eng
Лазер способен выполнять прецизионные задачи, воздействуя на материалы в пределах очень малого пространства, даже имеющего размеры на уровне дифракционного ограничения. Так что управление мощностью лазерного излучения является важной составляющей работы по оптимизации мощного излучения. В статье рассмотрены различные методы управления мощностью излучения твердотельных лазеров.
Теги: methods to control the power of solid state lasers методы управление мощностью излучения твердотельных лазеров
Самый простой способ управления выходной мощностью лазера заключается в изменении мощности накачки. В твердотельных лазерах с диодной накачкой (DPSS) мощность регулируется изменением тока диода. Однако такой способ не может обеспечить плавного и непрерывного управления мощностью по нескольким причинам. Дело в том, что изменение тока лазерного диода инициирует в нем температурный сдвиг, а это уже приводит к изменению ширины запрещенной зоны. Что соответственно ведет к сдвигу центральной длины волны излучения накачки и влияет на генерацию активной среды твердотельного лазера. В случае непрерывного режима работы лазера эта последовательность событий приводит к флуктуациям выходной мощности излучения, что требует времени для ее стабилизации. Если лазер работает в импульсном режиме (например, в схеме с пассивной модуляцией добротности), то помимо флуктуации выходной мощности происходит изменение частоты повторения и длительности импульсов. Более того, когда ток лазерного диода накачки варьируется в процессе работы, возникают дополнительные эффекты, создающие предпосылки для ухудшения параметров лазера [1]. Таким образом, способ изменения мощности лазера путем изменения тока накачки диода приемлем только для тех приложений, где резкие флуктуации мощности не оказывают существенного влияния на результат работы.
Еще более популярным методом управления мощностью лазера стало использование дополнительных устройств. Например, поглощающих нейтральных стеклянных фильтров, используемых для ослабления лучей с относительно малой мощностью. Эти фильтры стали довольно эффективными устройствами управления для излучения плотностью энергии до 1 Дж/см 2 в пределах наносекундного режима работы. Нейтральные фильтры обеспечивают достаточное затухание в широком спектральном диапазоне: от УФ- до ближнего ИК-диапазона. Существуют близкие им по своим свойствам светоотражающие нейтральные фильтры, которые покрыты слоем металла. Эти фильтры пропускают лишь часть излучения, отражая или поглощая все остальное. Преимущество металлического полуотражающего покрытия состоит в том, что существует возможность наносить металлический слой, имеющий градиент по толщине, что позволяет непрерывно изменять пропускание вдоль поперечного сечения фильтра.
Генераторы с поляризованным выходным излучением позволяют управлять своей выходной мощностью путем варьирования поляризации (рис.1). Управление осуществляется с помощью поляризационного вращателя и поляризатора. В качестве поляризационного вращателя обычно используют волновую пластинку или электрооптический модулятор, которые поворачивают плоскость входной поляризации. Далее луч, проходя через поляризатор, разделяется на два отдельных луча с S- и P- поляризацией. Отношение интенсивности между входным и выходным лучами контролируется с помощью волновой пластинки или электрооптического модулятора. Электрооптический модулятор может повернуть поляризацию входного луча на 90° в пределах десятых долей пикосекунд [2]. Это позволяет применять его в тех случаях, когда требуется получить одиночные лазерные импульсы или необходимо использовать схему генератора с модуляцией добротности. Однако такое управление происходит за счет включения в систему управления сложного контроллера, который должен выдерживать напряжения в несколько киловольт. Таким образом, электрооптический модулятор используется только для приложений, где обязательным условием является требование быстрого переключения между состояниями S- и P-поляризации. Если в качестве поляризационного вращателя используется волновая пластинка (рис.2), то ее можно вращать вручную, но это замедляет поворот поляризации. Однако существует механический способ, который может обеспечить поворот между S- и P-состояниями в пределах нескольких сотых долей миллисекунды. Существует огромное разнообразие поляризационной оптики, коммерчески доступной на рынке, что позволяет собрать аттенюатор с определенными особенностями для конкретных приложений. Например – поляризационный светоделитель, он служит для разделения пучка на лучи с S- и P-поляризацией, распространяющиеся под углом 90°. Наоборот, если требуется получить параллельные лучи с S- и P-поляризацией, то можно использовать два параллельных поляризатора, имеющих грани с углом Брюстера. Для фемтосекундных лазеров – широкополосная оптика, к примеру, ахроматические волновые пластины или поляризаторы с углом падения в 72° будут способствовать сохранению длительности импульса. Для средней ИК-области подходят соответствующие волновые пластины и призмы Глана, изготовленные из вандата иттрия, а также из теллура, выполняющие роль поляризаторов. Аттенюаторы, основанные на принципе управления поляризацией ,имеют многочисленные преимущества по сравнению с другими методами управления мощностью лазерного излучения: широкий диапазон ослабления излучения от 0,04 до 99%, и, что является не менее маловажным, – порог разрушения оптики высок и составляет плотность мощности 20 Дж/см 2 [3]. Однако подчеркнем, что данный метод управления мощностью подходит только для лазеров с поляризованным излучением.
