Термонаведенная деполяризация в лазерных оптических элементах сложной геометрии с произвольным аспектным отношением тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

На правах рукописи

СТАРОБОР Алексей Викторович

ТЕРМОНАВЕДЕННАЯ ДЕПОЛЯРИЗАЦИЯ В ЛАЗЕРНЫХ ОПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТАХ СЛОЖНОЙ ГЕОМЕТРИИ С ПРОИЗВОЛЬНЫМ АСПЕКТНЫМ ОТНОШЕНИЕМ

01.04.21 —лазерная физика

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

- 7 ОКТ 2015

0055629ЬЬ

Нижний Новгород — 2015

005562956

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте прикладной физики Российской академии наук (г. Нижний Новгород)

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук

Палашов Олег Валентинович, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки

Институт прикладной физики Российской академии наук

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Гарнов Сергей Владимирович, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки

Институт общей физики им. A.M. Прохорова РАН

кандидат технических наук Гречин Сергей Гаврилович, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана»

Ведущая организация: ОАО "Государственный оптический институт

имени С. И. Вавилова"

Защита состоится "26" октября 2015 г. в 15:00 на заседании диссертационного совета Д002.069.02 в Институте прикладной физики РАН (603950, г. Нижний Новгород, ул. Ульянова, 46).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института прикладной физики РАН.

Автореферат разослан " 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета л

доктор физико-математических наук, Д.

профессор "-СМ^Ц Ю.В. Чугунов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Предмет исследования и актуальность темы

В настоящее время мощные лазерные установки успешно применяются в промышленности и науке. Лазеры с высокой средней по времени мощностью излучения применяются при обработке материалов, резке и сварке, в медицине, телекоммуникациях, а также для научных приложений - прецизионная интерферометрия, ускорение заряженных частиц, исследование экстремальных свойств веществ, зондирование атмосферы и др.

В связи с этим остро стоит проблема борьбы с термонаведенными эффектами, возникающими из-за нагрева оптических элементов (ОЭ) как самим мощным лазерным излучением, так и излучением накачки. Эта проблема появилась практически сразу после создания лазера в 1961 году и становится все более насущной в связи с увеличением мощности лазеров работающих как в непрерывном, так и в импульсно-периодическом режиме. В настоящий момент именно термонаведенные эффекты являются одним из существенных факторов, ограничивающих среднюю мощность лазерного излучения и качество лазерного пучка.

Другой важной особенностью современных лазерных систем является использование пучков без аксиальной симметрии. К нарушению аксиальной симметрии может приводить несколько причин. Так, например, начинают широко использоваться ОЭ изготовленные из оптической керамики, которая обладает рядом важных преимуществ по сравнению с традиционно использующимися материалами: её размер практически не ограничен, в отличие от кристаллов, теплопроводность керамики значительно превосходит теплопроводность стекол и не уступает теплопроводности кристаллов, также керамические ОЭ могут создаваться из сред, которые невозможно или очень трудно вырастить как монокристаллы, например полуторные оксиды (Ьи203, У203, 8с203), тербий-алюминиевый гранат (ТАГ) и др. Более того, по технологическим причинам элементы из керамики создаются квадратными, поэтому, для более эффективного использования объема элемента, становится выгодным использовать лазерные пучки с квадратным поперечным распределением интенсивности излучения. Также популярной является слэ-бовая геометрия активного элемента (АЭ), представляющего собой вытянутый параллелепипед, грани которого наклонены под углом Брюстера. Традиционно, ОЭ имеют аксиальную симметрию, но, очевидно их использование с такими пучками не оптимально по заполнению апертуры и по минимизации термонаведенных эффектов. Задача оптимизации ОЭ с точки зрения термона-веденных эффектов под такие пучки весьма актуальна и до сих пор не решена.

Классическим и давно применяющимся решением в твердотельных лазерных установках является применение ОЭ стержневой геометрии (длина много больше диаметра) с боковым теплоотводом. Другим противополож-

ным, но распространенным примером являются ОЭ в форме дисков (длина ОЭ много меньше диаметра) с торцевым теплоотводом [1-3]. Использование тонких дисков из УЫУАв в качестве активного элемента (АЭ) позволяет улучшить теплоотвод от АЭ, эффективность лазера и характеристики лазерного излучения. Для этих случаев существуют аналитически полученные выражения, позволяющие рассчитывать термонаведенные искажения фазы и поляризации излучения, неизбежно возникающие при работе с мощными лазерными пучками.

Однако существует много других геометрий ОЭ, которые мы называем «переходными», которые не описываются этими выражениями, но находят свое применение в лазерной технике. Например, для снижения усиленного спонтанного излучения в дисковых лазерах применяют АЭ представляющие собой сэндвич-структуры из допированного и недопированного дисков, что не позволяет считать элемент тонким (длина элемента сопоставима с диаметром) [4], [5]. Сэндвич-структуры также применяются для снижения температурных градиентов в криогенных изоляторах Фарадея (КИФ). В случае использования в дисковых лазерах активных сред с низким допированием диски также становятся толстыми. Для ОЭ работающих «на просвет» актуальными являются геометрии с боковым теплоотводом. В случае классического КИФ магнитооптический элемент представляет собой тонкий диск, но не с традиционным торцевым теплоотводом, а с боковым теплоотводом. Увеличение магнитных полей и использование новых магнитооптических сред в случае изоляторов Фарадея работающих при комнатной температуре давно уже привело к использованию магнитооптических элементов в форме толстых дисков с боковым теплоотводом («коротких стержней»).

