Лазерная технология известна человечеству больше 30 лет. За это время люди научились использовать ее для резки металлов, безопасной микрохирургии и даже измерения расстояния до Луны. Лазеры оказались полезным изобретением, и теперь ученые работают над его развитием. Один из таких методов улучшения предложили специалисты Института прикладной физики РАН.
В основе большинства лазеров лежит активный элемент. Это может быть кристаллический или стеклянный стержень, запаянная стеклянная трубка с газовой смесью, кювета с жидкостью или кристаллик полупроводника. После накачки или передачи энергии внешнего источника в рабочую среду лазера в активном элементе зарождается излучение. При этом чем больше его мощность, тем эффективней лазер справляется со своей задачей.
Однако вместе с повышением средней мощности лазера появляются проблемы: пропорционально усилению излучения, в активном элементе устройства выделяется больше тепла. Это приводит к ухудшению качества выходного пучка и даже разрушению самой рабочей среды. Поэтому для лучшего выведения тепла во всем мире применяются тонкие активные элементы, например, стержни диаметром менее 1 миллиметра и длиной несколько сантиметров.
Изготовление и установка таких элементов в систему охлаждения — непростая задача. Даже небольшое изменение положения детали или ее изгиб приводит к пагубным последствиям.
Исследователи ИПФ РАН нашли способ использовать активные элементы стандартных размеров таким образом, чтобы они не уступали усилителям на тонком стержне. Разработка основана на трех моментах.
«Мы используем стандартные стержневые активные элементы с большим поперечным размером и различной формой боковой поверхности, включая стержни круглого и квадратного сечения. Во-вторых, используем торцевую диодную накачку (когда импульс заводится в торец активного элемента) с размером пучка значительно меньшим, чем поперечный размер активного элемента. В-третьих, смещаем пучок накачки максимально близко к охлаждаемой боковой поверхности активного элемента», — рассказывает Иван Кузнецов, старший научный сотрудник лаборатории диагностики оптических материалов для перспективных лазеров, один из авторов исследования.
В результате смещение области накачки позволило существенно снизить температуру активного элемента. При этом ученым удалось экспериментально подтвердить усиление сигнала до средней мощности более 100 ватт при сохранении качества пучка.
По словам исследователей, новую геометрию можно использовать в лазерах с активными элементами из редких, хрупких и труднообрабатываемых кристаллах. Сейчас ученые рассматривают возможности применить свою разработку в многоканальных лазерных системах, то есть использовать один активный элемент для одновременного усиления нескольких лазерных пучков, проходящих вдоль его боковых граней и ребер.