Меню

Стабилизация мощности излучения полупроводниковых лазеров



Стабилизация полупроводниковых лазеров с использованием объемных голографических решеток Брэгга

В современной медицине и обработке материалов получили широкое применение многомодовые полупроводниковые лазеры с высокими показателями выходной оптической мощности — более 1 Вт. Используются они и для накачки твердотельных лазеров. Также используются стеки данных лазеров, имеющих высокую выходную мощность, достигающую показателей в десятки и даже сотни Ватт. Спрос на подобные лазеры очень велик и постоянно увеличивается.

Типовым показателем лазеров на основе полупроводников является один Ватт оптической мощности с площади эмиттера 100 x 1 мкм 2. Но это далеко не предел. Есть лазеры, получающие до 4 Вт с той же площади эмиттера.

Но при эксплуатации полупроводниковых лазеров есть и свои проблемы. Одна из основных – трудности с контролем спектральных характеристик. Стандартный предел точности при установке рабочей волны составляет плюс/минус 3 нм. Полная ширина при полувысоте линии спектра составляет приблизительно те же 3 нм. При этом длина рабочей волны зависит от температуры. Температурный коэффициент равняется отношению dλ/dT и составляет 0.3 нм на 1 градус по Цельсию. Ещё одна проблема – постепенное смещение рабочих длин в длинноволновую часть спектра из-за чего срок эксплуатации оборудования ограничивается 10 тыс. часов. С учетом же достаточно высокой стоимости полупроводниковых лазеров достаточно актуальным является вопрос повышения их срока службы.

Одним из решений указанных выше проблем стала технология, разработанная американской компанией PD-LD, основанная на использовании патентованных объёмных голографических решеток Брэгга. Результатом её внедрения стало существенная оптимизация спектральных характеристик, достигнутая благодаря фиксации и уменьшению ширины рабочих длин волн полупроводниковых лазеров.

Применение Брэгговских решеток (Б. Р.) даёт возможность сужать полосу излучения многомодовых лазерных диодов и линеек лазеров, точно настраивать рабочую длину волн и значительно уменьшить зависимость от температурного воздействия. Мощные полупроводниковые лазеры с решетками Брэгга позволят достичь больших результатов при решении стоящих перед ними задач.

Большинство ныне используемых методик создания объемных дифракционных решеток базируется на применении бихромированного желатина, которому отводится роль светочувствительного материала. Есть и решения, основанные на применении фоторефрактивных полимеров или электрооптических кристаллов. В сравнении с ними объёмная Б. Р. имеет более стабильный голографический фильтр, как по физическим, так и по химическим параметрам. Причина – использование неорганических фоторефрактивных стекол с изменяемым преломлением под действием ультрафиолета. Диоксид кремния, являющийся основой стекла, намного более стабилен бихромированного желатина и др. используемых для создания дифракционных решеток материалов.

Исследования показали, что характеристики Брэгговских решеток остались стабильными при росте температуры до 200 °C. Основные физические параметры — химическая стабильность, твердость и предел оптического разрушения сходны с параметрами широко используемых оптических стекол, таких как например BK7. Помимо этого, часто применяются решетки с толщиной от 0.5 до 10 мм, что значительно превышает толщину желатиновых пленок, составляющую менее 0.05 мм.

Применение объемных Б. Р. даёт возможность создать луч с очень узкой спектральной линией при ширине от 0,05 до 0,5 нанометров. Благодаря возможности высокоточной настройки длины волны лазерного луча и её стабильности в течение всего периода эксплуатации использование решеток Брэгга влечет за собой и солидную финансовую выгоду. Увеличивается и оптическая мощность производственных лазеров с заданной длиной волны, что позволяет начать крупносерийный выпуск мощных полупроводниковых лазеров.

Объёмные Б. Р. могут применяться в мощных полупроводниковых лазерах и для корректировки спектра излучения. С их помощью можно «вынудить» лазер работать в определенном спектральном диапазоне, который задаётся характеристиками Б. Р. При этом рабочая длина волны объёмной решетки устанавливается с гораздо более высокой точностью, чем у луча полупроводникового лазера.