Таким образом, исследование термооптических свойств оптических элементов в зависимости от их геометрии (аспектного соотношения длины элемента к диаметру) и способа теплоотвода является важной и актуальной задачей.

Важным путем усовершенствования лазерных установок является использование новых оптических сред. Широкое развитие получило использование керамических ОЭ, изготовленных из таких же материалов, как и традиционные лазерные кристаллы: АИГ, СаР2, ТГГ; и из сред, монокристаллы которых не удается вырастить традиционными методами: ТАГ, полуторные оксиды и др.

Принципиально иным путем улучшения характеристик лазерных систем является криогенное охлаждение ОЭ. Оно открывает возможность улучшения характеристик уже использующихся лазерных сред и возможность использования сред, которые неэффективны при комнатной температуре, но значительно улучшают свои характеристики при охлаждении и начинают превосходить традиционные среды. Охлаждение приводит кряду преимуществ [6]-[9]: увеличивается теплопроводность сред, что уменьшает градиент температуры; увеличиваются сечения поглощения и излучения

у редкоземельных металлов; уменьшается населенность нижнего лазерного уровня в трехуровневых схемах; уменьшается коэффициент линейного расширения материала, что снижает механические напряжения в среде; термооптический коэффициент (с1п/с1Т) уменьшается, что уменьшает термонапеден-ную линзу. Несмотря на то, что криогенное охлаждение активных элементов лазеров применяется достаточно давно, недостаточно изученной является возможность улучшения характеристик пассивных элементов лазерных систем, таких как изоляторы Фарадея и ячейки Поккельса за счет охлаждения их рабочих оптических элементов.

В работе исследуются возможности уменьшения термонаведенной деполяризации в ОЭ, работающих с большой средней по времени мощностью лазерного излучения с помощью использования нестандартных геометрий оптических элементов и новых сред.

Цель работы

Цель представленной диссертационной работы заключалась в исследовании возможности уменьшения термонаведенных искажений в ОЭ мощных лазеров путем оптимизации их геометрии и использования новых оптических сред. В задачи работы входили разработка модели расчета термонаведенных искажений поляризации и фазы лазерного излучения проходящего через ОЭ заданной конфигурации; исследование экспериментально и численно переходных геометрий оптических элементов и элементов без аксиальной симметрии; а также экспериментальное исследование характеристик ряда перспективных сред в диапазоне температур 80-300 К и создание ИФ на этих средах.

Научная новизна

В работе получены оригинальные результаты, которые подтверждают научную новизну и высокую значимость диссертационной работы.

1. Теоретически и экспериментально показана значительная зависимость термонаведенной деполяризации от отношения диаметра пучка к диаметру ОЭ и отношения длины ОЭ к его диаметру в переходных геометриях «короткий стержень» и «толстый диск

2. Теоретически проанализирована и экспериментально реализована схема ИФ работающего с неполяризованным излучением с высокой средней мощностью, разделенным на два пучка ортогональной поляризации, на одном оптическом элементе. Реализовано увеличение степени изоляции устройства на 60% по сравнению со схемой ИФ с двумя независимыми оптическими элементами.

3. Теоретически и экспериментально исследованы возможности использования в оптических устройствах элементов с квадратной апертурой. Показано что в оптимальной ориентации такие элементы позволяют уменьшить

термонаведенную деполяризацию проходящего через них излучения относительно традиционно применяемых элементов с круглой апертурой. Рассчитан ИФ, работающий с лазерными пучками с «квадратным» поперечным распределением интенсивности.

4. Экспериментально исследованы характеристики (постоянная Верде, термонаведенная деполяризация и термонаведенная линза) ряда перспективных сред в диапазоне температур 80-300 К: кристаллы СаР2)ТЬ:СаР2 и СсМпТе, новые стекла на основе германиево-боратной матрицы с высоким содержанием оксида тербия, керамики ТГГ и ТАГ и допированного церием ТАГ.

5. Реализованы ИФ на основе магнитооптических керамик ТГГ, ТАГ и Се:ТАГ работающие с высокой мощностью излучения.

6. Разработан и экспериментально реализован криогенный ИФ на основе ГГГ с одновременной компенсацией термонаведенных деполяризации и линзы с помощью стекла с отрицательным термооптическим коэффициентом.

Практическая ценность

Результаты диссертационной работы могут быть использованы при создании мощных лазерных установок, в частности при расчете АЭ, и при создании ИФ работающих с высоким уровнем лазерной мощности. На основе результатом может быть осуществлен подбор оптимальной геометрии оптических элементов, обеспечивающих меньшую степень деполяризации, а значит и более высокий уровень мощности и качество пучка. Также результаты диссертационной работы могут быть использованы при разработке и создании вращателей Фарадея работающих с неполяризованным излучением.

В рамках работы исследованы наиболее перспективные магнитооптические керамические материалы, результаты могут применяться при создании ИФ с большой оптической апертурой, которые будут значительно превосходить ИФ на основе магнитооптических стекол, которые ранее были практически безальтернативными.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Термонаведенная деполяризация в оптическом элементе с длиной сопоставимой с диаметром (Ш=1) существенно зависит от отношения диаметров оптического элемента и лазерного пучка как при торцевом, так и при боковом теплоотводе. При аспектном отношении длины элемента к его диаметру Ш=1/2 при боковом теплоотводе деполяризация в кристалле тербий-галлиевого граната уменьшается на 20%, а при торцевом в ~7 раз.

