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

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ' «ИЗИКО-ГЕЯИЧЕСКИИ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

МАЛАШИ ПАВЕЛ ОЛЕГОВИЧ .

ОПТШИЗАЦЯЯ РЕЗОНАТОРА МНОГОМОДОВОГО ЖОГОЭЛЕМШТНОГО ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ЛАЗЕРА С ЮСОКЖ КАЧЕСТВОМ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ СТРУКТУРЫ ИЗЛУЧЕНИЯ.

01.04.04 - физическая электроника.

•,и, АВТОРВ»ВРАТ

диссертация на соискание ученой стопе тт. кандидата физяка-матемэтичесхих яаук.

Моасва - 1993

Работа выполнена в Московском ордена Трудового Красного Знамени фызихо-техническш институте.

Нвучные руководитель:

кандидат физико-математических наук, доцент Силичев 0.0.

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор ф«ико-математических наук Ъ.и.Ьшссз кандидат физико-математических наук С.¿.Богданов Московский Электромеханический завод им. В.И. Ленина. (ЗВИ)

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

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

Автореферат разослан

/сСЛС^ЛЛ 1

У

/¿.гХ 1^3 года.

Ученый секретарь сп'эдазлизировашсм'о совета

Н.Д. Кзноьллов.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Диссертационная работа . посвящена исследованию мо!М» твердотельных многомодовых технологических лазеров с высоким качеством пространственной структуры излучения.

Актуальность темы диссертационной работы.

В настоящее время твердотельные лазеры широко используются в разнообразных технологических оперениях 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 пятно малого поперечного размера и большой протяженности позволяет проводить технологические процесса .на материалах большой толщпш, обеспечивать большую точность обработки и более высокое качество обрабатываемых поверхностей. Поскольку лазеры используют в первую очередь в технологиях, требупих 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 разка, сверление, прецизионная сварка н термообработка.

Разработка могших твердотельных лазеров, обеспечивающих высокую однородность излучепия в поперечном сечении, малув расходимость и высокую стабильность пространственной структура сопряжена с решением целого ряда сложных научных и технических проблем. При этом одной из главных является проблема построения схемы резонатор». Такая схема резонатора должна обеспечивать высокое качество поперечной структуры . выходного ' пучка излучения. При этс-м висозспй уровень накачка, необходимый для обеспечения высокой средней мощности генерации привод?« к значительным терлооптаческим пскакениям активной среда и их сильному влиянии нэ пространствэнйую структуру излучения.

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

Влияние сильных термсюптических 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 термооптичвских искажений, возникающих в активных, элементах из АИГ:ШЭ+ при уровнях накачки, характерных для лазеров технологического назначения.

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

3- Построение алгоритма расчета схемы резонатора как одно, так л двухадешнтнсшо лазера с учетом характерных негауссовых термоштичееких искажений активных элементов и динамики этих искажений.

Создание ш 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 аберрация, вносимых в резонатор термооптически возмущенным активным элементом в излучателях (квантронзх) наиболее употребительных

топов:

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

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

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

Практическое значение диссертационной работы.

На основании проведенных исследований удалось

1. Сформулировать алгоритм расчета схемы резонатора лазера с учетом величины и характера аберраций, возникапцих в термооптически возмущениях активных элементах- .

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

Защищаемые ■ положения.

На завдму выносятся следующие утверждения:

1. Наличие аберраций корешам образом меняет кодовую структуру излучения лазера. Помимо'регулярных квазигауссовых аксиальных мод возникают многоходовые неаксиальные модовае образования, область стохастического поведения лучей. Размеры и характер данных модовых образований зависит от уровня аберраций и параметров схемы резонатора.

2. Знание величин аберраций позволяет создать схему лазерного резсна_тора, обладающую предельно 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 термоопткческих искажений в том числе величин аберраций не приводит в .первом порядке к изменениям пространственных параметров пучка выходного излучения.

Апробация работы к п у б л и к а ц и и.