Читайте также:  Формула мощность электродвигателя центробежного насоса

Данное решение, основанное на волоконных Б. Р., используется для стабилизации по длине волны лазера с рабочим параметром в 980 нм используемых для накачки оптоволоконных усилителей. Но основным условием здесь является стыковка лазера с оптоволокном и, соответственно, строгое использование одного лазера на одно волокно. Применение объёмных Б. Р. не требует стыковки лазера и оптоволокна, что позволяет одновременно стабилизировать по длине волны целую группу лазеров, используя одну решетку. Помимо этого объёмная Б. Р. даёт возможность сохранить оптическую мощность группы лазеров.

На современном рынке мощных полупроводниковых лазеров есть разработки, направленные на стабилизацию длины волны и сужение излучаемого спектра. Но в их основе лежит применение сложных оптических модулей, в конструкцию которых входят линзы, зеркала и дифракционные решетки. В отличии от них, Брегговская решетка позволяет достичь того же результата с помощью одного фоторефрактивного стекла и цилиндрической линзы. Последняя и без этого является важным компонентом стека полупроводниковых лазеров, и применение объёмных Б. Р. практически не изменило габариты системы. Благодаря максимальной простоте данной методики она является очень перспективной и коммерчески успешной.

Использование Брэгговской решетки для стабилизации полупроводниковых лазеров открывает новые перспективы по их использованию в новых направлениях. В частности – это расширение сферы использования в медицине, накачка твердотельных лазеров для исследований поверхности земли и в научных исследованиях.

Источник

VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум — 2016

СТАБИЛИЗАЦИЯ МОЩНОСТИ ИЗЛУЧЕНИЯ ЛАЗЕРА.

Для многих задач контроля качества оптических волокон и метрологии требуется лазеры с высокой долговременной стабильностью мощности излучения. Существующие методы затрагивают только стабилизацию электрической мощности блока питания. Между тем изменение параметров окружающей среды (прежде всего температуры) приводит к изменению характеристик излучателя (например, за счет частичной разъюстировки), что ведет к уменьшению выходной мощности. В данной статье предлагается способ стабилизации мощности излучения лазера, основанный на явлении самодефокусировки лазерного пучка, проходящего через среду с отрицательной величиной ∂n/∂T.

Рис. 1. Принципиальная схема установки.

Принципиальная схема установки приведена на рис.1. Лазерный пучок фокусируется линзой 2 в кювету 3 содержащую жидкость (например, ацетон). Частичное поглощение излучения приводит к выделению тепла и росту температуры жидкости. Происходит изменение показателя преломления жидкости Δn=∂n/∂T ·ΔT. Т.к. распределение интенсивности по сечению лазерного пучка неоднородно, то и изменение показателя преломления в разных точках будет различным. В случае одномодового лазера вблизи оси пучка изменение показателя преломления происходит по квадратичному закону. Такая структура аналогична рассеивающей линзе (т.к. ∂n/∂Ttc:

Изменение диаметра пучка в дальней зоне. Мощность излучения на выходе стабилизатора.

Для гауссового пучка с радиусом перетяжки w радиус пучка W на экране в дальней зоне (расстояние до перетяжки ) может быть найден как

Если такой пучок с исходной мощностью Р пропустить через диафрагму радиусом а, то мощность пучка после диафрагмы будет

Прохождение пучка через линзу приводит к изменению радиуса кривизны волнового фронта R. Размер и положение перетяжка нового пучка меняются, следовательно, изменятся W и P1. Для расчета параметров нового пучка воспользуемся формализмом комплексного параметра пучка q . В перетяжке q – мнимый . При распространении в среде длиной x q меняется по закону q2=q1+x. При прохождении через линзу радиус кривизны волнового фронта меняется по закону . Т.е. если отрицательная линза помещена в перетяжку пучка, то после линзы будет расходящийся пучок с R=F. В результате получим уравнение

Здесь х – расстояние до новой перетяжки, v – ее размер. Решая (14) получим:

Читайте также:  Мощность фена для парикмахерской

Размер пучка на экране станет W1

Подстановка (12), (15) и (16) в (14)

Построенный по данной формуле график зависимости мощности излучения на выходе из

стабилизатора от мощности излучения лазера приведен на рис. 2.

