Неодимовые лазеры (стр. 2 )

3.2. Лучевая прочность активной среды

Разрушения оптических элементов под воздействием мощного излучения можно разделить на поверхностные и объёмные.

Существует три физических механизма, определяющих объёмную лучевую прочность. Первый обусловлен наличием поглощающих примесей (включений), за счёт локального нагрева которых, происходит тепловой пробой или взрыв. В окружающей матрице стекла образуются микротрещины и область разрушения на много порядков превосходит размер микровключения. Неравномерное распределение микровключений в объёме стекла предопределяет статистический характер пробоя. Наиболее распространёнными включениями в лазерных стёклах являются микрочастицы платины, попадающие в расплав стекла в процессе его варки со стенок платиновых тиглей. Средний размер таких включений ~ 10 мкм. Если не предпринимать никаких специальных мер, то число включений составляет ~ 102 – 103 частиц на литр стекла. Поэтому при значительной апертуре (³ 5 см) несколько включений с очень большой вероятностью попадёт в лазерный пучок. Для импульсов наносекундной длительности металлические включения уменьшают объёмную лучевую прочность лазерных стёкол до » 12-15 Дж/см2. В настоящее время разработана технология варки неодимового стекла практически без платиновых включений (не более 0,07 частиц на литр).

Второй механизм объёмного разрушения – образование нитей самофокусировки диаметром несколько микрометров и разрушение среды внутри нитей вследствие лавинной ионизации вещества матрицы стекла. Самофокусировки можно избежать, обеспечив достаточно высокое качество пучка и ограничивая В-интеграл.

Третий механизм – собственно оптический объёмный пробой стекла при отсутствии поглощающих включений и нелинейных процессов. Физический механизм, ответственный за этот процесс – возникновение допороговой лавинной или многофотонной ионизации дефектов матрицы стекла под действием поля световой волны, ведущей к появлению электронной лавины, росту поглощения за счёт появления возбуждённых носителей и центров окраски. Теория, связывающая пробой с развитием электронной лавины, даёт для порога оптического объёмного пробоя стёкол величину пороговой интенсивности Iпор ~ 2,5´1011 Вт/см2. При длительности лазерного импульса » 3 нс пороговая плотность энергии составит eпор ~ 75 Дж/см2.

Разрушение поверхности стекла лазерным излучением происходит вследствие тех же физических механизмов, что и объёмное разрушение. Однако из-за значительно большей, чем в объёме, концентрации дефектов в приповерхностном слое, лучевая прочность поверхности примерно в два раза меньше, чем лучевая прочность объёма. Большое значение имеет чистота поверхности стекла и качество её обработки. Улучшение степени очистки, например, химическое травление поверхности, огневая или ионная полировка, приводит в повышению порогов поверхностного разрушения. Порог разрушения также повышается с уменьшением шероховатости поверхности.

Порог поверхностного разрушения лазерного стекла зависит от длительности воздействующего лазерного импульса и выражается формулой [1]:

(6),

где tимп выражается в нс, А » 15-25.

При tимп » 3 нс лучевая прочность составит Епор » 26-43 Дж/см2.

Формула (6) справедлива при однократном воздействии лазерного импульса. В условиях многократного воздействия лазерных импульсов порог оптического разрушения, как объёма, так и поверхности, уменьшается из-за так называемого эффекта накопления. При наличии поглощающих включений в образце стекла такое поведение порога пробоя объясняется накоплением необратимых изменений в среде. При отсутствии поглощающих включений и при использовании одночастотного лазерного излучения с хорошо контролируемыми пространственными и энергетическими характеристиками эффект накопления отсутствует.

Следует отметить, что теории, удовлетворительно объясняющей все экспериментальные данные о порогах разрушения лазерных стёкол, пока не существует.

