Оптимизация резонатора многомодного многоэлементного твердотельного лазера с высоким качеством пространственной структуры излучения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМБИИ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИИ ИНСТИТУТ

РГ6 ол

. ..1 На правах рукописи

МАЛАШИ ПАВЕЛ ОЛЕГОВИЧ .

ОПТЖИЗАЦИЯ РЕЗОНАТОРА ШОГОМОДОВОГО ЮОГОЭЛЕМЕНТНОГО ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ЛАЗЕРА С ВЫСОКИМ КАЧЕСТВОМ ПРОСТРАНСТБЙПЮИ СТРУКТУРЫ ИЗЛУЧЕНИЯ.

01.04.04 - физическая электроника.

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой стопепи кандидата физихо-матеыэтичесна наук.

Москва - 1993

Работа выполнена в Московском ордена Трудового Красного Знамени фюшо-теияческш института.

Неучнъе руководитель:

кандидат физико-математических наук, доцент Силичев 0.0.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических

наук Ь.11.Ьш:сз кандидат физико-математических наук С.4. Бс.-данов Ведущая организация: Московский Электромеханический

завод им. В.И. Ленина. (ЗВИ)

Защита состоится 28/ХП 1993 года б 15 часов на заседании специализированного совета К.063.91.01 в Московском физико-техническом институте по адресу: г.Долгопрудный, Московской области, Институтский пер.9, МФТИ, аудитория 204 Нового корпуса.

С диссертацией можно ознакомиться в пиблиотоке Московского физико-технического института.

Автореферат разослан "

н

1^93 года.

УчониЯ секретарь споциализироЕзцног-о совета

Н.Д. КЖ>Ь>ЛОЭ.

- з -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Диссертационная работа . посвящена исследованию моиишх твердотельных многомодовых технологических лазеров с высоким качеством пространственной структуры излучения.

Актуальность темы диссертационной работы.

В настоящее время твердотельные лазеры широко используются в разнообразных технологических операциях таких как резка, сверление, термообработка', прецизионная сварка и др. Технологические возможности лазеров и качество выполняемых операций непосредственно связаны с размером фокального пятна и качеством поперечной структуры пучка выходного излучения лазера в месте обработки, фокусировка излучения в пятпо малого поперечного размера и большой протяженности позволяет проводить технологические процессы .на материалах большой толщины, обеспечивать большую точность обработки и более высокое качество обрабатываемых поверхностей. Поскольку лазеры используют в первую очередь в технологиях, требующих высокого качества и точности обработки, то разработка лазеров позволяющих формировать фокальное пятно высокого качества является основной тенденцией развития, мощных ■ твердотельных лазеров для таких технологических операций, как резка, сверление, прецизионная сварка л термообработка.

Разработка мощных твердотельных лазеров, обеспечивающих высокую однородность излучения в поперечном сечении, малую расходимость и высокую стабильность пространственной структуры сопрякена с решением целого ряда сложных научных и технических проблем. При этом одной из главных является проблема пос^фоення схемы резонатора. Такая схема резонатора должна обеспечивать высокое качество поперечной структуры . выходного пучка излучения. При этом высокий уровень чакачки, необходимый для обеспечения высокой средней мощности генерации приводит к значительным термооптическим искажениям активной среда и их сильному влиянию на пространственную структуру излучения.

ухудшающему качество поперечной структуры. Причем трикгвааю высокой средней мощности излучения не позволяет перейти к одномодовому режиму генерации и заставляет добиться высокого качества пространственной структуры в условиях многомодового режима.

Влияние сильных термооптических искажений при многомодовом характере генерации изучено к настоящему времени абсолютно недостаточно, что не позволяет сформулировать обоснованный алгоритм построения мощных технологических твердотельных лазерных систем с высоким качеством поперечной структуры. Поэтому

Целью диссертационной работы является:

1. Изучение характера и величины термооптических искажений, возникающих в активных, элементах из АИГ:ШЭ+ при уровнях накачки, характерных для лазеров технологического назначения.

2. Исследование влияния негауссовых термооптических искажений активного элемента на структуру мод резонатора лазера.

3„ Построение алгоритма расшта схемы резонатора как одно, так я двухнламентнсшо лазера с учетом характерных негауссовых термоаптиче екнх искажений активных элементов и динамики этих искажений.

4. Создание на основе разработанного алгоритма образца твердотельного технологического лазера мощностью 300 Вт и высоким качеством поперечной структуры пучка выходного излучения.

