Огромные тепловыделения в активной среде

Уменьшение тепловых эффектов
Intelligent design of the geometry; pump, laser medium, resonator
⇒ rod, slab, thin-disc, fibre geometry.
Reduce the quantum defect.
Use a brighter (longitudinal) pump and longer absorption length.
Increase the thermal conductivity: cryogenic cooling (for crystals).
Coherently add beams from several thermally isolated systems.
“Point design” optimized for a given thermal lens (Inflexible, unable to correct higher order aberrations)
Adaptive optics (сomplex, expensive).

Полезные технологии. Адаптивная оптика
ДВА ВИДА АДАПТИВНОЙ ОПТИКИ:
Нелинейная - ОВФ
Линейная - деформируемые зеркала
ДВЕ ФУНКЦИИ АДАПТИВНОЙ ОПТИКИ:
Компенсация (тепловых) искажений внутри самого лазера
Компенсация искажений, вносимых атмосферой на трассе

Деформируемое зеркало
Алгоритм
ЛАЗЕР
Полезные технологии. Адаптивная оптика

Successfully tested with 10W Yb fibre amplifiers
S.J.Augst, T.Y.Fan, A.Sanchez Opt Letts 29, 474, 2004
Master oscillator
Reference
Amplifiers
Feedback
control
PD
AO
AO
Полезные технологии. Суммирование каналов

Полезные технологии. Суммирование каналов
Методы:
- Нелинейная оптика
- Прямое измерение фазы и адаптивное управление
- Суммирование спектров на дифракционной решетке
Геометрия:
- Суммирование резонаторов
- Суммирование усилителей
Пример суммирования двух волоконных лазеров прямым измерением фазы

Полезные технологии. Композитные материалы
Nd:YAG
YAG
YAG
Diffusion bonded

Полезные технологии. Охлаждение до 77К
Большая теплопроводность: YAG (10раз), GGG (6раз), сапфир (25раз)
Меньше коэффициент линейного расширения
Меньше dn/dT
Больше сечение перехода
Опустошение нижнего лазерного уровня в Yb
Пример с дисковой геометрией

T. Suzuki et. al., Frontiers Science Series No. 41 (FSS-41), ISSN 0915-8502
A. C. DeFranzo, B. G. Pazol, Applied Optics, 32, pp. 2224-2234, 1993
Свойства сапфира (с титаном):
Полезные технологии. Охлаждение до 77К

Тепловая линза в Ti:Al2O3 при 77К
30x higher
7x lower
14x lower
For a given thermal lens value, the pump power can increase by a factor of >200 at cryogenic temperatures!
κ, dn/dT, and α depend on material temperature

Thermal modeling of amplifier crystal at 80K
10mm
150W pump from each side. Pump beam radius wo=300µm
Note the deviation from a quadratic profile within 1/e2 radius.

Sample Commercial System: Legend-HE-Cryo
Oscillator, stretcher, regen, cryo-cooled multipass amplifier, high power compressor.
>7mJ @ 1kHz, <40fs, <1% RMS stability

Накачка.
Сегодня диодная накачка – широко рекламируемый и продаваемый продукт
Decade Optical Systems, Inc.
720-bar QCW array: 1.7 mm pitch at 55º emission angle including fast axis collimation optics; 72 kW of output. http://www.sslasers.com/Laser_Diode_Arrays.htm
Характерная цена 10-20$/Вт, включая охлаждение
НИКАКОЙ АЛЬТЕРНАТИВЫ ДИОДНОЙ НАКАЧКЕ НЕТ

Ион. ( Yb или Nd )
Преимущества Yb явно превосходят его недостатки, хотя на сегодняшний день лазеры на Nd более обеспечены технологически
Nd3+ Yb3+

Оптическая схема. С усилителем или без?
Для лазерного драйвера для УТС выбор однозначен
Для лазерного оружия – конкуренция между двумя архитектурами в полном разгаре
Усилитель

Выбор матрицы.
Для НЕволоконных лазеров 3 кандидата:
YAG - теплопроводность
GGG – апертура, качество
Керамика – теплопроводность, апертура, качество ......
Для волоконных лазеров :
Кварц
кристаллические волокна ?!

Геометрия активной среды. 5 вариантов.
Ключевой вопрос – одновременно организовать потоки накачки, генерации и охлаждения
стержень слэб диск активное зеркало волокно
2D геометрия
Суммирование каналов - ?
77K – перспектривно !
YAG
GGG
керамика

Ключевой вопрос – одновременно организовать потоки накачки, генерации и охлаждения
стержень слэб диск активное зеркало волокно
3D геометрия
2
Суммирование каналов - ?
77K – перспектривно !
YAG
GGG
керамика
Геометрия активной среды. 5 вариантов.

YAG
GGG
керамика
Ключевой вопрос – одновременно организовать потоки накачки, генерации и охлаждения
стержень слэб диск активное зеркало волокно
1D геометрия
2
Суммирование каналов - нет
77K – ?
Геометрия активной среды. 5 вариантов.

Ключевой вопрос – одновременно организовать потоки накачки, генерации и охлаждения
стержень слэб диск активное зеркало волокно
2D геометрия
3
Суммирование каналов - нет
77K – перспектривно !
YAG
GGG
керамика
Геометрия активной среды. 5 вариантов.

Геометрия активной среды. 5 вариантов.
Ключевой вопрос – одновременно организовать потоки накачки, генерации и охлаждения
стержень слэб диск активное зеркало волокно
2D геометрия
Суммирование каналов - да
77K – перспектривно !

Геометрия активной среды.
Во всех геометриях продемонстрирована мощность киловаттного уровня.
Перспективы достичь 100кВт примерно одинаковы.
2.65 кВт (2002)
4.5 кВт (2004)
12+12=19кВт (2006)
30 кВт 1сек (2004)
16 кВт 4сек (2004)
300 Вт поляр. (2005)
1.4 кВт неполяр. (2004)
1 kW-level (2004)

Обзор действующих проектов. Northrop Grumman
Nd
Слэбы
Генератор - усилитель
8 каналов по 12.5kW
4 слэба в канале
Суммирование – прямое измерение
Май 2004 – 4.5кВт с одного слэба

Обзор действующих проектов. Raytheon
Yb
YAG
Слэбы
Генератор - усилитель
ОВФ – тепловая нелинейность
1 канал 25кВт
+ 1-2 усилителя -100кВт
2002 – 2.65 кВт (стержни)
25кВт

Обзор действующих проектов. Ливермор (HCL)
Nd:GGG (кладинг Co:GGG)
Диски
Генератор
Деформируемое зеркало
9дисков (с накоплением тепла) 14х14см -100кВт
Май 2004, 3 диска: 30кВт (1сеунда)
10кВт (4 секунды)

Nd:GGG
Активные зеркала
диаметр 15см
Diffusion bonded
Обзор действующих проектов. Boeing.

Генератор без усилителя
Деформируемое зеркало
16 дисков -100кВт (проект)
Обзор действующих проектов. Boeing.

Обзор действующих проектов. Boeing.

Обзор действующих проектов. Boeing.

Обзор действующих проектов. Ливермор
Yb:YAG
Активные зеркала
Резонатор
Diffusion bonded

Обзор действующих проектов. Ливермор

Yb
Волокно PM
Резонатор – усилитель 265Вт
суммирование
Обзор действующих проектов. Northrop Grumman
“Northrop Grumman has already combined beams from a linear array of four fiber lasers in a project for the HEL-JTO; the company is now trying to combine outputs of a circular array of seven fibers”.

Обзор действующих проектов (не волоконных).