Методы определения лучевой прочности

Все методы, как правило, основаны на определении лучевой прочности под действием импульсного наносекундного излучения. Одним из первых методов определения лучевой прочности оптических элементов являлось многократное облучение поверхности образца мощным лазерным пучком с постепенно увеличивающейся энергией [7-9]. Пороговая плотность энергии при которой происходит разрушение образца определяется как , где eразр– плотность энергии лазерного излучения при которой образец разрушился, eнеразр – последняя плотность энергии при которой образец не разрушился.

Схема одной из установок определения лучевой прочности таким методом приведена на рисунке 7 [7].

 

Недостатки данного метода:

1) необходимость проведения большой серии выстрелов с малым шагом увеличения энергии излучения с целью получения точного результата;

2) необходимость облучения нескольких зон образца с целью уменьшения ошибки измерений из-за вероятности попадания в дефект.

Для устранения перечисленных недостатков в РФЯЦ-ВНИИЭФ ИЛФИ разработана и запатентована оптическая схема одновременного формирования на образце нескольких лазерных пучков разной интенсивности – рисунок 8 [10,11]. В данной схеме лучевая прочность определяется при однократном облучении. Исходный импульс источника лазерного излучения (1) с Гауссовым пространственным профилем интенсивности делится на несколько пучков при прохождении специальной диафрагмы-матрицы (2), выполненной в виде нескольких, распределённых в одной плоскости апертурных диафрагм и выполняющую одновременно роль делителя исходного излучения и формирователя апертуры разделённых пучков. Изображение диафрагмы-маски перестраивается на исследуемый образец (6) посредством двух линз (3), (5), относительным смещением которых можно менять апертуру пучков на образце. В заднем фокусе линзы (3) внутри вакуумной кюветы, исключающей оптический пробой воздуха, установлен угловой селектор (4), предназначенный для формирования Гауссова пространственного профиля разделённых пучков. В результате в плоскости исследуемого образца формируется несколько разделённых в пространстве лазерных пучков с разной интенсивностью. Плотность энергии излучения в каждом пучке определяется исходя из измеренной общей энергии всех пучков и распределения интенсивности излучения в плоскости образца, полученное перестроением изображения пучков на CCD камеру. Ближняя зона и пространственный профиль матрицы пучков в плоскости исследуемого образца представлен на рисунке 9.

Рисунок 8 – Оптическая схема многопучковой лазерной установки для определения лучевой прочности оптических элементов

 

Распространён также статистический метод определения лучевой прочности, широко используемый за рубежом: исследуемый образец, как правило, большой апертуры, подвергается облучению серией импульсов излучения с одинаковой энергией. Причём каждый последующий импульс смещается по горизонтали на некоторое расстояние. Затем энергия излучения увеличивается, и облучение образца проводится по следующему нижележащему ряду и т. д. После этого для каждой энергии определяют число выстрелов, при которых произошло разрушение образца и строится зависимость вероятности разрушения образца от плотности энергии излучения.

4. Принципы организации инверсной населенности в усилительных каскадах на неодимовом стекле

Основным условием усиления излучения является получение и поддержание в активной среде высокой инверсной населённости. Создание среды с большим коэффициентом усиления связано с рядом серьёзных трудностей из-за неустойчивости возбуждённой среды.

Основным паразитным процессом, снижающим инверсию, является усиленное спонтанное излучение – суперлюминесценция – которая имеет место в любом активном теле с инверсной населённостью [15]. Заметно проявляется при больших (103‑104) коэффициентах усиления. При этом наблюдается резкое повышение интенсивности и направленности, а также изменение формы импульса люминесценции (например, регистрировались импульсы с энергией 100 Дж при длительности 100 мкс).

Помимо импульсов суперлюминесценции может также развиваться гигантский импульс суперлюминесценции, когда фотоны за один проход усиливаются настолько, что высвечивается большая часть активных частиц (например, регистрировались импульсы с энергией 70 Дж при длительности 70 нс).

Суперлюминесценция может сопровождаться паразитной генерацией, возникающей из-за отражения спонтанного излучения от боковой поверхности активных элементов. Этот эффект уменьшают, окружая боковую поверхность активных тел оболочкой, поглощающей в области длины волны генерации.