Источники с неполяризованным светом также имеют несколько вариантов, с помощью которых можно ослабить их излучение. Ниже будет рассмотрен принцип аттенюатора, основанный на френелевском отражении. Принимая во внимание, что мощность определяется как квадрат амплитуды (P=A2), получаем, что при отражении излучения на границе двух сред мощность отраженного излучения на границе раздела между двумя прозрачными однородными средами определяется следующими уравнениями [4]:
где Rs и Rp – мощность отраженного излучения с S- и P-поляризацией, n1 и n2 – показатели преломления сред по разные стороны от границы раздела, θ1 – угол падения, θ2 – угол преломления.
Данный аттенюатор состоит из двух стеклянных пластин без покрытия, расположенных V-образно друг к другу (рис.3). Так как френелевское отражение зависит от угла падения излучения, то, изменяя угол между пластинами, можно добиться изменения мощности проходящего излучения. Так как пластины не имеют покрытия, то порог их повреждения лазерным излучением определяется как порог разрушения стекла, из которого они изготовлены, что делает данный аттенюатор наиболее устойчивым к разрушению лазером. Другим отличительным признаком этой конструкции является ее использование в широком диапазоне спектра. Таким образом, существует возможность управлять мощностью источников с широким спектром излучения. Тем не менее, основным недостатком такого аттенюатора является то, что он не может использоваться со сверхбыстрыми источниками из-за относительно толстой дисперсионной среды, которая приводит к временному удлинению импульсов. Другим недостатком является потеря мощности излучения при прохождении через пластины. Так как эффекта френелевского отражения избежать невозможно (к примеру, УФ-кремниевые пластины отражают более 3% падающего излучения на длине волны 1064 нм под прямым углом падения (рис.4) [5]), то максимальное пропускание такой системы составляет обычно не более 90%. Также стоит отметить, что при прохождении через аттенюатор луч становится поляризованным, и чем выше ослабление мощности, тем больше доля P-поляризации излучения на выходе.
Таким образом, внешними устройствами управления мощностью лазерного излучения являются:
• Устройства, не чувствительные к поляризации падающего излучения:
• различные нейтральные фильтры,
• аттенюаторы, основанные на френелевском отражении.
• Устройства, чувствительные к поляризации падающего излучения:
• электрооптический модулятор + поляризатор,
• волновая пластинка + поляризатор.
Компания Altechna предлагает следующие аттенюаторы с плавной регулировкой мощности:
• круговые нейтральные фильтры,
• волновая пластинка с ручным управлением + поляризатор,
• моторизованная волновая пластина + поляризатор.
Компания "ОЭС Спецпоставка" является официальным представителем компании Altechna в России.
Литература
1. photonics.gsfc.nasa.gov/tva/meldoc/sources1.pdf
2. www.rp-photonics.com/cavity_dumping.html?s=ak
3. www.altechna.com/lidt
4. www.rp-photonics.com/fresnel_equations.html
5. refractiveindex.info/?shelf=glass&book=fused_silica&page=Malitson
Еще более популярным методом управления мощностью лазера стало использование дополнительных устройств. Например, поглощающих нейтральных стеклянных фильтров, используемых для ослабления лучей с относительно малой мощностью. Эти фильтры стали довольно эффективными устройствами управления для излучения плотностью энергии до 1 Дж/см 2 в пределах наносекундного режима работы. Нейтральные фильтры обеспечивают достаточное затухание в широком спектральном диапазоне: от УФ- до ближнего ИК-диапазона. Существуют близкие им по своим свойствам светоотражающие нейтральные фильтры, которые покрыты слоем металла. Эти фильтры пропускают лишь часть излучения, отражая или поглощая все остальное. Преимущество металлического полуотражающего покрытия состоит в том, что существует возможность наносить металлический слой, имеющий градиент по толщине, что позволяет непрерывно изменять пропускание вдоль поперечного сечения фильтра.