2. Использование в мощных лазерах с квадратными пучками оптических элементов с квадратной апертурой позволяет существенно снизить термонаведенную деполяризацию (в 2,5 раза по сравнению с элементами

с круглой апертурой и в 5 раз по сравнению с круглыми пучками, проходящими через элементы с круглой апертурой, при условии равенства диаметра пучка и диаметра элемента).

3. Схема ИФ на неполяризованное излучение с делением пучка на две ортогонально поляризованные части, которые проходят через общий магнитооптический элемент, позволяет существенно снизить термонаведенную деполяризацию в 1,6 раза по сравнению с ИФ с двумя независимыми оптическими элементами за счет взаимного теплового влияния пучков, уменьшающего градиенты температуры.

4. Постоянная Верде оптических керамик тербий-алюминиевого граната (ТАГ) и Се:ТАГ (0,01-0,1 ат. процент) при охлаждении с 293 К до 77 К растет в 4,27 и 4,6 раза соответственно, что больше чем у ТГГ (3,8 раза) и при 80 К постоянная Верде ТАГ в 1,36 раз, аСе:ТАГ в 1,66 раз больше постоянной Верде ТГГ. Магнитооптические и термооптические свойства керамики ТГГ и кристалла ТГГ совпадают в диапазоне температур 80-300 К.

5. В криогенном вращателе Фарадея на кристалле гадолиний-галлиевого граната (ГТГ) использование стекла FK51 позволяет добиться одновременной компенсации термодеполяризации и термонаведенной линзы в 6,3 и 3,5 раза соответственно, что при использовании ГГГ с поглощением <10'3 см'1 позволяет создать криогенный вращатель Фарадея на лазерную мощность превышающую 20 кВт.

Апробация работы.

Настоящая диссертационная работа является итогом исследований, проведенных автором в Институте прикладной физики РАН в 2010-2014 гг. По теме диссертации опубликовано 10 статей в реферируемых журналах и 16 тезисов конференций. Результаты работы докладывались и обсуждались на семинарах отделов 370 и 350 отделения Нелинейной динамики и оптики, а также наследующих областных, всероссийских и международных конференциях и научных школах: Научная студенческая конференция Высшей школы общей и прикладной физики ННГУ «ВШОПФ 2010», Нижний Новгород, 2010; XV нижегородская сессия молодых ученых (естественнонаучные дисциплины), Нижний Новгород, 2010; 14th conference on Laser Optics, St. Petersburg, Russia, 2010; International conference «ICONO/LAT 2010», Kazan, Russia, 2010; IV Всероссийская школа для студентов, аспирантов, молодых ученых и специалистов, Нижегородская обл., г. Саров, 2010; XVI Нижегородская сессия молодых ученых (естественнонаучные дисциплины), Нижний Новгород, 2011; International conference "Nonlinear Optics: East-West Reunion", Suzdal, Russia, 2011; Научной школа «Нелинейные волны-2012», Нижний Новгород, 2012; XVII Нижегородская сессия молодых ученых (естественнонаучные дисциплины), Нижний Новгород, 2012; 15th conference on Laser Optics, St. Petersburg, Russia, 2012; XVIII Нижегородская сессия молодых ученых (естественнонаучные дисциплины), Нижний Новгород, 2013;

International conference «Advanced Solid State Lasers», Paris, France, 2013; 9th Laser Ceramics Symposium, Daejeon, South Korea, 2013; 16th conference on Laser Optics, St. Petersburg, Russia, 2014; International Symposium «Topical problems of nonlinear wave physics». Nizhniy Novgorod - Saratov - Nizhniy

Novgorod, Russia, 2014.

Часть результатов, обсуждающихся в данной работе, докладывались на XIII конкурсе молодых ученых ИПФ РАН в 2011 году.

Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитируемой литературы, включающего и работы автора. Общий объем диссертации составляет 123 страницы, включая 41 рисунок и 3 таблицы. Список цитируемой литературы содержит 103 источника.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика диссертации и обоснована актуальность работы. Также во введении описаны основные цели и задачи работы, отражена научная новизна и значимость работы, приведены основные результаты и положения выносимые на защиту. Затем представлено основное содержание.

В первой главе исследуется влияние переходной геометрии оптического элемента на термонаведенные искажения. Для расчета термонаведенной деполяризации была создана трехмерная модель, позволяющая рассчитывать температурные изменения, обусловленные этим деформации и напряжения оптических элементов и возникающее из-за этого двулучепреломление.

В первой части первой главы рассматривается такой вопрос, как влияние соотношения диаметра элемента и его длины на термонаведенные искажения. Из-за роста средней и пиковой мощности лазерных установок на оптические элементы накладываются ограничения, связанные с порогом оптического пробоя материала элементов и их покрытий, вследствие этого приходится увеличивать апертуру элементов. Приближенные формулы, хорошо работающие для цилиндрических элементов (длина много больше диаметра) перестают точно описывать термонаведенные эффекты в таком ОЭ. В работе рассматриваются два важных случая: «толстый диск» - элемент с торцевым теплоотводом, но с толщиной сопоставимой с диаметром (например АЭ выполненный как сэндвич-структура из допированнной и недопиро-ванной частей) и «короткий стержень» - элемент с боковым теплоотводом и с толщиной меньше или порядка диаметра. В переходной геометрии проводится анализ и сопоставление термонаведенной деполяризации рассчитанной численно, полученной экспериментально и вычисленной по аналитических выражениям (для крайних случаев - цилиндра и диска). Приводятся рекомендации по использованию таких элементов в качестве магнитооптических эле-

ментов ИФ и АЭ. Продемонстрировано, что в случае бокового теплоотвода деполяризация практически не зависит от диаметра пучка, однако зависит от аспектного соотношения длины элемента к его диаметру г|= Ь/с1. На рис. 1 приведены зависимости нормированной деполяризации от аспектного отношения 1] = Ый для стекла 1УЮС-04 полученные с помощью численного расчета (сплошная кривая) и с помощью эксперимента (точки). Разница достигает (1-у)2раз (что составляет -40% для МОС-04), поэтому эту зависимость необходимо учитывать при расчете деполяризации для оптических элементов с г] < 1. Также можно сделать вывод, что простое деление цилиндрического элемента на несколько элементов при сохранении бокового теплоотвода позволит снизить деполяризацию в (1-у)2 раз, при условии того, что получающиеся элементы дисковой формы.

