rozbieżności w drugim ramieniu nie przekraczał wartości 7 mrad dla prądu pracy 3 A (patrz rys.3.2.2). 3 M2 = DAm Dm 2 1 ZR2 = D2 =.481 Θ2 = 6.62 ZR1 = D1 =.826 Θ1 = Z Rys Średnica wiązki w funkcji odległości, wyniki pomiarów dla I=3A. Należy oczekiwać, jak pokazano w sprawozdaniu z 25 r., że około 1 W mocy średniej przy repetycji 5 khz na podstawowej długości fali możliwe jest do uzyskania. 23

25 Badania konwersji na II harmoniczną w głowicy RV-3-4 Przeprowadzono wstępne badania generacji II harmonicznej w głowicy RV-3-4 (patrz fot. 3.2, i rys ). W tym samym układzie (bez kryształu LBO) zmierzono moc wyjściową CW na podstawowej długości fali, wstawiając zamiast końcowego zwierciadła o współ. odbicia 1% dla λ=532, 164 nm, płaskie zwierciadło o transmisji 4% dla λ=164 nm. Stwierdzono występowanie granicy stabilności już dla sumarycznej mocy pompy około 23 W (odpowiadającej prądowi I = 23 A). Powyżej tego prądu następował istotny spadek mocy na II harmonicznej. Fot Fotografia stanowiska do badań II harmonicznej generowanej w głowicy RV Best case: I = 22.8 A, P max = 3.77 W, eta =.171 t rep =.29 ms, t pulse = 55 ns E max =.11 mj, P peak = 2 kw Output Power [ W ] P cw, slope=.288, eta=.263 P II harm, t rep =.29 ms RV cavity, R curv = 3, 1 L = 3, L 1 = 27, L 2 =17 2x FCB of 2 W 2x.2% Nd:YVO 4 ; 4x4x Pump Power [ W ] Rys Moc średnia na I harmonicznej (punkty czerwone, linia niebieska) dla zwierciadła o transmisji T oc = 4%, moc na II harmonicznej (punkty zielone, krzywa czerwona) 24

26 Jak widać dla punktu pracy I = 22.8A i czasu powtarzania impulsów t rep =.29 ms (co odpowiada 34.5 khz repetycji) zarejestrowano 3.77 W mocy na II harmonicznej. Odpowiada to sprawności optycznej 17.1% liczonej od mocy pompy. Czas trwania impulsu wynosił (patrz rys ) około 56 ns. Rys Oscylogram impulsu na II harmonicznej Obserwowane znaczne przemodulowanie impulsu wskazuje na nieliniowe, częściowo spójne sumowanie modów wzdłużnych, stanowiące pewnego rodzaju odpowiednik efektu green problem opisanego m.in. przez T. Baera. Interesujące byłoby szczegółowe zbadanie tego efektu i określenie czy w tak krótkim rezonatorze możliwe jest zajście innego efektu mianowicie nieliniowego zwierciadła Stankova. Pomimo dobrej sprawności konwersji, uzyskane parametry energetyczne głowicy RV-3-4 można uznać za nie w pełni satysfakcjonujące. Wydaje się konieczna kontynuacja prac zmierzających do poprawy mocy wyjściowej, jakości wiązki i przesunięcia zakresu stabilności rezonatora. 25

27 Podsumowanie zadania 2.2. Jak wspomniano w p celem zadania 2.2. było wytworzenie modułu impulsowego lasera neodymowego z konwersją częstotliwości pompowanego diodami półprzewodnikowymi. Cel ten zrealizowano wytwarzając dwa demonstratory głowic laserowych RK-6 i RV-3-4 opisane szczegółowo w p i niniejszego sprawozdania. Każdy z demonstratorów stanowi rodzaj zestawu laboratoryjnego ( laser kit ) który można skonfigurować do generacji cw i impulsowej na podstawowej długości fali 164 nm oraz generacji II harmonicznej na długości fali 532 nm. Opcje te realizowane są wewnątrz głowicy. Istnieje także możliwość generacji III i IV harmonicznej z zastosowaniem dodatkowych przetworników poza głowicami. Jako ośrodki czynne w obu głowicach zastosowano pręty Nd:YVO 4. Przyjęto wymóg modułowości podzespołów optomechanicznych (układów wprowadzania wiązki pompującej, zwierciadeł, chłodnic, uchwytów kryształów nieliniowych itp.) w celu łatwej zmiany konfiguracji (np. wymiany ośrodka czynnego czy zwierciadeł). Do przełączania dobroci zastosowano modulatory akustooptyczne pracujące na częstości RF 4.67 MHz z częstościami przełączania 1 1 khz. Do chłodzenia ośrodków czynnych i przełączników dobroci zastosowano przepływowe chłodnice miedziane, diody laserowe chłodzono i stabilizowano z zastosowaniem chłodziarek termoelektrycznych umieszczonych na chłodnicach przepływowych. Obie głowice zoptymalizowano ze względu na maksymalizację mocy średniej na II harmonicznej. Uzyskane parametry generacji wraz z wymaganiami wynikającymi z oferty przedstawiono w tabeli 4.1. Tabela 4.1. Parametry energetyczne demonstratorów RK-6, RV-3-4 Oferta Uzyskane parametry Typ głowicy λ [ µm ] Moc średnia [W] Częst. rep. [khz] Moc średnia [W] Energia imp. [µj] Moc imp. [kw] Luminancja [ TW / (cm 2 srd)] RK-6 (1 dioda pomp.) RV-3-4 (2 diody pomp.) W W W W W głowicy RK-6 pompowanej 25-W diodą z wyjściem światłowodowym w generatorze zastosowano astabilny rezonator o długości około 1 mm, kryształ.2% at. Nd:YVO 4 jako ośrodek czynny oraz akusto-optyczny modulator o mocy RF 25 W do przełączania dobroci. Do generacji II harmonicznej wykorzystano schemat przetwarzania II typu na krysztale KTP w wiązce zbieżnej poza rezonatorem. Uzyskano do.4 mj, 3.4 kw mocy szczytowej na II harmonicznej przy częstości powtarzania 67 khz oraz do 2.66 W mocy średniej ze sprawnością optyczną 11% względem mocy pompującej. Największą wartość luminancji 2.4 TW/cm 2 /srd uzyskano dla obniżonej mocy pompowania wynoszącej 15 W dla której zarówno na podstawowej długości fali jak i na II harmonicznej parametr M 2 był równy 1. Ze wzrostem mocy pompowania aż do maksymalnej mocy pompy 23 W obserwowano wzrost energii impulsu i mocy szczytowej, którym towarzyszył wzrost parametru M 2 do wartości nie większej niż 3. Wydaje się, że dla diod pompujących o mocy 25-3 W przy zastosowaniu schematu konwersji poza rezonatorem uzyskane parametry (moc średnia, sprawności konwersji) mogą być jedynie nieznacznie poprawione. Istnieje natomiast znaczna 26