Активную среду с высокими коэффициентами усиления выполняют в виде оптически развязанных последовательных каскадов.

Простейшим методом оптической развязки каскадов является их удаление друг от друга на большое расстояние, вследствие чего уменьшается телесный угол, в котором могут развиться паразитные излучения. Способ редко применяется, так как сильно увеличивает габариты установки. Более применимым способом развязки является использование светозатворов (фототропных, электрооптических, электровзрываемых плёнок).

Фототропные, совместно с каскадами, представляют собой поглощающую и усиливающую среду, обладающую резко выраженным пороговым пропусканием относительно интенсивности поступающих в неё световых импульсов. Т. е. спонтанное излучение, обладая малой мощностью (из-за большой длительности), поглощается фототропным затвором. Основной, мощный лазерный импульс своим передним фронтом просветляет затвор (приводит его в состояние насыщения) и практически вся энергия импульса проходит через затвор.

Электрооптические (Поккельса, Керра) открываются только на время прохождения импульса. На рисунке 10 приведена оптическая схема затвора Поккельса. Затвор состоит из двулучепреломляющего кристалла, расположенного между скрещенными поляризаторами. На боковые поверхности кристалла вблизи торцов нанесены электроды в виде двух поясков. Под действием электрического поля излучение в кристалле распадается на две компоненты одинаковой амплитуды с ортогональными поляризациями и распространяющиеся с разными скоростями. Пройдя через кристалл, компоненты приобретают разность фаз и, складываясь, меняют поляризацию излучения. Напряжение на электродах подбирается таким образом, чтобы на выходе кристалла плоскость поляризации излучения была повёрнута на 90° по отношению к исходной (так называемое полуволновое напряжение).

 

Электровзрывные плёнки исключают остаточное пропускание, но поскольку после открывания они не закрываются, то допускают возможность появления импульсов суперлюминесценции и паразитной генерации после прохождения основного импульса.

Перечисленные светозатворы допускают двустороннее пропускание в открытом состоянии. При высокой энергии излучения на выходе тракта частично отражённая обратно волна может вновь усилиться и вывести из строя входные каскады усиления и другие лазерные системы.

Обеспечить одностороннее пропускание излучения позволяет затвор Фарадея, простейшая схема которого с последовательностью плоскости поляризации излучения приведена на рисунке 11. Отличительная особенность вращателя Фарадея – поворот плоскости поляризации излучения происходит в одну и ту же сторону независимо от направления распространения излучения через вращатель.

 

Рисунок 11 – Оптическая схема затвора Фарадея – (а), схема вращения поляризации излучения при прямом - (б) и обратном - (в) проходах

Другой причиной, ограничивающей рост инверсной населённости, является паразитная генерация, возникающая в результате френелевского отражения на торцах активного элемента. Данный эффект устраняется нанесением на торцы активных элементов просветляющих покрытий. Недостаток – низкая, по сравнению со стеклом, лучевая прочность наносимых покрытий. Другой путь – изготовление активных элементов со скошенными параллельными друг другу торцами (достаточно 1,5 - 3°). Недостаток – френелевские потери, поэтому в отдельных случаях торцы скашивают под углом Брюстера (в случае, если мало термонаведённое двулучепреломление).