Рис. 2. Зависимость мощности излучения на выходе из стабилизатора от мощности излучения лазера.

Как видно из рисунка функция P1(P) имеет максимум вблизи Р=14 мВт. При изменении Р на величину ±1,5 мВт выходная мощность P1 меняется не более чем на 0,17 мВт, что означает повышение стабильности в 17 раз. Увеличение стабильности мощности входного излучения приведет к еще бóльшим значениям коэффициента стабилизации.

Таким образом, мы показали, что на основе эффекта тепловой линзы может быть создано устройство, стабилизирующее мощность излучения непрерывного лазера. К недостаткам метода можно отнести уменьшение мощности (в рассмотренном примере почти в 1,5 раза) и невысокое быстродействие (

1 мс). Увеличение размера диафрагмы а приведет к увеличению выходной мощности, но и к снижению коэффициента стабилизации установки ΔР/ΔР1. При необходимости повышения коэффициента стабилизации нужно уменьшить диаметр диафрагмы. К преимуществам метода относится простота конструкции стабилизатора и отсутствие внешних управляющих устройств. Подбор рабочей точки для требуемой величины выходной мощности и/или коэффициента стабилизации осуществляется путем изменения диаметра диафрагмы, поглощения жидкости, длины кюветы или размера перетяжки.

Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука, 1970. – 720 с.

Карлсроу Х.С., Егер Д. Операционные методы в прикладной математике. М.: ИЛ, 1948. — 624 с.

K. R. Hansen et al. Thermo-optical effects in high-power ytterbium-doped fiber amplifiers // Opt. Express. V19, N24, 2011. P.23965-23980 .

E. Wyss et al., Thermooptical compensation methods for high-power lasers // IEEE J. Quantum Electron. V38, N12, 2002. P. 1620 — 1628.

Источник

СТАБИЛИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ЛАЗЕРНОЙ ДИОДНОЙ МАТРИЦЫ ДЛЯ НАКАЧКИ ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ЛАЗЕРА Текст научной статьи по специальности « Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Нгуен Ван Тхыонг, Ву Куок Тхи

Представлены результаты применения эффекта Пельтье для стабилизации выходной мощности твердотельного YAG’.Nd-лазера с полупроводниковой лазерной накачкой. Проведено экспериментальное исследование системы стабилизации и оценены её характеристики.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Нгуен Ван Тхыонг, Ву Куок Тхи

STABILIZATION OF LASER DIODE MATRIX PARAMETERS FOR PUMPING A SOLID-STATE LASER

The results of applying the Peltier effect to stabilize the output power of solid-state YAG:Nd laser with a semiconductor laser pump used in a laser rangefinder are presented. An experimental study of the stabilization system was conducted and its characteristics were evaluated.

Текст научной работы на тему «СТАБИЛИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ЛАЗЕРНОЙ ДИОДНОЙ МАТРИЦЫ ДЛЯ НАКАЧКИ ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ЛАЗЕРА»

1. Белоконев Е.Н., Попова Т.Е., Пурас Г.Н. Водоотведение и водоснабжение. М.: Феникс, 2012. 384 с.

2. Сомов М.А., Квитка Л. А. Водоснабжение: учебник. М.: ИНФРА-М, 2014. 288 с.

3. Цепенев Р.А. Автоматическое управление процессом сварки: учебное пособие. Тольятти: ТолПИ, 2001. 76 с.

4. Маслов В.И. Сварочные работы: учебник для начального профессионального образования. М.: Академия, 2000. 234 с.

Сиренко Елизавета Романовна, студент, angel12vat@gmail. com, Россия, Тула, Тульский государственный университет

COMPARATIVE ANALYSIS OF WELDING TECHNOLOGIES OF GALVANIZED WATER

A comparative analysis of the technologies for joining galvanized pipes used in water supply is carried out. The most optimal way of connecting these pipes is determined, its advantages and disadvantages are given.

Читайте также:  Мотор лодочный небольшой мощности

Key words: galvanized pipes, technology, connection, thread, welding, water supply.