Во второй части первой главы исследована зависимость термонаведен-ной деполяризации от диаметра лазерного пучка для ОЭ в переходной геометрии. Реальные ОЭ часто имеют форму «толстых дисков»: длина элемента не превышает его диаметра, но теплоотвод осуществляется с боковой поверхности, в отличие от «коротких стержней». Для таких оптических элементов аналитических выражений для вычисления термонаведенной деполяризации не существует.

Рис. 1. Зависимость нормированной деполяризации от аспектного отношения п = ¿/¿для стекла МОС-04. Экспериментальные точки - квадраты, теоретическая зависимость - кривая линия

В этом разделе диссертационной работы измерялась зависимость гермо-наведенной деполяризации у от диаметра пучка в образце из кристалла ТГГ диаметром 20.5 мм и длиной 11 мм (т| = 0,54). Измерения проводились в двух режимах: торцевой теплоотвод и боковой. Результаты приведены на рис. 2. Отметим, что аналитические выражения для термодеполяризации ранее [10] были получены в предположении, что гауссов пучок можно интегрировать по бесконечности, а не по апертуре кристалла, в результате в них нет зависи-

мости от диаметра пучка, однако в расчетах (штрих-пунктирная кривая) и измерениях (ромбы) слабая зависимость есть. Для торцевого теплоотвода (сплошная кривая и треугольники соответственно) зависимости пропорциональной четвертой степени диаметра пучка [10] не наблюдается, что связано с тем что диск - толстый, л = 0,54, поэтому не соответствует допущениям теории; в результате численного расчета, однако, удалось добиться хорошего согласия теории и эксперимента. Деполяризация существенным образом зависит от диаметра пучка и снижается более чем в 7 раз при увеличении его с 1,4 до 8 мм при торцевом теплоотводе и на 20% при боковом теплоотводе.

Рис 2 Зависимость нормированной деполяризации в диске ТГГ от диаметра пучка. Ромбы -боковой теплоотвод, треугольники - торцевой. Пунктирная линия - зависимость по аналитическим результатам для короткого стержня, штрих-пунктирная - расчетная зависимость для короткого стержня, сплошная - расчетная зависимость для толстого диска

Вторая глава посвящена исследованшо термонаведенной деполяризация в оптических элементах без аксиальной симметрии. Такие оптические элементы часто встречаются в мощных лазерных системах, однако аналитический расчет деполяризации в них сложен, а зачастую вовсе невозможен, поэтому для расчета термонаведенных искажений излучения была применена трехмерная численная модель, описанная в первой главе.

Первая часть второй главы посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию ИФ работающего с неполяризованным светом. Стандартные схемы ИФ работают с линейно поляризованным светом, а для работы с неполяризованным светом используют два магнитооптических элемента, через которые проходят пучки взаимно ортогональных линейных поляризаций гт

Эти элементы могут быть помещены как в одну магнитную систему [12], так и в разные [13], при этом ИФ фактически представляет собой два независимых вращателя Фарадея. В этой части работы предложена схема, впервые применяющаяся для мощных ИФ, где оба пучка с ортогональными поляриза-

циями проходят через один оптический элемент на определенном расстоянии друг от друга. Преимущество данной схемы заключается в том, что за счет взаимного теплового влияния пучков друг на друга уменьшатся градиент температуры и, как следствие, термонаведенная деполяризация. За счет оптимизации размеров МОЭ и расстояния между пучками можно получить выигрыш в деполяризации до 60% относительно схемы с двумя независимыми вращателями, что показано экспериментально и численно. В разделе приводятся результаты измерений деполяризации как при прохождении одного пучка по центру элемента (традиционная геометрия) так и при различных расстояниях между пучками. Результаты расчетов и экспериментов по измерению деполяризации в стекле МОС-04 без магнитного поля для различных расстояний между пучками при мощности излучения 250 Вт приведены на рис. 3. Оптимальным является расстояние между пучками в 8 мм. При этом деполяризация уменьшается в 5,2 раза по сравнению с одним пучком.

В магнитном поле при оптимальном расстоянии между пучхами 8 мм снижение деполяризации составило 6,4 раза относительно одного пучка (или же 1,6 раза по сравнению со схемой с двумя независимыми ИФ).

0 2 4 6 8 10 Расстояние между пучками, мм

Рис. 3. Зависимость нормированной деполяризации от расстояния между пучками без магнитного поля. Рассчитанная зависимость - сплошная кривая, экспериментальные точки - ромбы, на врезках - профили деполяризации при расстоянии между пучками а) 0 мм, б) 8 мм

Вторая часть второй главы посвящена термонаведенной деполяризация в «квадратной» геометрии оптического элемента и лазерного пучка. Пучки с квадратным поперечным сечением и большой средней мощностью довольно распространены. Это связано с рядом факторов: использование слэбовой геометрии АЭ для уменьшения проблем теплоотвода, использование керамических АЭ. Использование традиционных круглых ОЭ для таких пучков не оптимально, в этом разделе производится исследование термонаведенной

деполяризации в «квадратной» геометрии и оптимизация ОЭ под квадратные пучки.