28 możliwość zwiększenia energii impulsu i mocy szczytowej poprzez zastosowanie innego ośrodka czynnego np. kryształu Nd:YLF. W głowicy RV-3-4 pompowanej 2 diodami laserowymi wykorzystano jako ośrodki czynne 2 pręty.2%nd:yvo 4 oraz akusto - optyczny modulator o mocy RF 15 W do przełączania dobroci. Zastosowano schemat rezonatora typu V o całkowitej długości 47 mm. Do generacji II harmonicznej zastosowano schemat wewnątrz rezonatorowej konwersji z przetwornikiem I typu na krysztale LBO. Uzyskano do 3.77 W mocy średniej na II harmonicznej, do.11 mj energii i 2 kw mocy szczytowej przy częstości powtarzania 34 khz. W tym przypadku moc pompowania lasera ograniczona była do około 22 W (około 5% dostępnej mocy pompy) ze względu na osiągnięcie granicy stabilności rezonatora. Sprawność optyczna generacji na II harmonicznej odniesiona do mocy pompy wynosiła w tym przypadku 17%, zaś maksymalna luminancja wynosiła.77 TW/cm 2 /srd. Wydaje się możliwa w przypadku głowicy RV-3-4 istotna poprawa parametrów generacji poprzez optymalizację geometrii rezonatora oraz zastosowanie innych ośrodków czynnych. Warto zauważyć, że najwyższą jasność, a tym samym możliwą do uzyskania gęstość mocy w ognisku, uzyskuje się w głowicy RK-6 dla mocy pompy około 15 W. W tym przypadku (parametr M 2 = 1 ) pomimo relatywnie niższej energii czy mocy szczytowej głowica emituje impulsowe promieniowanie zielone o największej luminancji (1.44 x 1 15 lamberta tj. prawie 1 7 razy większej niż luminancja fotometryczna Słońca wynosząca 1.5 x 1 8 lamberta). W wykonaniu zadania uczestniczył zespół pracowników Instytutu Optoelektroniki WAT oraz wykonawcy zewnętrzni: dr inż. Marek Trnka i p. Jerzy Król. W projekt zaangażowano także studentów: Przemysława Zdanowskiego z WAT i Kamila Tuszyńskiego z PW którzy uczestniczyli w badaniach obu demonstratorów. Realizowane przez nich w trakcie pracy i po jej zakończeniu projekty przejściowe i prace dyplomowe związane są bezpośrednio z tematyką zadania 2.2. Należy dodać, że efektem prac prowadzonych w ramach projektu było powstanie pracy doktorskiej dr inż. Jacka Kwiatkowskiego. Tematyka zadania 2.2 w naszej opinii ma głównie charakter aplikacyjny, tym niemniej w trakcie realizacji pracy powstało bezpośrednio lub częściowo z nią związanych ponad 3 publikacji naukowych, w tym co najmniej 7 artykułów naukowych opublikowanych w czasopismach z Listy Filadelfijskiej. Zebrane w wyniku pracy doświadczenie naukowe i techniczne bardzo istotnie podniosło poziom prac naukowo-technicznych realizowanych przez nasz zespół. Wydaje się, że jesteśmy w stanie obecnie podjąć się realizacji prac aplikacyjnych których finalnym produktem może być dojrzały technicznie projekt głowicy laserowej. 27