Типы схем усиления

Простейшей схемой усиления лазерного импульса является схема однонаправленного усилителя бегущей волны, состоящего из оптически развязанных последовательно расположенных усилительных каскадов, через которые излучение проходит в одном направлении. Выходная энергия излучения ограничивается разрушением оконечных активных элементов каскадов. На начальном этапе усиление идёт в линейном режиме и энергии с каскадов снимается мало, поэтому, чтобы напрасно не расходовать энергию оптической накачки на создание инверсной населённости в больших объёмах активной среды, первые каскады делают с малыми поперечными сечениями. При приближении к предельно допустимой плотности энергии излучения диаметр пучка увеличивают, тем самым увеличивают предельную энергию излучения. Ограничением данного принципа являются трудности создания равномерной инверсной населённости в активных телах большого поперечного сечения. Проблема заключается в том, что атомы неодима, расположенные ближе к боковой поверхности активного элемента, поглотят большую часть излучения накачки, следовательно, в центральной части активного элемента будет создана меньшая инверсная населённость по сравнению с боковой частью. Равномерный пространственный профиль входного лазерного пучка при прохождении такого усилительного каскада будет искажаться. Решением проблемы может быть уменьшение концентрации неодима в активном элементе, а это неизбежно приведёт к снижению общего К0 усилительного каскада. Ввиду того, что потери излучения в каскаде не меняются (поглощение, френелевские), следовательно уменьшать К0 можно лишь до определённого предела (как правило до »1.5). Вариантом активных элементов с большим поперечным сечением являются диски, усилительные каскады на основе которых, широко применяются в самых мощных современных установках. В воздухе, для уменьшения френелевских потерь при отражении на торцах, диски располагают под углом Брюстера к усиливаемому излучению. Недостаток данных усилителей – большие габариты и сложность конструкции.

В случае ограничения выходной энергии излучения конечным размером апертуры каскадов общую энергию увеличивают применением дополнительных параллельных каскадов.

Для более эффективного использования запасённой энергии каскада, особенно в случае усиления слабого сигнала, и уменьшения габаритов лазерной установки применяют различные многопроходные схемы усиления. На рисунке 12 представлены некоторые варианты исполнения двух - и четырёхпроходных схем усиления с поляризационным вводом-выводом излучения. Как правило, используются для усиления импульсов с входной энергией от ~1мДж до ~1…10Дж.

Рисунок 12 – Варианты исполнения двухпроходных (а, б) и четырёхпроходных (в, г) оптических схем

Для усиления более слабых входных сигналов с ~пДж до ~мДж применяются регенеративные усилители, работающие в многопроходных режимах усиления. В качестве примера рассмотрим работу оптической схемы регенеративного предусилителя установки Beamlet, показанной на рисунке 13 [12]. С выхода стекловолоконного распределителя через затворы Фарадея, защищающие предыдущие интегрально-оптические схемы от усиленного спонтанного излучения, входной сигнал инжектируется в кольцевой регенеративный усилитель. Собственно усилительный каскад состоит из двух осветителей с активными элементами из фосфатных Nd стёкол (марки HAP-3 и APG-1) диаметром 4 мм и длиной 50 мм. Применение двух различных марок стекла объясняется необходимостью расширения полосы усиления для передачи частотно-модулированного сигнала.

 

Для ввода излучения, обеспечения требуемого числа проходов импульса по усиливающей среде и вывода излучения из резонатора применяются ячейка Поккельса с длительностью фронта открывания и закрывания 1 нс, кварцевый вращатель плоскости поляризации на 90о и поляризационные зеркала с пропусканием “чужой” поляризации < 0,2 %. В момент инжектирования лазерного импульса в резонатор усилителя напряжения на ячейке Поккельса нет. После прохождения 90о - вращателя плоскость поляризации излучения поворачивается на 90о, и пучок отражается от поляризационных зеркал и остаётся в резонаторе. Если бы напряжения на ячейке Поккельса не было, то после совершения одного полного обхода плоскость поляризации развернулась бы снова на 90о, и излучение вышло бы из резонатора. Для того, чтобы оставить излучение в резонаторе для повторного усиления, перед тем, как импульс второй раз поступит на ячейку Поккельса, на неё подаётся полуволновое напряжение. Тогда, в комбинации с 90о вращателем, положение плоскости поляризации сохраняется, и излучение становится запертым внутри резонатора. После совершения необходимого числа проходов напряжение на ячейке Поккельса сбрасывается, и импульс выводится из резонатора.

Для подавления импульсов, прошедших через выходное поляризационное зеркало от различных проходов, на выходе регенеративного усилителя помещается затвор Поккельса. Внутри резонатора усилителя помещён пространственный фильтр с перестроением изображения входной апертуры саму в себя после полного обхода.