На рис. 4 приведены результаты численного счета термодеполяризации для плоских (flat-top) пучков с круглым и квадратным поперечными профилями распределения интенсивности. Использование в мощных лазерах с квадратными пучками оптических элементов с квадратной апертурой позволяет существенно снизить термонаведенную деполяризацию (в 2,5 раза по сравнению с элементами с круглой апертурой и в 5 раз по сравнению с круглыми пучками проходящими через элементы с круглой апертурой при условии равенства диаметра пучка и диаметра элемента). Определены параметры (наклон входящей поляризации, ориентация кристалла) оптимизирующие термонаведенную деполяризацию в таких элементах. В разделе приводятся результаты модельных экспериментов с гауссовым пучком, пропущенным через квадратную диафрагму, подтверждающих численное моделирование.

щ

1.2 1.0 I |о-8

Л т § g.0.6

я I

К 3 0.4 а с о ш

X 0.2 0.0

ас

"be

ad

bd

0.5

Диаметр пучка

Рис. 4. Нормированная термодеполяризация в МОЭ круглого (а) и квадратного (Ь) сечения в зависимости от размера «круглого» flat-top (с) и «квадратного» flat-top (d) пучка

В третьей главе проводится исследование возможностей применения криогенного охлаждения для улучшения параметров лазерных устройств, в частности изоляторов Фарадея. Применение криогенного охлаждения позволяет улучшить параметры качества магнитооптических сред, в том числе постоянную Верде и теплопроводность, что радикальным образом уменьшает все термонаведенные эффекты.

В первой части третьей главы исследуются среды для мощных ИФ. Проводится сравнение сред по параметру магнитооптической добротности, исследуются температурные зависимости термооптических характеристик различных магнитооптических сред. Усовершенствование постоянных маг-

нитов и применение криогенного охлаждения позволяют рассматривать в качестве магнитоактивных те среды, которые обладают низкой постоянной Верде или неприменимы при комнатной температуре. Исследованы термона-веденные фазовые и поляризационные искажения излучения. Рассмотрены такие перспективные среды, как тербиевое стекло па основе борогерманатной матрицы и Tb(10 aT.%):CaF2. Эти среды могут быть использованы при создании ИФ для мощного излучения на недоступных для традиционно используемой среды тербий-галлиевого граната (ТГГ) длин волн "eye-safe" диапазона. Также в первой части третьей главы представлены результаты исследования перспективных керамик на основе ТГГ и тербий-алюминиевого граната (ТАГ), допированного церием. Постоянная Верде оптических керамик ТАГ и Се:ТАГ (0,01-0,1 ат. процент) больше чем у ТГГ как при комнатной температуре (20% и 36% соответственно), а при 80 К разница достигает 1,36 раз и 1,66 раз. Магнитооптические и термооптические свойства керамики ТГГ и кристалла ТГГ совпадают в диапазоне температур 80-300 К. Магнитооптическая добротность лучших образцов керамик ТАГ и Се:ТАГ составляет 0,92 и 1,57 от магнитооптической добротности керамики ТГГ, что показывает высокую перспективность этих керамик, особенно для широкоапертурных магнитооптических устройств, где применение кристаллов становится невозможным.

Во второй части третьей главы проводится исследование ИФ созданных на основе керамик ТАГ и Се:ТАГ. Впервые созданы ИФ на этих средах, в том числе и по схеме с компенсацией деполяризации. На магнитооптической керамике ТАГ была получена степень изоляции 38 дБ при 300 Вт излучения, фокусное расстояние тепловой линзы составляло около 8 метров. По оценкам 30 дБ изоляции будут обеспечиваться при киловаттном уровне мощности [14]. Для создания ИФнаСе:ТАГ был использован образец с содержанием церия 0,1% с большим поглощением, чем для оптимального содержания церия 0,05%, что позволило обеспечить степень изоляции лишь 31 дБ при мощности излучения 300 Вт. Также был создан ИФ на двух образцах Се:ТАГ с содержанием церия 0,1% по традиционной схеме компенсации деполяризации. По оценкам, такое устройство способно обеспечить степень изоляции >30 дБ при мощности излучения до 2 кВт. Также в третьей части третьей главы исследуется криогенный ИФ на основе керамики ТГГ, проводится его сравнение с ИФ на основе монокристаллов ТГГ. Показано, что в магнитном поле термонаведенная деполяризация в образце ТГГ керамики снижается более чем в 6 раз при охлаждении, а оптическая сила тепловой линзы более чем в 2 раза. С учетом укорочения оптического элемента ИФ из-за роста постоянной Верде при охлаждении выигрыш из-за охлаждения составляет около 35 раз по термонаведенной деполяризации и 5 раз по оптической силе тепловой линзы. Описанный в этом разделе диссертационной работы криогенный изолятор Фарадея на керамике ТГГ при мощности 450 Вт обеспечивает степень изоляции 28 дБ. При этом возникает тепловая

линза с оптической силой 0,6 м'1. Оптимизация параметров позволит увеличить мощность до 2 кВт, сохраняя степень изоляции 28 дБ.

Таким образом, керамика ТГГ не уступает кристаллу ТГГ в качестве среды для изоляторов Фарадея для лазеров с высокой средней мощностью, в том числе и при азотных температурах.