Научная новизна

полученных результатов заключается в следующем:

1. Исследованы характер и величина 'негауссовых аберраций, вносимых в резонатор термооптически возмущенным активным элементом в излучателях (квантронах) наиболее употребительных

типов:

2. - Путем численного моделирования ■ выявлены основные закономерности образования модовых структур резонаторов, содержащих оптические элементы с негауссовыми элементами,

3. Сформулировано условие динамической стабильности лазера, содержащим два активных элемента с флуктуирующей тепловой линзой.

4. .Предложена .схема резонатора двухэлементного лазера, ' имеющая пониженную чувствительность к аберрациям основных

видов.

Практическое значение диссертационн ой работы.

На основании проведенных исследований удалось

1. Сформулировать алгоритм расчета схемы резонатора лазера с учетом величины и характера аберраций, возникающих в терчооптически возмущчр'их активных элементах.

2. Разработан технологический, лазер со средней мощностью до 300 вт и высоким качеством поперечной структуры пучка выходного излучения.

Защищаемые • положения.

На защиту выносятся следующие утверждения:

1. Наличие аберраций коренным образом меняет модовую структуру излучения лазера. Помимо "регулярных квазигэуссовнх аксиальных мод возникают многоходовые неаксиальные модовве образования, область стохастического поведения лучей. Размеры и характер данных кодовых образований зависит от уровня аберраций и параметров схемы резонатора.

2. Знание величин аберраций позволяет создать схему лазерного резонатор4, обладающую прадельпо достижимым при данном уровне аберраций качеством пространственной структур» выходного излучения.

3. В двухэлементной схеме резонатора лазера возможно обеспечить динамическую стабильность модовых структур при котором малые флуктуации термооптических искажений в том числе величин аберраций не приводит в .первом порядке к изменениям пространственных параметров пучка выходного излучения.

Апробация работы и публикации.

По результатам диссертационной работы опубликовано 3 научных статьи. Результаты работы представленл на Международной конференции "Нетрадиционные лазерные технологии" (Москва, сентябрь 1992 г.) АЬТ-92, научил конференциях МФТИ.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит кз пяти глав, заключения, приложения и библиографии использованной литературы. Объек работы __ страниц, в том числе __ рисунков и ___ таблиц.

Г СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ .

в 1-ой глэго - ' введение и обзор литературы обосновывается постановка задачи, ее . актуальность, рассматриваются основные достижения в области оптимизации резонаторов твердотельных лазеров.

Бо 2-от главе экспериментально изучались термооптические искбкония, возникающие в активная элементах различных типов кваптроной, _ которые наиболее часто используются в технологических твердотельных лазерах. Для этого исследовалась зависимость угла отклонения луча гелий-неонового лазера, проаодшего через накачиваемый квантрон, от расстояния до оптической оси. Если для идеальной линзы или безаберрациокного розо;штора атн яааисимсоть представлялась линейной функцией (в параксиальном приближении), то негауссовые аберрации ньр;.!и]али

линейность характеристики. Нелинейная ' характеристика экстраполировалась полиномом, коэффициенты которого определяли порядок аберрации /Г-ой степени. Особое внимание было удэ.:эно исследованию аберраций типа кома и сферической аберрации, поскольку именно эти аберрации, имеющие наинизший порядок, наиболее сильно проявляются в осветителях и влияют на качество пространственной структуры пучка выходного излучения.

В результате проведенных экспериментов определены величины аберрационных коэффициентов комы и сферической аберрации основных типов осветителей, которые в дальнейшем будут использованы при расчетах схем резонаторов лазеров. Проведена классификация квантронов и составлена сводная таблица по мощностшм и аберрационным характеристикам. Используя эту классификацию мокно оценить целесообразность использования "сто или иного типа излучателя в зависимости от технологического назначения лазера, его энергетических и пространственных характеристик излучения. Эта таблица дает возможность осознанно-подходить к выбору квантронов и позволяет не только качественно, но и количественно описывать их характеристики. ■

В 3-ей главе исследовалось влияние негауссовых аберраций на модовую структуру резонатора. Методом геометрической "оптики изучались структуры мод резонатора простейшего вида (рис. 1), содержащего негауссовый аберрационный элемент 6 комой или сферической аберрацией." .

