Моделирование лазерного излучателя на основе Nd:YAG с пассивным охлаждением для измерения расстояний

Abstract

Существующие на данный момент лазерные излучатели для измерения расстояний, работающие без охлаждения, обладают рядом недостатков: низкая энергия выходного излучения, что ограничивает дальность измерения; высокая расходимость на выходе резонатора, что требует установки массивной формирующей оптики и значительно увеличивает габаритные размеры; нестабильность параметров излучения при длительной работе из-за нагрева лазерного кристалла. В данной работе рассматривается теоретическая модель лазерного излучателя для передающего блока лазерного дальномера на основе цилиндрического активного элемента Nd:YAG с поперечной диодной накачкой, позволяющей решить вышеуказанные проблемы. Моделирование системы проведено методами матричной оптики и на основе балансных уравнений. В основу излучателя положена плоско-вогнутая схема резонатора с внутренней рассеивающей линзой, предназначенной для согласования размера моды TEM00 с размерами активной среды и перестройки резонатора на границу устойчивости, что позволяет получить расходимость на выходе резонатора на уровне дифракционной для лазерного стержня диаметром до 5 мм при длине резонатора 300 мм. Перестройка резонатора и согласование размера моды осуществляется продольной подвижкой линзы относительно «глухого» зеркала. Рассмотрены модели односторонней, двусторонней и трехсторонней схем накачки, проведен их сравнительный анализ с точки зрения равномерности распределения поглощенной энергии внутри лазерного кристалла, а также эффективности. Разработана модель трехсторонней накачки с системой клиновидных отражателей с золотым покрытием, обеспечивающая эффективность накачки на уровне 54 % при равномерном распределении энергии накачки по сечению активного элемента. На основе моделирования в среде ANSYS предложена схема реализации терморегулирования активного элемента при работе в вакууме введением теплопроводящего клея между боковой гранью активного элемента и корпусом квантрона, что позволяет при цикле в 8 мин снизить нагрев активного элемента на 35 °С. Энергия излучения в импульсе при накачке 1,2 Дж составляет около 0,3 Дж при длительности импульса 4 нс и частоте 2 Гц.