Описанный выше регенеративный усилитель обеспечивает коэффициент усиления ~ 109 за » 13-15 полных проходов и усиливает входной сигнал с уровня » 10 пДж до » 10 мДж.

5. Источники и системы оптической накачки неодимовых лазеров

Расчёт КПД лазерной установки является одним из ключевых вопросов при её проектировании. Существенный вклад в общий КПД установки вносят КПД источника накачки hИН, под которым понимается отношение световой энергии в полосе накачки к потребляемой (запасённой) электрической энергии и КПД системы оптической накачки, под которым понимается эффективность преобразования излучения источника накачки в энергию лазерного излучения.

В настоящее время для накачки Nd лазеров применяются два типа источников – импульсные ксеноновые лампы и матрицы лазерных диодов.

Импульсные ксеноновые лампы

Наиболее часто используемая в твёрдотельных лазерах прямая (цилиндрическая) импульсная лампа содержит электроды на каждом конце заполненной инертным газом цилиндрической кварцевой трубки [13-16], рисунок 14.

 

Оба конца трубки вакуумноплотно свариваются с электродами, изготовленными из тугоплавкого сплава. Лампы накачки обычно заполняются ксеноном, так как этот газ обеспечивает более высокую, по сравнению с другими инертными газами, светоотдачу, что связано его с низким потенциалом ионизации и сравнительно высокой атомной массой. Оптимальное давление ксенона составляет (300-600) мм. рт. ст. Наиболее распространённые лампы серии ИФП (800, 1200, 2000, 5000, 8000) и ИНПН. Цифры в названии ИФП – энергия разряда в Дж. Длительность импульса излучения »500-800 мкс, рабочее напряжение 1,5-3,0 кВ.

Спектр излучения плазмы этих ламп представляет собой сложение непрерывного спектра излучения и отдельных линий, соответствующих переходам в возбуждённых и ионизированных атомах ксенона. Общая картина спектра излучения обусловлена, в основном, удельной электрической мощностью, вкладываемой в разряд. Спектральная плотность КПД излучения лампы hl - отношение излучаемой ею световой энергии в единичном спектральном интервале Еl к электрической энергии Еэл, рассеиваемой в разряде:

С ростом вкладываемой электрической мощности происходит сдвиг максимума спектрального распределения в УФ область.

Источники накачки характеризуются также спектральным КПД hr, определяемым путём интегрирования спектральной плотности излучения лампы hl по l в том или ином заданном спектральном интервале Dl:

где ЕlS – спектральная плотность энергии, испускаемой лампой в единичную площадь поверхности, [Дж´см-2´нм-1]; R – радиус, l – длина лампы; l1 и l2 – границы спектрального диапазона полосы накачки; Еэл – вкладываемая в лампу электрическая энергия.

В спектральном диапазоне основных линий поглощения неодимового стекла, Dl » 370-940нм, спектральный КПД ламп достигает hr » 55% при вкладываемой удельной электрической мощности Еэл » 300кВт/см3. В спектральном диапазоне Dl » нм hr » 70-90%, т. е. импульсная ксеноновая лампа является весьма эффективным устройством, преобразующим подводимую к ней электрическую энергию в энергию светового излучения.

Важным параметром лампы является энергия электрического импульса Еэл. пред, разрушающего лампу. Эта энергия зависит от размеров лампы и длительности электрического импульса. В режиме одиночных импульсов установлена эмпирическая зависимость для трубчатых кварцевых ламп от этих параметров:

Еэл. пред. »1. 2´104dlt1/2

где [Еэл. пред]=Дж; [d]=[l]=см; t-длительность импульса накачки по уровню 0,32 в секундах.

Долговечность ламп зависит от величины энергии вспышек при эксплуатации ламп. Отношение энергии вспышки к предельной энергии лампы называется коэффициентом нагрузки Еэл/Еэл. пред. Зависимость между числом импульсов до разрушения лампы N и фактором её нагрузки Еэл/Еэл. пред.:

N=exp[a´(1-Еэл/Еэл.пред.)]