Исследовалось поведение лучей в резонаторе. Изменение координаты луча- (х,а) в ' термооптически возмущенном активном элементе (АЭ) описывалось формулами:

СС —3*1

(1)

где х - расстояние мевду лучом и оптической осью резонатора, а - угол наклона луча к оптической оси. Коэффициенты р .и р( описывают гауссовую составляющую оптической неоднородности АЭ, а члены с описывают негауссовые аберрации. В случае п=2 это аберрация кома, т.е. наинизшая несимметричная аберрация, п=3 - сферическая аберрация - наинизшая симметричная аберрация. Поскольку в лазерной оптике пространственно ограниченных пучков наибольшее .значение имеет приосепая

■ 1

1

КОНЦЕВОЕ ЗЕРКАЛО

-8-

АВ С А

(ХД)

>

(Х\а!)

АЭ

Я

Ш

9

т

ж

I

ВЫХОДНОЕ ЗЕРКАЛО

Рис.1 . Оптическая схема резонатора с аберрационным элементом, исследуемая в работе..

КОНЦЕВОЕ ЗЕРКАЛО

ВЫХОДНОЕ ЗЕРКАЛО

Рис.^ . Общая схема 2-ух элементного твердотельного технологического лазера, оптимизируемого в работе.

-у-

область, то именно эти аберрации вносят основной вклад в искажение модовой структуры излучения. В работе эти аберрации исследовались по отдельности.

После обхода резонатора (рис.1) координаты лучей меняются в соответствии с формулами:

(х,~ Ах + Ва - Вв хп

1 1 Л

■ <2)

а,= Сх + Аа - Ай зг

1 гп

Фактически геометрооптическое исследование резонатора сводится к исследованию свойств преобразования (2) при различных параметрах. Данное преобразование содержит 3 параметра А, В, Рп. Его можно существенно упростить, перейдя к новым координатам СЕ.т)^:

£=х(ВРп)1/(п~1т}*1-%(Врп),/(п-п, (3)

где , А - параметр устойчивости резонатора. В этих

(приведенных-) координатах вид преобразования (2) упрощается, число параметров уменьшается до минимума, отображение фазовой плоскости в координатах (£,г)), задаваемое преобразованием (2) приобретает существенно более простой вид.

С, = Л? + V*) - ?п

п. л <4>

. т|1 = -V? + ¿л - Г

Свойства данного преобразования определяются одним параметром А - параметром устойчивости резонатора. Исследование этого преобразования проводилось как аналитически, так и численными методами. Для этого был разработан комплекс компьютерных программ, моделирующий поведение лучей в процессе многократных обходов резонатора и позволяющий- таким образом исследовать влияние аберраций на структуру разового пространства резонатора. Это, в свою очередь, позволяет понять особенности поведения пространственной структуры излучения лазера с аберрационными элементами. Разработанные программы моделировали общую картину фазового пространства как в приведенных, так и в реальных физических координатах, помогали удобно наблюдать и анализировать поведение при обходе

-ю-

резонатора как отдельных лучей, так и целых областей (лучевых семейств) фазового пространства, а также исследовать свойства 4-ех мерного фазового пространства.

В процесса работы моделирующая программа осуществляла графический вывод результата на экран дисплея компьютера в динамическом режиме и поддерживала диалоговый режим с пользователем. После вычисления каждой точки на фазовой плоскости (5,1}.) программа изображала ее ь виде точки на экране в соо^четствуицей системе координат. Кроме того исследователь всегда мог оперативно менять параметры, модели в процессе работы.

Изучение фазового портрета резонатора в целом • осуществлялось путем исследования .поведения большого количества лучей. После каадого обхода резонатора в соответствии с преобразованием (4), координаты луча'выводятся на экран дисплея. Оставленные на дисплее точки лежали на замкнутом контуре или системе контуров (в случае устойчивой точки) в пределах апертуры резонатора и образовывали определенные структуры н~ фазовой плоскости. Множество таких траекторий с начальными значениями, распределенными во всем фазовом объеме (в пределах апертуры) резонатора, образуют фазовый портрет резонатора, который является основной -характеристикой резонатора.

