Стержневые лазеры достигли большей энергии и мощности

В Институте прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова РАН предложена концепция стержневого иттербиевого «усилителя расходящегося пучка», которая позволяет одновременно достичь и высокой пиковой, и высокой средней по времени мощности излучения. Она позволит стержневым лазерам составить серьёзную конкуренцию доминирующим на рынке слэбовым и дисковым лазерам, благодаря своей простоте и эффективности.

Со времён изобретения лазера наиболее популярной геометрией твердотельной активной среды всегда являлся стержень. Простота реализации, эффективное усиление и возможность извлечения импульсов высокой энергии сделали неодимовые, титан-сапфировые, хромовые и другие стержневые лазеры «рабочими лошадками» в различных областях науки и техники.

В последние годы наибольшую популярность обрели иттербиевые лазеры, достигшие рекордного сочетания высокой пиковой и высокой средней по времени мощности, став широко востребованными в области лазерной спектроскопии, ускорения заряженных частиц, генерации терагерцового и рентгеновского излучения, лазерной ударной обработки материалов и т. д.

Однако одновременное достижение высокой пиковой и средней мощности является задачей, требующей нестандартного подхода, накладывающей на лазерную систему различные, порой противоречащие друг другу, требования.

С одной стороны, для повышения пиковой мощности, которая определяется энергией и длительностью импульсов, необходимо увеличивать площадь лазерного пучка и апертуру активного элемента, чтобы избежать оптического пробоя.

С другой стороны, для повышения средней мощности необходимо повышать эффективность охлаждения активного элемента, чего можно добиться за счёт уменьшения его размера в направлении охлаждения. В стержневой геометрии для этого необходимо уменьшать радиус стержня, что приводит к невозможности повышения энергии импульсов.

В результате стержневые иттербиевые лазеры заняли узкую нишу параметров с большой средней мощностью (>100 Вт), но малой энергией импульсов (<10 мДж), уступив первенство лазерам на тонких слэбах и на тонких дисках. Тем не менее, геометрия стержня всегда была, есть и будет предпочтительнее благодаря своей простоте и эффективности.

Концепция предложенного в ИПФ РАН стержневого иттербиевого усилителя позволяет сочетать высокую среднюю мощность и большую энергию импульсов. Концепция основана на использовании стержневого активного элемента, выполненного в форме усечённого конуса, где излучение накачки и лазера распространяются от меньшего торца к большему, а размеры пучков увеличиваются по мере распространения.

В результате, в узкой части стержня (на рисунке слева) обеспечивается эффективное усиление сигнала за счёт высокой интенсивности накачки и хорошей эффективности охлаждения в данной области. Широкая же часть стержня служит для извлечения импульсов большой энергии без риска пробоя выходного торца.

«Ключевой проблемой, с которой мы столкнулись при реализации данной концепции, — рассказал один из авторов работы Иван Кузнецов, старший научный сотрудник ИПФ РАН, — стали факторы, препятствующие увеличению размера пучка при усилении, среди которых тепловая линза, поперечная неоднородность коэффициента усиления и нелинейная самофокусировка. Расчёты показали, что для компенсации влияния данных факторов нужно существенно увеличить начальную расходимость усиливаемого пучка. При этом единственным возможным способом достижения требуемой расходимости является придание входному торцу активного элемента вогнутой сферической формы, который стал играть роль рассеивающей линзы».

С использованием предложенной концепции удалось втрое повысить выходную энергию импульсов, сохранив при этом высокую среднюю мощность, эффективность усиления и качество пучка. Полученное сочетание параметров на сегодняшний день является рекордным среди стержневых иттербиевых лазеров, а дальнейшая оптимизация позволит в скором времени их увеличить. Данная работа существенно расширит круг задач стержневых иттербиевых лазеров, что позволит им составить серьёзную конкуренцию доминирующим на рынке слэбовым и дисковым лазерам, благодаря своей простоте и эффективности.

Авторы исследования: Иван Кузнецов, Сергей Чижов, Олег Палашов. Работа опубликована в журнале Optic Letters.