Дипломная работа студента 5 курса ЛЕОНЕНИ Максима Сергеевича Руководитель: ст. научн. сотр., канд. физ.-мат. наук, доцент ЖУКОВСКИЙ В.В. Рецензент: зав. каф. радиофизики, доктор физ.-мат. наук, профессор РУДНИЦКИЙ А.С.

o Цель исследования Цель исследования o Физические основы уменьшения габаритных размеров лазерных источников излучения Физические основы уменьшения габаритных размеров лазерных источников излучения o «Zig-zag» slab-лазеры на полном внутреннем отражении «Zig-zag» slab-лазеры на полном внутреннем отражении o «Zig-zag» slab-лазеры в виде усеченной призмы «Zig-zag» slab-лазеры в виде усеченной призмы o «Zig-zag» лазеры в форме усеченной трехгранной пирамиды «Zig-zag» лазеры в форме усеченной трехгранной пирамиды o «Zig-zag» лазеры с выносным зеркалом «Zig-zag» лазеры с выносным зеркалом o Анализ энергетических характеристик «zig-zag» лазеров на основе плоской усеченной призмы Анализ энергетических характеристик «zig-zag» лазеров на основе плоской усеченной призмы o Определение оптимальных параметров оптического резонатора Определение оптимальных параметров оптического резонатора o Анализ энергетических характеристик «zig-zag» лазеров от формы и размера активного элемента Анализ энергетических характеристик «zig-zag» лазеров от формы и размера активного элемента o Анализ энергетических характеристик «zig-zag» лазеров от формы и размера активного элемента Анализ энергетических характеристик «zig-zag» лазеров от формы и размера активного элемента o Сравнение энергетических характеристик «zig-zag» лазеров и лазера с резонатором Фабри-Перо Сравнение энергетических характеристик «zig-zag» лазеров и лазера с резонатором Фабри-Перо o Основные результаты и выводы Основные результаты и выводы o Патенты и заявки Патенты и заявки

Разработка малогабаритных лазеров с зигзагообразным ходом луча с учетом физических параметров активной среды и конструктивных особенностей оптического резонатора. Задачи исследования: обосновать возможности уменьшения габаритных размеров лазерных источников излучения за счет совершенствования их конструкции с учетом параметров различных активных сред; предложить конструкцию активного элемента твердотельного лазера с диодной накачкой на основе плоской усеченной призмы; получить аналитические выражения коэффициентов вредных и полезных потерь в резонаторе, мощности, генерируемой в единице объема активного вещества, и выходящего оптического потока для плоского «zig-zag» лазера; определить оптимальные параметры оптического резонатора с зигзагообразным ходом луча в активном элементе в виде плоской усеченной призмы; предложить конструкции малогабаритных «zig-zag» лазеров, в которых возможно управление режимами работы и характеристиками излучения.

Амплитудное условие генерации: ρ – коэффициент вредных потерь; – коэффициент полезных потерь; L – длина резонатора r 1,r 2 – коэффициенты отражения зеркал резонатора Фабри-Перо k – коэффициент усиления в активной среде; Из амплитудного условия генерации видно, что проблема миниатюризации решается лишь в средах с высоким коэффициентом усиления: Полупроводники; высококонцентрированные твердотельные среды.

l – длина пути луча от точки А до точки В в активном элементе; n – показатель преломления материала активного элемента. Применение резонатора с зигзагообразным ходом луча позволяет осуществить: более эффективный отбор энергии от возбужденных частиц за счет увеличения длины пути луча l в активном элементе лазера уменьшение влияния технологических и термических неоднородностей на качество пучка лазерного излучения уменьшение габаритов лазера за счет увеличения длины одного прохода излучения в активном элементе

а)б) Оптическая схема трёхзеркального резонатора лазера и хода луча в нём (а) и лазер с планарной геометрией активного элемента (б)

Число отражений Объем V активного элемента Длина луча в активном элементе l Длина L зеркала 2 1 – φ=1 0 ; 2 – φ=5 0 ; 3 – φ=10 0 ; 4 – φ=20 0 ; 5 – φ=30 0. Зависимость числа отражений N от угла α при различных значениях угла φ 1 – α=5 0 ; 2 – α=2 0 ; 3 – α=1 0 ; 4 – α=0,5 0. Зависимость отношения l/L от угла φ при различных значениях угла α

Лазер с активным элементов в виде усеченной трехгранной пирамиды

а)б) Твердотельный (а) и жидкостный (б) «zig-zag» лазер с выносным зеркалом: 1 и 2 – высокоотражиющие боковые грани; 3 – прозрачная для излучения грань; 4 – выносное зеркало; 5 – управляющий элемент. «Zig-zag» лазер в форме усеченной трехгранной пирамиды с выносным зеркалом: 1 – активный элемент; 2 – оптический элемент; 3 – выносное зеркало. В конструкциях с выносным зеркалом реализуется эффективное управление временными, спектральными и энергетическими характеристиками генерируемого излучения