Криогенный ИФ на гадолиний-галлиевом гранате (ГГГ) был предложен в [15]. В четвертой части третьей главы приводятся результаты исследования возможностей его усовершенствования за счет создания схемы с внешней, одновременной компенсацией термонаведенной деполяризации и термолинзы с помощью стекла РК51. С помощью оптимального охлаждения стекла и ГГГ удалось добиться одновременной компенсации термодеполяризации и термонаведенной линзы в 6,3 и 3,5 раза соответственно. Следует отметить, что и ГГГ и стекло доступны с апертурой превышающей 10—15 см, что позволяет применять такую схему в мощных лазерных установках с высокими требованиями на отсутствие фазовых искажений.

В заключении обсуждаются результаты работы и перспективы использования полученных результатов. Также предлагается план дальнейших исследований.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Теоретически и экспериментально показана значительная зависимость термонаведенной деполяризации от отношения диаметра пучка к диаметру оптического элемента и отношения длины оптического элемента к его диаметру в переходных геометриях «короткий стержень» и «толстый диск». Также показано, что деполяризация зависит от отношения диаметра ОЭ и диаметра лазерного пучка как в случае торцевого теплоотвода, так и при боковом теплоотводе, однако в последнем случае зависимость значительно слабее и составляет десятки процентов, а не 5-10 раз при изменении диаметра от минимального к максимальному допустимому в этом ОЭ.

2. Предложена, экспериментально реализована и теоретически проанализирована схема ИФ на одном ОЭ, работающего с неполяризованным излучением высокой средней по времени мощности, разделенным на два пучка ортогональной поляризации. При этом термонаведенная деполяризация может быть уменьшена по сравнению со случаем прохождения двух пучков через независимые ОЭ за счет уменьшения градиента температуры в области между пучками. Реализовано увеличение степени изоляции устройства на 60% по сравнению со схемой изолятора Фарадея с двумя независимыми оптическими элементами.

3. Исследована термонаведенная деполяризация для лазерных пучков квадратного сечения в квадратных и круглых оптических элементах. Показано что использование в мощных лазерах квадратных пучков и оптических элементов с квадратной апертурой позволяет снизить термонаведенную де-

поляризация в 2,5 раза по сравнению с элементами с круглой апертурой и в 5 раз по сравнению с круглыми пучками, проходящими через элементы с круглой апертурой при условии оптимизации ориентации оптического элемента ([001] с осями параллельными граням элемента) и угла наклона входящей поляризации (по диагонали элемента, при параметре оптической анизо-тропии^>1).

4. Реализованы ИФ на магнитооптических керамиках ТГГ, ТАГ и Се:ТАГ работающие с высокой мощностью излучения. На этих средах были созданы ИФ с водяным охлаждением по классической схеме. На керамике ТАГ была получена степень изоляции 38 дБ при 300 Вт излучения, по оценкам 30 дБ изоляции будут обеспечиваться при киловаттном уровне мощности На ТГГ был созданы ИФ обеспечивающий степень изоляции 30 дБ при мощности до 340 Вт, и оценкой на тепловую линзу при этой же мощности в 6,5 м. Коэффициент поглощения керамики ТГГ составляет 1,4-10'3 см"1, что сопоставимо с поглощением современных образцов кристаллов ТГГ.

5. Создан и экспериментально исследован криогенный изолятор Фара-дея на ТГГ керамике; работающий при мощности лазерного излучения до 2 кВт. Измерены температурные зависимости тепловых эффектов в ТГГ керамике в диапазоне температур 88-293 К: термонаведенная деполяризация и тепловая линза. Продемонстрировано, что керамика ТГГ не уступает монокристаллу ТГГ в качестве среды для изоляторов Фарадея, в том числе криогенных.

6. Реализованы ИФ на керамике ТГГ и Се(0,05%):ТАГ с компенсацией термодеполяризации. Получена степень изоляции 39 дБ для ИФ на Се:ТАГ при 300 Вт лазерной мощности и 35 дБ для ИФ на ТГГ при 740 Вт лазерной мощности, что по оценкам должно обеспечить степень изоляции 30 дБ при ~2 кВт лазерной мощности.

7. Разработан и экспериментально реализован криогенный ИФ на основе ГГГ с одновременной компенсацией термонаведенных деполяризации и линзы с помощью стекла с отрицательным термооптическим коэффициентом. С помощью стекла FK51 была продемонстрирована компенсация термонаве-денной линзы в =3,5 раза с одновременной компенсацией термодеполяризации в 6,3 раза. По оценкам такое устройство способно работать с мощностью до 20 кВт.

Цитируемая литература

1. Giesen А., Hügel Я, Voss А„ Wittig К., Brauch U„ and Н. Opower Scalable concept for diode-pumped high-power solid-state lasers // Appl. Phys. B, vol 58, no. 5, p, 365-372, 1994.

2. Cai H., Zhou J., Zhao H., Qi Y, Qihong Lou, Jingxing Dong, and Wei Y. Continuous-wave and Q-switched performance of an Yb:YAG/YAG composite thin disk ceramic laser pumped with 970-nm laser diode// Chinese Opt. Lett., vol. 6, no. 11, p. 852-854, 2008.

3. Siidmeyer T., Krdnkel C„ Baer C. R. E., Heckl O. H., Saraceno C. J., Golling M„ Peters R„ Petermann K„ Huber G., and Keller U. High-power ultrafast thin disk laser oscillators and their potential for sub-100-femtosecond pulse generation// Appl. Phys. B Lasers Opt., vol. 97, no. 2, p. 281-295,2009.