Здесь а » 10¸15 – коэффициент, зависящий от конструкции и технологии изготовления лампы.

Нормальным считается ресурс лампы N » 104 вспышек, который достигается при факторе загрузки Еэл/Еэл. пред » 0,3 (при а » 13).

Матрицы лазерных диодов

Лазерный диод относится к селективным источникам накачки [17]. Для Nd лазеров, применяются матрицы лазерных диодов излучающие сравнительно узкий (Dl » 2…7 нм) спектр с максимумом в области около 800 нм. Эта длина волны хорошо согласуется с одной из интенсивных ИК-полос поглощения ионов Nd3+ (»810нм). КПД преобразования электрической энергии в световую у лазерных диодов очень высок и достигает 60%.

Вынужденное излучение полупроводникового лазера – это рекомбинационное излучение (исчезновение электронно-дырочной пары) в p-n переходе полупроводникового (например, AlGaAs) диода. Один из способов создания электронно-дырочных пар – инжекция носителей заряда путём пропускания электрического тока через p-n переход в прямом направлении, поэтому такие лазеры часто называют инжекционными. Они отличаются от других типов полупроводниковых лазеров высоким КПД по мощности (до »65%); непосредственным преобразованием электрической энергии в когерентное излучение как в непрерывном, так и в импульсном режимах работы; возможностью прямой модуляции электрическим током до ГГц диапазона; малыми размерами (»десятые доли мм); низким напряжением накачки; большим сроком службы.

Лазерный диод начинает испускать когерентное излучение, если плотность электрического тока превышает пороговую величину, которая зависит от полупроводникового материала, рабочей температуры и режима работы (непрерывный, импульсный, импульсно-периодический). Увеличение температуры приводит к увеличению порогового тока и смещению спектральной полосы излучения. Поэтому для стабилизации параметров генерации необходимо применять принудительное охлаждение. Ввиду малых размеров излучателей их охлаждение – довольно сложная задача. Отводимая тепловая мощность ~2…20 кВт/см2. Предельная мощность генерации ограничивается разогревом активной области под действием тока накачки и разрушением зеркал резонатора оптическим полем собственного излучения. В штатном режиме работы она составляет ~1…20 кВт/см2.

Блок накачки на основе полупроводниковых лазерных диодов состоит из матрицы лазерных диодов, блока охлаждения и источника тока (драйвера). В матрице диодов в едином модуле собрано большое количество отдельных диодов. Диаграмма направленности излучения лазерного диода имеет угловые размеры »7о в одном направлении и »60о в перпендикулярном направлении. Для коллимации пучка применяются цилиндрические микролинзы, что позволяет сузить диаграмму направленности до £1о.

На рисунке 15 показан один из вариантов исполнения лазерного диода с системой охлаждения и микролинзой [18]. На рисунке 16 приведы фотографии двумерных лазерных диодных линеек, а на рисунке 17 – фотография типичной конструкции системы накачки на основе линеек лазерных дидов.

 

 

 

Матрицы лазерных диодов в настоящее время широко применяются в системах накачки относительно небольших лазерных систем, применяемых в научных исследованиях и в технологических целях. Основным сдерживающим фактором применения лазерных диодов для накачки мощных Nd лазеров для ЛТС является их высокая стоимость.

Сравнительная эффективность накачки импульсными ксеноновыми лампами и матрицами лазерных диодов представлены в таблице 2.

Таблица 2. Сравнительная эффективность накачки импульсными ксеноновыми лампами и матрицами лазерных диодов

Источник накачки	Импульсная ксеноновая лампа	Лазерные диоды
Излучательный КПД hr	70%	60%
КПД поглощения света накачки ha	50%	95%
Квантовый КПД hq	40%	75%
КПД осветителя htr	50%	95%
Итого, h1=hr´ha´hq´htr	7%	40%

Более высокий квантовый КПД в случае применения лазерных диодов обусловлен тем, что длина волны их излучения лежит близко к длине волны лазерной генерации (lнак/lген » 0,8 мкм/1,06 мкм » 0,75).