Генераторы с поляризованным выходным излучением позволяют управлять своей выходной мощностью путем варьирования поляризации (рис.1). Управление осуществляется с помощью поляризационного вращателя и поляризатора. В качестве поляризационного вращателя обычно используют волновую пластинку или электрооптический модулятор, которые поворачивают плоскость входной поляризации. Далее луч, проходя через поляризатор, разделяется на два отдельных луча с S- и P- поляризацией. Отношение интенсивности между входным и выходным лучами контролируется с помощью волновой пластинки или электрооптического модулятора. Электрооптический модулятор может повернуть поляризацию входного луча на 90° в пределах десятых долей пикосекунд [2]. Это позволяет применять его в тех случаях, когда требуется получить одиночные лазерные импульсы или необходимо использовать схему генератора с модуляцией добротности. Однако такое управление происходит за счет включения в систему управления сложного контроллера, который должен выдерживать напряжения в несколько киловольт. Таким образом, электрооптический модулятор используется только для приложений, где обязательным условием является требование быстрого переключения между состояниями S- и P-поляризации. Если в качестве поляризационного вращателя используется волновая пластинка (рис.2), то ее можно вращать вручную, но это замедляет поворот поляризации. Однако существует механический способ, который может обеспечить поворот между S- и P-состояниями в пределах нескольких сотых долей миллисекунды. Существует огромное разнообразие поляризационной оптики, коммерчески доступной на рынке, что позволяет собрать аттенюатор с определенными особенностями для конкретных приложений. Например – поляризационный светоделитель, он служит для разделения пучка на лучи с S- и P-поляризацией, распространяющиеся под углом 90°. Наоборот, если требуется получить параллельные лучи с S- и P-поляризацией, то можно использовать два параллельных поляризатора, имеющих грани с углом Брюстера. Для фемтосекундных лазеров – широкополосная оптика, к примеру, ахроматические волновые пластины или поляризаторы с углом падения в 72° будут способствовать сохранению длительности импульса. Для средней ИК-области подходят соответствующие волновые пластины и призмы Глана, изготовленные из вандата иттрия, а также из теллура, выполняющие роль поляризаторов. Аттенюаторы, основанные на принципе управления поляризацией ,имеют многочисленные преимущества по сравнению с другими методами управления мощностью лазерного излучения: широкий диапазон ослабления излучения от 0,04 до 99%, и, что является не менее маловажным, – порог разрушения оптики высок и составляет плотность мощности 20 Дж/см 2 [3]. Однако подчеркнем, что данный метод управления мощностью подходит только для лазеров с поляризованным излучением.
Источники с неполяризованным светом также имеют несколько вариантов, с помощью которых можно ослабить их излучение. Ниже будет рассмотрен принцип аттенюатора, основанный на френелевском отражении. Принимая во внимание, что мощность определяется как квадрат амплитуды (P=A2), получаем, что при отражении излучения на границе двух сред мощность отраженного излучения на границе раздела между двумя прозрачными однородными средами определяется следующими уравнениями [4]:
где Rs и Rp – мощность отраженного излучения с S- и P-поляризацией, n1 и n2 – показатели преломления сред по разные стороны от границы раздела, θ1 – угол падения, θ2 – угол преломления.
Данный аттенюатор состоит из двух стеклянных пластин без покрытия, расположенных V-образно друг к другу (рис.3). Так как френелевское отражение зависит от угла падения излучения, то, изменяя угол между пластинами, можно добиться изменения мощности проходящего излучения. Так как пластины не имеют покрытия, то порог их повреждения лазерным излучением определяется как порог разрушения стекла, из которого они изготовлены, что делает данный аттенюатор наиболее устойчивым к разрушению лазером. Другим отличительным признаком этой конструкции является ее использование в широком диапазоне спектра. Таким образом, существует возможность управлять мощностью источников с широким спектром излучения. Тем не менее, основным недостатком такого аттенюатора является то, что он не может использоваться со сверхбыстрыми источниками из-за относительно толстой дисперсионной среды, которая приводит к временному удлинению импульсов. Другим недостатком является потеря мощности излучения при прохождении через пластины. Так как эффекта френелевского отражения избежать невозможно (к примеру, УФ-кремниевые пластины отражают более 3% падающего излучения на длине волны 1064 нм под прямым углом падения (рис.4) [5]), то максимальное пропускание такой системы составляет обычно не более 90%. Также стоит отметить, что при прохождении через аттенюатор луч становится поляризованным, и чем выше ослабление мощности, тем больше доля P-поляризации излучения на выходе.
Таким образом, внешними устройствами управления мощностью лазерного излучения являются:
• Устройства, не чувствительные к поляризации падающего излучения:
• различные нейтральные фильтры,
• аттенюаторы, основанные на френелевском отражении.
• Устройства, чувствительные к поляризации падающего излучения:
• электрооптический модулятор + поляризатор,
• волновая пластинка + поляризатор.
Компания Altechna предлагает следующие аттенюаторы с плавной регулировкой мощности:
• круговые нейтральные фильтры,
• волновая пластинка с ручным управлением + поляризатор,
• моторизованная волновая пластина + поляризатор.
Компания "ОЭС Спецпоставка" является официальным представителем компании Altechna в России.
Литература
1. photonics.gsfc.nasa.gov/tva/meldoc/sources1.pdf
2. www.rp-photonics.com/cavity_dumping.html?s=ak
3. www.altechna.com/lidt
4. www.rp-photonics.com/fresnel_equations.html
5. refractiveindex.info/?shelf=glass&book=fused_silica&page=Malitson
Отзывы читателей