В результате были обнаружены характерные модовые структуры, которые возникают в .резонаторе, обладающим негауссовыми аберрациями. Если фазовое пространство безаберрационного резонатора изображается концентрическими окружностями, то аберрации намного успжняют фазовый пор грот. Из рис.2 видно, что фазовое пространство аберрационного резонатора . обычно состоит из трех зон: "А" - области аксиальных модовых структур, "В" - многоходовых медовых структур, "С" - области стохастического поведения лучей. (рис.2)

Область "А" аксиальных мод в первом приближении описывается искаженными гауссовыми пучками, обладает .наименьшей расходимостью и наиболее ценными технологическими свойствами. Многоходовые моды (область "В") и область хаотического поведония лучей ("С") появляются вследствие негауссовых аберраций. Многоходовые моды, подобно аксиальным

-7 7

ш о"

о

л

О

\:тщв<

тжгг^гпт:;^

-о. к

о.о

о.к

+

1.0

Рис.2 . Зоны характерного поведения лучей резонатора, содержащего оптический элемент с негауссовыми аберрациями.

1=-0.5 , сапа

\ : : л .' ■•■^¿■р:^ • л * -'

....4h-v.it.

! . : .

..!..........[..........1:..:.....Г:;,.1.„..л.....

I

-2.0

"Г

—I— -1.о

и1

о.о

т

1.0

г

Г~Г-2.0

Рис. 3 Фазовый портрет устойчивого резонатора с хаотическим поведением лучей. ;

I

I •

о

обладают квазигауссовой структурой, но имеют смещенную ось (относительно оси резонатора) и замыкаются через несколько обходов резонатора. В работе исследуются условия возникновения многоходовых мод, их свойства, рассматривается связь координат многоходовой структуры с внутрирезонаторной аберрацией й характеристиками резонатора. Положение и характер зош! многоходовых мод и зоны стохастического поведения лучей определяются характером, величиной аберраций и конфигурацией резок..тора Так, например при определенных условиях аберраций существенно уменьшают размер аксиальной области и даже приводят к ее исчезновению в резонаторе устойчивой конфигурации (рис. 3). В работе аналитически были рассчитаны основные характеристики многоходовых мод, их кратность И положение, а также объем, занимаемый аксиальными модами резонатора.

Очевидно, что технологические характеристики лазера тем лучше, чем больше объем занимает область аксиальных мод. Размер этой области, как уже отмечалось, зависит не только от характера и уровня аберраций, но также и от конфигурации резонатора. Следовательно, за счет соответствующего подбора конфигурации резонатора можно улучшить качество • пространственной структуры пучка выходного излучения лазера. В диссертации описывается как выбирать оптимальную конфигурацию схемы резонатора.

В конце главы формулируются условия при которых весь объем АЭ занят аксиальными модами. Тем самым мы получим .максимельное качество с АЭ с данным уровнем аберраций.

В 4-ой главе исследуется аксиальная .область, рассматривается условие, при котором искажения модовой структуры минимальны. Анализ поперечной структуры мод проводится в рамках гауссовой оптики методом теории возмущений, т.к. в аксиальной области искажения гауссовых пучков, как правило, малы. Поэтому структура мод качественно не меняется.

В таком подходе аберрации приводят к рассеянию одних гауссовых пучков, 'мод невозмущенного резонатора, в гауссовы пучки более высокого порядка, имеющих большую расходимость, что ухудшает качество выходного излучения. Коэффициенты такого рассеяния зависят от разности порядков между рассеянным и падвмщм гауссовыми пучками, уровня аберраций ТЛ АЭ, геометрии

резонатора и характеризует чувствительность резонатора к аберрациям определенного типа.

Поскольку аксиальная область обладает наиболее ценными технологическими свойствами', то оптимизация резонатора твердотельного лазера с целью улучшения пространственной структуры его излучения проводится при условии того, что весь объем активного элемента занят аксиальны-и модами. В процессе оптимизации рассчитывается такая конфигурация резонатора, чтобы он имел наименьшую чувствительность к аберрациям низких порядков. В работе показано, что оптические длины плеч резонатора, их' соотношение, определяют чувствительность ■резонатора к аберрациям. Используя' метод теории возмущений, были рассчитаны кривые, характеризующие чувствительность резонатора к аберрации того или иного типа в зависимости от соотношения длин его плеч, (рис.5) С помощью этих кривых рроводится рассчет резонатора лазера в 5 главе.

Была подробно исследована двухэлементная схема мощного. Твердотельного технологического'лазера в многоходовом режиме.