Суммарный КПД накачки, обусловленный рассмотренными процессами, для матриц лазерных диодов в » 6 раза выше, чем для импульсных ксеноновых ламп.

Системы оптической накачки

Система оптической накачки предназначена для эффективного использования световой энергии, излучаемой источником накачки. Она включает в себя три основных элемента: собственно источник накачки, осветитель, передающий его излучение на активный элемент, и сам активный элемент.

Эффективность системы накачки лазера в общем случае зависит от излучательных и поглощающих свойств источника накачки, свойств осветителя, спектроскопических параметров активной среды, взаимного расположения всех элементов. В Nd лазерах, активная среда которых характеризуется довольно широким спектральным диапазоном поглощения, а, следовательно, и наличием низкоинтенсивных широких крыльев в спектре поглощения, лишь часть излучения накачки поглощается при первом проходе через активную среду. Остальная часть (за исключением потерь при отражениях) может быть возвращена в активную среду либо в лампу накачки.

Эффективность поглощения света накачки Nd стеклом. При достаточно большой толщине стекла в нём может быть поглощено ³ 80% излучения накачки. В запасённую на верхнем лазерном уровне энергию при этом преобразуется » 50%, а в виде тепла – до » 30% излучения накачки. Однако на практике обычно не используют активные среды очень большой оптической толщины. Это связано со стремлением получить равномерное распределение плотности инверсной населённости в объёме стекла. В этом случае эффективность поглощения света от лампового источника накачки не превышает » 50%.

В случае применения в качестве источника накачки матриц лазерных диодов с узкополосным, по сравнению с лампой, спектром генерации, эффективность поглощения в тех же условиях достигает » 95% [19].

Осветители. Для повышения эффективности накачки лампу и активное тело размещают в осветителе, представляющем собой, как правило, замкнутую оптическую систему, в которой излучаемая лампой световая энергия специальными отражателями направляется на активное тело. Низкая эффективность превращения электрической энергии в световую (35-50%), неполное использование поглощённой активным телом энергии (6-15%), потери в освети%) являются одними из основных факторов, определяющих невысокий КПД твердотельных лазеров.

В лазерах различных типов применяются осветители следующих конструкций, рисунок 18а. Такие конструкции осветителей применяются в усилителях с размерами активных элементов до Æ120мм. Потери излучения накачки минимальны в осветителе конструкции II при достаточно большой толщине Nd стекла, но такая конструкция применяется редко из-за неудобной, кольцевидной формы апертуры лазерного пучка. В остальных конструкциях потери могут достигать 50-60%.

С целью повышения эффективности светопередачи активный элемент окружают оболочкой из прозрачного диэлектрика [16]. Часто диэлектриком является жидкость, например вода, и выполняет одновременно роль охладителя. Толщина слоя жидкости должна быть ~ Ra(n-1), где Ra – радиус активного элемента, n – показатель преломления жидкости.

Эффективность осветителя, помимо формы, сильно зависит от коэффициента отражения зеркальных покрытий. Серебро на полированной латунной заготовке – 90%, алюминиевые полированные листы – £ 75%, алюминированные стальные или латунные листы с защитой моноокиси кремния – 84-90%. Также применяется керсил, представляющий собой кварцевую керамику белого цвета. На рисунке 19 приведены фотографии коммерчески выпускаемых керсиловых осветителей различной формы.

Световая накачка вызывает шелушение боковой поверхности неодимовых стёкол. Это связано с тем, что ультрафиолетовое излучение поглощается в тонком (20-60 мкм) поверхностном слое активного элемента, а так как в данной части спектра содержится до 10% энергии излучения накачки, то при отсутствии охлаждения происходит сильный нагрев этого слоя до 800°С.