IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

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/∂Tt_c: (12)

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

Для гауссового пучка с радиусом перетяжки w₀ радиус пучка W на экране в дальней зоне (расстояние до перетяжки ) может быть найден как (13)

Если такой пучок с исходной мощностью Р пропустить через диафрагму радиусом а, то мощность пучка после диафрагмы будет (14)

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 (14)

Здесь х – расстояние до новой перетяжки, v₀ – ее размер. Решая (14) получим:, (15)

Размер пучка на экране станет (16)

Подстановка (12), (15) и (16) в (14) P₁(P) = P;

(17).

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.

Литература.

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

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

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

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

Код для цитирования: Скопировать