По результатам диссертационной работы опубликовано 3 научных статьи. Результаты работы представлены на Международной конференция "Нетрадощиоишэ лазерные технологии" (Москва, сентябрь 1992 г.) АШ-92, научных конференциях МФТИ.

Структура ы объем работы-

Диссгтгациояная работа состоит из пяти глав, заключения, прзлокения и библиографии использованной литературы. Объем работа _страниц, в том числе__рисунков и таблиц.

г СОДЕРЙШШ диссертации

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

главе экспзркмзнталыго изучшягсь термооптические искажения( возникающие в активных элементах различных типов квантронов, > которое наиболее часто используются в тотаолоплесклх твердотельных лазерах. Для этого исследовалась зависимость угла отклонения луча гелий-неонового лазера, прошедшего через накачиваемый квантрон, от расстояния до оптической, оси. Если для идеальной линза или безаберрационного рекопатора эта йааиснмссть представлялась линейной функцией (в параксиальном приближении), то негауссовне аберрации и&р;;ыали

линейность характеристики. Нелинейная ' характеристика экстраполировалась полиномом, коэффициента которого определяли порядок аберрации /Г-ой степени. Особое внимание было уда.эно исследованию аберраций типа кома и оферической 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 коэффщиентов 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 мсщностннм и аберрационным характеристикам. Используя эту классификацию можно оценить целесообразность использования трго или иного типа излучателя в зависимости от технологического назначения лазера, его энергетических и пространственных характеристик излучений. 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 негауссовнй аберрационный элемент о комой или сферической аберрацией." .

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

' зс =Х'

. (1)

где х - расстояние меаду лучом и оптической осью резонатора, а - угол наклона луча к оптической оси. Коэффициенты р и р, описывают гауссову» составляющую оптической неоднородности АЭ, а члена с описывают негауссовне аберрации. В случае п=2 это аберрация кома, т.е. наянизшая несимметричная аберрация, . п=3 - сферическая аберрация - наинизшая симметричная аберрация. Поскольку в лазерной опгикэ пространственно ограниченных пучков наибольшее . значение имеет приосевая;

р

КОНЦЕВОЕ ЗЕРКАЛО

-8-

АВ С А

(ХД)

(х'д')

АЭ

ш

Щ

№ „

. — у/, рр

1 ж

Шщ

■ 1

ВЫХОДНОЕ ЗЕРКАЛО

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

I

А, В,

С, А,

-

КОЖ1ЕВОЕ ЗЕРКАЛО

АВ

СП

Ш

АЭ2

ВЫХОДНОЕ ЗЕРКАЛО

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

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

После обхода резонатора (рис.1) координаты лучей меняются в аоотьвтсташ о формулами:

г(= Ах + Ва - врпхп

■ (2)

а(= От + Аа - АРпзг

Фактически геометрооптическое исследование резонатора сводится к исследованию свойств преобразования (2) при различных параметрах. Данное преобразование содержит 3 параметра А, В, ¡3^. Его мокно существенно упростить, перейдя к новым координатам Г€ »г}^:

^х(Врп)и<п-'\ п=а-%(Врп)'/<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 а.г)), задаваемое преобразованием (2) приобретает существенно более простой вид.

' 5( - + УП - ЕЛ

„ л (4>

. = -П + Ац - £"

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 фазового 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

-/о-

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

В- процессе 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 щюскостн (Ч ,т}.1 программа изображала ее ь виде точки на экране в соответствующей 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. Посла каждого обхода резонатора в соответствии с преобразованием (4), координаты луча выводятся на экран дисплея. Оставленные на дисплее точки лежали на замкнутом лонтуре 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 безаоеррационного резонатора изображается концентрическими окружностями, то аберрации намного усложняют фазовый поргрет. Из рис.2 видно, что фазовое пространство аберрационного резонатора . обычно состоит из трех зон: - области

аксиальных модовых структур, "В" - многоходовых модовых структур, "С" - области стохастического поведения лучей, (рис.2)

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

-н-

......|..........