Sirenko Elizaveta Romanovna, student, angel12vat@gmail. com, Russia, Tula, Tula State University

СТАБИЛИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ЛАЗЕРНОЙ ДИОДНОЙ МАТРИЦЫ ДЛЯ НАКАЧКИ ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ЛАЗЕРА

Нгуен Ван Тхыонг, Ву Куок Тхи

Представлены результаты применения эффекта Пельтье для стабилизации выходной мощности твердотельного YAG:Nd-лазера с полупроводниковой лазерной накачкой. Проведено экспериментальное исследование системы стабилизации и оценены её характеристики.

Ключевые слова: охлаждение полупроводникового лазера, эффект Пельтье, YAG:Ndлазер с диодной накачкой.

В последнее время широко применяются твердотельные лазеры с диодной накачкой или полупроводниковой лазерной матрицей [1]. Однако обеспечение стабильных параметров пучка, таких как длина излучаемой волны и мощность, по-прежнему представляет значительные трудности для твердотельного лазера в целом и твердотельного УАО:Ш — лазера с

диодной накачкой. Известно, что мощность и длина волны лазера существенно зависят от температуры полупроводниковой лазерной матрицы [1,3]. При работе (особенно с мощной полупроводниковой лазерной матрицей и режимом с высокой частотой повторения) повышение температуры полупроводниковой лазерной матрицы приводит к сдвигу длины волны в более длинноволновый диапазон и уменьшению излучаемой мощности [2]. Сдвиг длины волны влияет на мощность поглощения в активной среде YAG:Nd, что приводит к уменьшению излучаемой мощности. Для твердотельного лазера YAG:Nd накачка производится полупроводниковой лазерной матрицей на длине волны 808 нм, что соответствует максимальному диапазону поглощения активной среды YAG:Nd (рис. 1).

Рис. 1. Спектр поглощения УАО:Ш

Следовательно, сдвиг пиковой длины волны вызывает уменьшение мощности поглощения и, следовательно, излучаемой мощности лазера. По этим причинам стабилизация пиковой длины волны полупроводниковой лазерной матрицы играет решающую роль и требует высокой точности стабилизации температуры перехода (±1° С). Метод охлаждения воздушным потоком (с использованием естественной или принудительной вентиляции) не очень эффективен в лазерном дальномере из-за ограничения конструкции закрытой камеры. Методы жидкостного охлаждения также неэффективны из-за больших размеров системы охлаждения и необходимости частой смены охлаждающих жидкостей [3].

В данной работе предлагается использовать эффект Пельтье для решения задач охлаждения [2] для стабилизации параметров твердотельного УАО:Ш-лазера с накачкой полупроводниковой лазерной матрицей, работающей в режиме высокой мощности и высокой частоты следования (20 ^ 30 Гц или даже до 40 Гц) с дальностью обнаружения до 20 км. Предложенное решение помогает стабилизировать температуру, в результате чего стабилизируются параметры накачки (длина волны, мощность), следовательно, стабилизируются параметры излучаемого лазера и всей системы дальномера. Кроме того, режим работы дальномера контролируется и управляется, когда параметры выходят за допустимые пределы.

Решение проблемы стабилизации.

1.1. Мощная полупроводниковая импульсная лазерная матрица. Импульсный лазер большой мощности [3] состоит из полупроводникового слоя ОаАБ, нанесенного между двумя зеркальными поверхностями, обра-

зующего резонатор лазера. Толщина этого полупроводникового слоя напрямую влияет на излучаемую длину волны. Одной из характеристик полупроводникового лазера является порог генерации. Лазер не будет излучать, если энергия не подается в достаточной степени на полупроводниковый слой. Когда ток накачки, подаваемый на полупроводник, ниже порогового значения, происходит только самопроизвольное излучение, интенсивность которого постепенно увеличивается при превышении порогового значения. Одним из недостатков мощного полупроводникового импульсного лазера является влияние температуры на основные параметры, включая пиковую длину волны и мощность.

1.2. Влияние температуры на полупроводниковую лазерную матрицу. Авторы использовали полупроводниковую лазерную матрицу СОЕ-0801-1050ШОСШ для накачки твердотельного УАО:Ш-лазера и исследовали параметры лазера. Основные параметры лазера приведены в таблице.

Основные параметры лазерной матрицы COE-GS01-1050WQCW

Источник