Средняя во времени мощность излучения лазера с резонатором Фабри-Перо: где v – скорость света в активной среде; β – параметр нелинейности; k 0 и ρ – коэффициенты усиления и вредных потерь; r 1 и r 3 – коэффициенты отражения зеркал; L и s – длина пути луча в активном элементе и площадь его сечения; – полезные потери. В активной среде «zig-zag» лазера проявляются дополнительные потери при отражении излучения на зеркалах 1 и 2 с одинаковыми средними коэффициентами отражения r: Средняя во времени мощность излучения «zig-zag» лазера:

Удельная мощность излучения «zig-zag» лазера: Дифференцируя удельную мощность S уд по и приравнивая производную к нулю Оптимальное значение r 3 при заданных k 0, ρ и l, обеспечивающее максимальную мощность излучения «zig-zag» лазера: Оптимизированное по коэффициенту отражения выходного зеркала выражение для расчета удельной мощности S уд излучения «zig-zag» лазера:

Параметры активной среды на стекле: β = 0,110 7 см 3 /Дж, ρ = 0,01 см -1, k 0 = 0.15 cм -1 Зависимость потерь ρ * от угла φ при значениях угла α = 0,1 0 (1), α = 0,5 0 (2), α = 1 0 (3), α = 2 0 (4), α = 5 0 (5) Зависимость мощности S уд от угла φ при значениях угла α = 0,1 0 (1), α = 0,5 0 (2), α = 1 0 (3), α = 2 0 (4), α = 5 0 (5)

Приближенное значение длины l пути луча в активном элементе Зависимость энергетических потерь ρ * от коэффициента отражения r зеркал 1 и 2 и числа отражений N Зависимость мощности S уд от коэффициента отражения r зеркал 1 и 2 и числа отражений N

«Zig-zag» лазер выигрывает в мощности и излучения при значениях угла φ

1.Установлено, что миниатюризация лазерных источников излучения возможна за счет использования сред с высоким усилением и совершенствования конструкции лазерного резонатора. 2.Из амплитудного условия генерации следует, что возрастающие при уменьшении длины активного элемента лазера полезные потери могут быть компенсированы лишь в средах с высоким коэффициентом усиления (полупроводники, высококонцентрированные твердотельные среды). 3.Обоснована конструкция малогабаритного высокотехнологичного активного элемента твердотельного неодимового лазера в виде плоской усеченной призмы с диодной накачкой от матриц на основе тройных соединений GaAlAs. 4.Уточнены значения коэффициента полезных потерь из трехзеркального оптического резонатора «zig-zag» лазера и коэффициента вредных потерь, в котором кроме материальных потерь на поглощение и рассеяние в матрице активного вещества учтены потери на выход излучения через неидеальные отражающие зеркала, обеспечивающие зигзагообразный ход луча в резонаторе. 5.Получены аналитические выражения оптимальных параметров резонатора, удельной мощности и выходящего потока для «zig-zag» лазера на основе плоской усеченной призмы. 6.Методом сравнения доказано, что при одинаковых длине и толщине активного элемента, а также размерах апертуры выходного излучения для определенной формы плоской усеченной призмы плотность мощности излучения «zig-zag» лазера на выходном зеркале будет больше, чем в случае лазера с резонатором Фабри- Перо, за счет увеличения объема активного вещества, работающего на внешний выход. 7.Предложены и запатентованы конструкции малогабаритных лазеров с зигзагообразным ходом луча в оптическом резонаторе и выносным зеркалом, в которых возможно внутрирезонаторное управление режимами работы и характеристиками излучения.

Patent U.S Multiple international reflection face pumped laser / W. S. Martin and J. P. Chernoch Патент на изобретение 7237 Респ. Беларусь, МПК H01S 3/06 / Твердотельный лазер// Л.Н.Орлов, Я.И.Некрашевич, В.В.Жуковский. // Опубл Афіцыйны бюлетэнь (46). с.232. Патент на изобретение Респ. Беларусь, МПК H 01S 3/00 / Твердотельный лазер // В.В. Жуковский, Н.В. Тарасенко, И.С. Манак, М.С. Леоненя // а ; заявл ; опубл. Афіцыйны бюлетэнь (64). С.27. Заявка на изобретение /28 Российская Федерация, МПК H 01S 3/00 / Твердотельный лазер // В.В. Жуковский, И.С. Манак, М.С. Леоненя, Н.В. Тарасенко./ Получено уведомление Федерального института промышленной собственности РФ о положительном результате формальной экспертизы – Патент на полезную модель 4919 Респ. Беларусь, МПК H 01S 3/00 / Жидкостный лазер // В.В. Жуковский, И.С. Манак, М.С. Леоненя, Н.В. Тарасенко // и ; заявл ; опубл. Афіцыйны бюлетэнь (65). С Патент на полезную модель 5966 Респ. Беларусь, МПК H 01S 3/00 / Твердотельный лазер // В.В. Жуковский, И.С. Манак, М.С. Леоненя.