4. Tokita S., Kawanaka J., Fujita M., Kawashima T„ and Izawa Y. Sapphire-conductive end-cooling of high power cryogenic Yb:YAG lasers// Appl. Phys. B, vol. 80, no. 6, p. 635-638,2005.

5. Rand D., Miller D„ Ripin D. J., and Fan T. Y. Cryogenic Yb3+ -doped materials for pulsed solid- state laser applications// Opt. Mater. Express, vol. 1, no. 3, pp. 434-450, 2011.

6. Slack G. A., Oliver D. W. Thermal conductivity of garnets and phonon scattering by rare-earth ions// Phys. Rev. B, vol. 4, no. 2, p. 592-609, 1971.

7. Wang B. S., Jiang H. H„ Zhang Q. L„ and Yin S. T. Thermal conductivity of garnet laser crystals// Proc. SPIE, vol. 6823, no. 2007, p. 68231P-68231P-9, 2007.

8. Popov P. A., Dukel'skiiK. V., Mironov I. A., Smirnov A. N.. Smolyanskii P. L., Fedorov P. P., Osiko V. V., andBasiev T. T. Thermal conductivity ofCaF2 optical ceramic// Dokl. Phys., vol. 52, no. 1, p. 7-9, Jan. 2007.

9. Aggarwal R. L., Ripin D. J., Ochoa J. R., and Fan T. Y. Thermo-optic properties of laser crystals in the 100-300 K temperature range: Y3A15012 (YAG), YAI03 (YALO) and LiYF4 (YLF)// in Nanobiophotonips and Biomedical Applications II, vol. 5707, p. 165-170,2005.

10. Mukhin I. B„ Khazanov E. A. Use of thin discs in Faraday isolators for highaverage-power lasers// Quantum Electron., vol. 34, no. 10, p. 973-978, 2004.

11. Zheleznov D. S., Khazanov E. A., Mukhin I. B„ and Palashov O. V Drastic reduction of heat release in magneto-optical elements: new ways towards a 100 kW average power Faraday isolator// Laser Optics 2006: Solid State Lasers and Nonlinear Frequency Conversion, vol. 6610. Proc. SPIE, p. 66100F-1-66100F-10, 2007.

12. Nicklaus K., Daniels M., Hohn R., and Hoffmann D. Optical isolator for unpolarized laser radiation at multi-kilowatt average power// Adv. Solid-State Photonics, p. 5-7, 2006.

13. Nicklaus K., hanger T. Faraday isolators for high average power fundamental mode radiation// Solid State Lasers XIX: Technology and Devices, 2010, vol. 7578, p. 75781U—75781U-10.

14. Zheleznov £>., Starobor A., Palashov O. High-power Faraday isolators based on TAG ceramics// Opt. Express, vol. 22, no. 3, p. 740-743,2014.

15. Starobor A. V., Zheleznov D. S„ Palashov O. V., and Khazanov E. A. Magnetoactive media for cryogenic Faraday isolators// JOSA B, vol. 28, no. 6, p. 1409-1415,2011.

Основные материалы диссертации опубликованы в работах:

A. Starobor А. V., Zheleznov D.S., Palashov О. V., Khazanov Е.А. Magnetoactive media for cryogenic Faraday isolators// JOSA B. 2011. Vol. 28 №6 P 14091415.

B. Starobor A. V., Zheleznov D.S., Palashov О. V. Compensation of Thermally Induced Distortions in a GGG-Based Cryogenic Faraday Isolator// IEEE J. Quantum Electron. 2012. Vol. 48, № 9. P. 1120-1127.

C. Yasuhara R., Snetkov I., Starobor A., Palashov 0., Terbium gallium garnet ceramic Faraday rotator for high-power laser application// Opt. Lett. 2014 Vol 39, №5. P. 1145-1148.

D. Zheleznov D„ Starobor A., Palashov O. High-power Faraday isolators based on TAG ceramics // Opt. Express. 2014. Vol. 22, № 3. P. 740-743.

E. Zheleznov £>., Starobor A., Palashov O., Lin H„ Zhou S. Improving characteristics of Faraday isolators based on TAG ceramics by cerium doping // Opt. Lett. 2014. Vol. 39, № 7. P. 2183-2186.

F. Starobor A., Yasuhara R„ Zheleznov £>., Palashov O., Khazanov E. Cryogenic Faraday Isolator Based of TGG ceramics// IEEE J. Quantum Electron 2014 Vol. 50, № 9. P. 749-754.

G. Starobor A. et al. Study of the properties and prospects of Ce:TAG and TGG magnetooptical ceramics for optical isolators for lasers with high average power// Opt. Mater. Express. 2014. Vol. 4, № 10. P. 2127.

H. Starobor A. V., Palashov О. V. Thermally-induced depolarization in the optical elements of the transition configuration// Laser Phys. Lett. 2014 Vol 11 № 12. P. 125003.

I. Mironov E.A., Starobor A. V., Voitovich A. V., Palashov О. V. A Faraday isolator with a square optical aperture//Opt. Commun 2014 Vol 338 №2 P 565-568. '

J. Starobor A. V., Palashov O.V Faraday isolator for high-power nonpolarized radiation// Opt. Commun. 2015, Vol. 354, P. 103-106.

K. Zheleznov D.S., Starobor A. V., Palashov О. V. Cryogenic faraday isolator with disk-shaped magnetooptical element// Proc. Laser Optics - 2010 St.Petersburg Russia, 2010, WeRl-p58.

L. Starobor A. V., Zheleznov D.S., Palashov O.V., Khazanov E.A. Novel magnetooptical mediums for cryogenic Faraday isolator// Proc. ICONO/LAT 2010 Kazan, Russia, 2010, LTuL23.

