С. Микинтас, Altechna, sales@altechna.com, www.altechna.com, Литва
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.
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 светоотража ющие 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 пред ставителем компании Altechna в России.
Литература
- photonics.gsfc.nasa.gov/tva/meldoc/sources1.pdf
- www.rp-photonics.com/cavity_dumping.html?s=ak
- www.altechna.com/lidt
- www.rp-photonics.com/fresnel_equations.html
- refractiveindex.info/?shelf=glass&book=fused_silica&page=Malitson
О развитии эксперимента "СФЕРА-Антарктида"
Проект "СФЕРА-Антарктида" создается с целью исследования энергетического спектра и химического состава космических лучей в области сверхвысоких энергий – элементарных частиц и ядер атомов, образовавшихся в галактических и внегалактических источниках. Проект разработан на базе успешно прошедшего эксперимента на озере Байкал (рис.1), который проводился в рамках проекта "СФЕРА" (http://sphere.sinp.msu.ru/). Эксперимент был направлен на исследования ШАЛ (широкий атмосферный ливень – "ливень" вторичных субатомных частиц (преимущественно электронов), образующийся в результате множественных каскадных реакций в земной атмосфере. Экспериментальная установка СФЕРА-2 представляет собой оптическую систему, состоящую из сферического зеркала диаметром 1,5 м с корректирующей диафрагмой и мозаики из 109 ФЭУ, расположенной на фокальной поверхности зеркала. Установка поднимается на привязном аэростате безлунной зимней ночью над покрытой снегом поверхностью земли и регистрирует черенковское излучение ШАЛ, отраженное от снега. В настоящее время подъемы установки СФЕРА-2 с помощью привязного аэростата проводятся над покрытой снегом ледовой поверхностью озера Байкал на высоту до 1 км.
Для выполнения проекта "СФЕРА-Антарктида" создается установка "СФЕРА-А" – единственный в РФ и уникальный с точки зрения применяемой методики измерений инструмент для поиска и изучения источников первичных космических лучей (ПКЛ) в Южном полушарии небесной сферы Земли, которое недоступно для наблюдения с территории России.
Частота прихода таких событий настолько мала, что единственным методом их изучения является регистрация вспышек света, возникающих при попадании первичной частицы в атмосферу Земли. Измерения проводятся только в условиях ясной и безлунной ночи из-за малой яркости этих вспышек. Наблюдательный климат в Антарктиде – долгая полярная ночь, чистая атмосфера, устойчивые циркумполярные воздушные потоки и наличие развитой инфраструктуры полярных станций РФ – позволяет провести задуманный эксперимент. Установка "СФЕРА-А" (рис.2) способна регистрировать два типа свечения: флуоресцентный свет и отраженный от снежной поверхности черенковский свет. Флуоресцентный свет генерируется за счёт ионизации молекул атмосферы от каскада вторичных частиц. Каскад образуется в результате взаимодействия первичной частицы с частицами земной атмосферы.
Черенковский свет возникает за счёт того, что частица каскада движется со скоростью, превышающей фазовую скорость распространения света в атмосфере. При этом флуоресцентный свет излучается изотропно и несет информацию о форме каскада вторичных частиц, что позволяет определить тип первичной частицы (протон, ядро железа и т.п). Черенковский свет излучается направленно вдоль оси развития каскада и дает возможность оценивать энергию и направление прихода первичной частицы. "СФЕРА-А" может эффективно регистрировать оба типа светового излучения одним детектором.
Детектирующим элементом установки является сверхчувствительная и сверхбыстрая видеокамера, которая способна регистрировать единицы фотонов с частотой до 10 млн. кадров в секунду. Матрица детектора состоит из ~3300 кремниевых фотоумножителей. Установка поднимается на аэростате на высоту ~30 км и регистрирует вспышки от попадающих в атмосферу частиц.
По материалам заметки В. Жебит, АНИ "ФИАН-информ"