В результате сформулировано общее условие динамической стабильности двухэлементной схемы (рис.4), т.е. такое условие, закладываемое на параметры схемы резонатора, при котором размер роротяжки выходного пучка не зависит (в первом приближении) от флуктуация величин тепловых линз активных элементов. Выяснено, что степень искажения' модовой структуры из-за аберраций на разных участках резонатора различная. Это объясняется (штерференцией волн; которые образуются вследствие Аберрационного возмущения модовой структуры: в одном месте резонатора происходит интерференционное ослабление искажен"й, в то время, как в другом - их усиление. В частности, невозможно разработать схему 2-У* элементного лазера, которая имеет динамическую стабильность как в выходном плече,' так и в центре резонатора. Так 2-ух элементная схема динамически стабильна в выходном плече при условии:

В,/0

вг > в1вг

= -£В( (5)

А^В + АВг = ± У В2-(В1Вг)2

— 7 Т

Рис. 5. Пример характеристики чувствительности схемы резонатора к аберрациям основных типов:

- клину, --- - коме,

- - сферической аберрации

в. зависимости от геометроптичаских свойств резонатора, рассчитанная в приближении теории возмущений. Чувствительность двухэлементной динамически стабильной в выходном плече (5) схемы твердотельного технологического лазера ( имеющего одинаковый размер перетяжки на обоих активных элементах ) в зависимости от отношения оптических длин плеч резонатоа 7=В^/В.

в промежутке между активными элементами

Bf*0, BfO

Вг < в,в2 -- .

А£ Шг =i/('ß/B2J2- В2

А,В idB, =±/(ВлВг)г- Вг

где Л( г, Bj г, D - элементы лучевых матриц резонатора 2-ух элементного лазера, общая схема которого изображена на рис.4.

Используя графшот зависимости чувствительности резонатора к аберрациям ТЛ A3 (рис. 5) от соотношения оптических длин его плеч сформулированы условия, при которых минимальны искагсетшя гауссовой кодовой структуры при малом уровне аберраций.

В результате'проведенных исследоваштй разработан алгоритм расчота гаюгоэлогюнтного лазера с учетом аберраций ТЛ АЭ.

В работе таккэ был разработан алгоритм оптимизации лазера в одномодовом рекшда с целью повышения еыходной мощности за счет увеличения коэффициента заполнения активного элемента излучением.

5-ая глава посвящена экспериментальной проверке алгоритма, разработанного в диссертации.

Бил модернизирован серийный лазер ЛЙТ-100, производимый m

Мощность излучения возросла с 280 вт до 300 вт. Расходимость выходного пучка уменьшилась с 15-20 г.град до 5-t мрад - в 3.5 раза. При этом плотность »..лцности возросла в 10 раз. Модернизированный лазер работал на тех я. стандартных квантрснах, которые использовал ЛИТ*100.

Разработан лазер с малой расходимостью излучения для просверливать прецизионных отверстий в листовых материалах. Его расходимость была менее 1.5 мрод, приближаясь к дофракциоянсму пределу. Энергия в импульсе 1.0-1.5 Дя.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДУ ДИССЕРТАЦИЙ.

1 ) Исзледована и проведена классификация кваптронов. 2) Изучена структура мод резонатора с шгаусеовнм

-У6-

элементом.

3) Исследована зависимость фазового объема аксиальных мод от свойств резонатора и уровня аберраций.

4) Найдены условия появления многоходовых модовых неаксиальных структур. Исследованы их" хароактеристики, -зависимости их свойств от характера аберраций и параметров резонатора. •

В области аксиальных мод сформулированы условия минимизации влияния аберраций на структуру гауссовых мод, сформулировано условие динамической стабильности 2-ух элементной схемы резонатора.

6) Сформулирован алгоритм расчета схемы резонатора мотцого многоэлементного твердотельного лазера с учетом аберраций активного элемента.

7) Разработан технологический 2-ух элементный лазер на базе ЛИТ-1С0, у которого плотность мощности в фокальном пятне в 10 раз выше.

По материалам диссертации опубликованы следующие работы:

1. П.О. Малашин, 0.0. Силичев "Об одном способе расширения зоны устойчивости лазерного резонатора". // Оптические и электронные средства обработки информации: межвед. сб. / МФТИ. П., .1991. 0.11-20.

2. П.О. Малашин, 0.0. Силичев "О регулярности поперечной структуры излучения технологического лазера" материалы конференции "Нетрадиционные лазерные те.1лологаи, 1992" <АЬТ92).

3. П.О. Малашин, 0.0. Силичев Влияние оптических аберраций на качество выходного излучения двухэлементного • лазера / Квантовая вл-ка, 1993, т.20, N4, с.360-386.

МРТМ 23.//. 95 2.

Зал. 14э$-тиР- ^ОО-т