M. Starobor A. V., Zheleznov D.S., Palashov О. V. Simultaneous compensation of thermal effects in GGG-based cryogenic faraday isolator for lasers with high average power// Proc. Laser Optics - 2012 St. Petersburg, Russia, 2012, ThR4-

N. Starobor A. V, Zheleznov D.S., Palashov О. V. Double Channel Faraday Isolator with Single Optical Element for High-power Unpolarized Lasers// Proc. Laser Optics -2014, St. Petersburg, Russia, 2014, ThR2-20.

О. Starobor А. V., Palashov О. V Thermally induced depolarization in the optical elements of the transition configuration: thick disks and short rods//Proc. SPIE 9513, High-Power, High-Energy, and High-Intensity Laser Technology II, 95130L, 2015.

P. Старобор А.В., Железное Д.С., Палашов О.В., Хазанов Е.А. Новые магнитооптические среды для криогенного изолятора Фарадея// Анн. докладов студенческой конференции ВШОПФ ННГУ «ВП10ПФ'20Ю», Н. Новгород:ИПФ РАН, 2010, с. 20.

Q. Железное Д.С., Палашов О.В., Старобор А.В. Криогенный изолятор Фарадея с дисковым магнитооптическим элементом XVI Нижегородская сессия молодых ученых. Естественные науки, Н.Новгород: Гладкова О.В, 2011, С.61.

R. Старобор А.В., Железное Д.С., Палашов О.В. Новые магнитооптические среды для криогенного изолятора Фарадея// IV Всероссийская школа для студентов, аспирантов, молодых ученых и специалистов. Сборник докладов, г. Саров: ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», 2010, с. 230-237.

S. Старобор А.В., Железное Д.С., Палашов О.В. Криогенный изолятор Фарадея на дисковых магнитооптических элементах// V Всероссийская школа для студентов, аспирантов, молодых ученых и специалистов. Сборник докладов, г. Саров: ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», 2011, с. 338 -345.

Т. Железное Д.С., Старобор А.В. Криогенный изолятор Фарадея// XVI Нижегородская сессия молодых ученых. Естественные науки, Н.Новгород: Гладкова О.В, 2011, С.108

U. Супаробор А. В., Палашов О.В. Криогенный изолятор Фарадея на GGG с компенсацией термоэффектов // Нелинейные волны-2012.16-я научная школа. Нижний Новгород : ИПФ РАН, 2012. С. 128.

V. Старобор А. В., Палашов О.В. Компенсаторы для оптических изоляторов в мощных лазерах// XVII Нижегородская сессия молодых ученых. Естественные, математические науки, Н.Новгород: НИУ РАНХиГС, 2012, С77.

W. Старобор А.В., Железное Д.С., Палашов О.В. Магнитоактивная керамика TAG и Ce:TAG для мощных изоляторов Фарадея// XVIII Нижегородская сессия молодых ученых. Естественные, математические науки, Н.Новгород: НИУ РАНХиГС, 2013, С82.

X. Starobor А. V., Zheleznov D. S., Palashov О. V., Chen С., Zhou S.M. Application of TAG and Ce:TAG optical ceramics in high-power Faraday isolators// Advanced Solid-State Lasers Congress, G. Huber and P. Moulton, eds., OSA Technical Digest (2013), paper AM4A.37.

Y. Starobor A. V., Zheleznov D.S., Palashov О. V., Chen C„ Zhou S.M., Yasuhara R. Research of properties and prospects of Ce:TAG and TGG magnetooptical ceramics for optical isolators for lasers with high average power// 9th Laser Ceramics Symposium, B-2, Daejeon, South Korea, 2013.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Введение 3

Глава 1. Исследование влияния переходной геометрии оптического элемента на термонаведенные искажения 20

1.1.Влияние соотношения диаметра элемента и его длины

на термонаведенную деполяризацию в геометрии «короткий стержень» 27

1.2. Зависимость термонаведенной деполяризации от диаметра пучка

в «коротком стержне» и «толстом диске» 34

Глава 2. Термонаведенная деполяризация в ОЭ без аксиальной симметрии 38

2.1. Исследование термонаведенной деполяризации при прохождении двух лазерных пучков через один элемент 39

2.2. Термонаведенная деполяризация в «квадратной» геометрии 46

Особенности термонаведенной деполяризации излучения с квадратным поперечным профилем интенсивности 47

Глава 3. Использование новых сред для улучшения параметров лазерных устройств 52

3.1. Исследование магнитооптических и термооптических характеристик сред в диапазоне температур 80-300 К 54

3.2. ИФ на основе керамик ТГГ и ТАГ 82

3.3. Криогенный ИФ на керамике ТГТ 84

3.4. КИФ на гадолиний-галлиевом гранате (ГТГ) с одновременной компенсацией термонаведенной деполяризации и термолинзы 93

Заключение 109

Список литературы 113

СТАРОБОР Алексей Викторович

ТЕРМОНАВЕДЕННАЯ ДЕПОЛЯРИЗАЦИЯ В ЛАЗЕРНЫХ ОПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТАХ СЛОЖНОЙ ГЕОМЕТРИИ С ПРОИЗВОЛЬНЫМ АСПЕКТНЫМ ОТНОШЕНИЕМ

Автореферат

Подписано к печати 03.07.2015 г. Формат 60x90 1/16. Усл. печ. л. 1,25. Тираж 100 экз. Заказ №65 (2015).

Отпечатано в типографии Института прикладной физики РАН 603950, г. Н. Новгород, ул. Ульянова, 46