■У ¿к..'

■-■^Янии/Э'ь'—

I • •• 4 V »,.* 'XV ; Л _ ' - 'мСя'ТГ' !

1 ^ ' !

____' _>> _____

-о. в

о.о

£

1

1.0

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

V

4-I

1=-В.5 , сипа

ЙгЧМ

|л

г-ЧЛ V-[.%!'•.■ кГ',1-, I.......

.......

чь ¡Ж/!»..*-'»!*'?.''«. >.!

, ['•/ ..Г.: у,)..........|р-^У^Г ,: I-

г-и

.11

ч

— 2.0

~1— -».о

_I

—! о.о

I ^

—1— >-о

2.0

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

*

-м-

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

Очевидно, что технологические характеристики лазера тем лучка, 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 мокно 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 АЗ с данным уровнем аберраций.

В 4~ой главе исследуется аксиальная область, рассматривается условие, при котором искажения модовой сруктуры 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 расхода,гость, что ухудшает качество выходного излучения. Коэффициенты такого рассеяния зависят от разности порядков между рассеянным и падавдш гауссовыми пучками, уровня аберраций ТЛ АЗ, 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 аксиальнуи 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, определяв? 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 рассчэт резонатора лазера в 5 главе.

Была -подробно исследована двухэлементная схема мощного-твердотельного технологического' лазера в многомодовом режиме.

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

Я,/О

Вг > в;в2

л}в = ~т1__(5)

А^ + АВг = ± /В2-(В1Вг)г

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

—— - клину, --- - коме,

- - сферической аберрации

в. зависимости от геометроптических свойств резонатора, рассчитанная в приближении теории возмущений. Чувствительность С* 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

45в промежутке между активными элементами

BjtO, В^О

В2<ВЛ --- .

*АВг =±/(В^Вг)г- В2 t ,б) -

ÁfB 'DВ, =t/(BлВг)г- В3

где А1 г. В, 0 " ЭЛ9ненты лучевых матриц резонатора 2-ух элементного лазера, общая схема которого изображена на рис.4.

Используя графим зависимости чувствительности резонатора к аберрациям ГЛ АЭ (рис. 5) от соотношения оптических длин его плеч сформулированы условия, при которых мшптмалыш искажения гауссовой модовой структуры при малом уровне аберраций.

В результате нроведетшх исследований разработан алгоритм расчета многоэлемэнтного лазера а учетом аберраций ТЛ АЭ.

В работе также бил разработан алгоритм оптимизации лазера в однонодовом режиме с цель» повикения выходной мощности за счет увеличения коэффициента заполнения активного элемента излучением.

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

Был модернизирован серийный лазер ЛИТ-100, производимый m ?Р>И. Мощность излучения возросла с 280 вт до 300 вт. Расходимость выходного пучка уменьшилась с 15-20 мрад до 5-'/ мрад - в 3.5 раза. При этом плотность клцности возросла в 10 раз. Модернизированный лазер работал на тех т стандартных кзантронах, который использовал ЛОТ*100.

Разработал лазер с малой расходимостью излучения для просверливания прецизионных отворстий в листовых материалах. Его расходимость била менее 1.5 мрад, приближаясь к дифракционному пределу. Энергия п пмпульсе í.0-1.5 Дй.

0С1Г0В1ШЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ДИССЕРТАЦИЙ.

1) Исследована и проведена■классификация квантронов.

2) Изучена структура мод рззонаторо с иегаусаовнм

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. ■

Б4 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 мощного многоэлементного твердотельного лазера с учетом аберраций активного элемента.

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

По материалам диссертации опубликованы следующие работы:

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

2. П.О. Малашщ, 0.0. Силич ев "О регулярности поперечной структура излучения технологического лазера" материалы Конференции "Нетрадиционные лазерные те.'лолопш, 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, о.380-386.

М'97'М 23Л35г

Зак. ^о-тиР- ^От,