В настоящее время лазерные технологии находят все более широкое применение в различных отраслях промышленности, являясь при этом одним из самых инновационных направлений, во многом определяющих современный уровень производства в передовых развитых странах. На данный момент наиболее актуальным направлением развития информационных лазерных систем является переход в безопасную для глаз область спектра излучения. Использование квантовых генераторов в дальнометрии связано с определенной опасностью для органов зрения человека. Воздействие излучения видимого (380 – 780 нм) или ближнего инфракрасного (780 – 1400 нм) диапазонов спектра может вызвать повреждение сетчатки, в то время как излучение с длинами волн свыше 1400 нм воздействует лишь на роговицу глаза и является более безопасным. 

Немаловажным достоинством использования излучения на длине волны в диапазоне 1500 – 1800 нм является и то, что генерируемое излучение в данной области спектра характеризуется меньшей величиной рассеяния и поглощения в приземных слоях атмосферы, из-за чего значительно снижаются требования к выходным мощностным характеристикам квантового генератора.

Наш проект посвящен разработке конструкции перспективного лазерного модуля на основе иттрий-алюминиевого граната, легированного ионами хрома (АИГ:Cr), обладающего высокими энергетическими и частотным характеристиками генерируемого излучения в безопасной для глаз области спектра (1530 ± 20 нм).

В результате проведения НИОКР будет создан макет лазерного модуля, предназначенный для отработки основных технических решений получения лазерного излучения на активной среде АИГ:Cr и последующим созданием на его базе лазерного модуля, применяемого в лидарных дальнометрических системах дистанционного зондирования атмосферы.

Перейдем к рассмотрению характеристик разрабатываемого нами модуля лазерного излучения на основе АИГ:Cr и оценке его основных конкурентных преимуществ перед существующими аналогами.

По своим характеристикам наиболее близкими аналогами разрабатываемого макета являются лазеры на основе иттербий-эрбиевых фосфатных стекол, оптоволоконные и диодные лазерные модули. 

1. Лазерные модули на основе иттербий-эрбиевых фосфатных стекол. Дальномеры, работающие на данной активной среде, получили очень широкое распространение, поскольку имеют прямую генерацию на полуторомикронном переходе, большое время жизни верхнего лазерного уровня (~ 8 мс), позволяющее осуществлять эффективную лазерную диодную накачку. Однако имеется и ряд существенных недостатков: 

– низкая эффективность (не более 2%), обусловленная небольшим сечением излучательного перехода, низкого коэффициента усиления и работой по трехуровневой системе;

– из-за низкой теплопроводности активной среды имеются ограничения частоты повторения импульсов (не более 10 Гц), превышая которые активный элемент может попросту треснуть. 

К примеру, лазерный модуль CL1535-100uJ-SL001 Eye-safe, выпускаемый компанией CryLink (Китай), имеет следующие характеристики: 

1) Длина волны излучения – 1535 нм; 

2) Выходная энергия импульса излучения – не более 300 мкДж; 

3) Частота следования импульсов в свободной генерации – не более 10 Гц; 

4) Расходимость лазерного пучка – не более 12 мрад. 

Как видно из приведенных характеристик зарубежного аналога, собранного на базе эрбиевого стекла, он обладает достаточно низкой энергией импульса излучения (не более 300 мкДж) и высоким показателем расходимости лазерного пучка (не более 12 мрад), при этом максимальная частота следования импульсов в режиме свободной генерации составляет всего 10 Гц. Как итог, совокупность указанных недостатков рассмотренного модуля свидетельствует о достаточно низкой дальности действия (как заявляет производитель – не более 5 км). 

2. Импульсные полупроводниковые лазерные модули. Активной средой в данных приборах является область p-n-перехода между двумя полупроводниковыми кристаллами с разным типом проводимости. Полупроводниковые лазеры способны излучать на длине 1540 нм, но в связи с крайне малой энергией каждого импульса (не более 10 мкДж) их применение в системах дальнометрии возможно лишь при внедрении системы накопления отраженных сигналов. Такой подход подразумевает многократное зондирование цели, регистрацию смеси принятого сигнала и шума с последующим суммирование результатов измерений. При такой схеме обработки информации каждое измерение осуществляется на протяжении 0,5 – 1 с в течении которых лазер излучает цуг импульсов с килогерцовой частотой, что делает невозможным измерение расстояния до быстродвижущейся цели. При этом еще одним недостатком применения полупроводниковых лазерных модулей является через чур сложная аппаратурная реализация процедуры измерений, которая обеспечивается аналого-цифровым преобразованием принимаемого сигнала и статистической обработкой полученных числовых массивов информации. На данным момент дальность измерительных приборов, работающих на полупроводниковых лазерных модулях, не превышает 3-5 км. 

Также стоит отметить еще один немаловажный недостаток – деградация полупроводниковых лазеров, обусловленная неоднородностью кристаллов, имеющих большое количество примесей и дефектов структуры. Полупроводниковые кристаллы также характеризуются низкой механической прочностью и, кроме того, им свойственно различное поглощение энергии: собственное, примесное, экситонное и другие. И так как активный объем, в котором носители заряда рекомбинируют, занимает незначительную часть структуры, то рассеивание тепла  происходит в небольшом объеме материала, что может приводить к его перегреву. 

Совокупность перечисленных выше факторов существенно снижает оптическую прочность материала и, как следствие, негативно сказывается на надежности полупроводниковых лазеров. К примеру, полупроводниковый лазерный модуль отечественного производства LDS-PS-1550D-F, выпускаемый компанией NordLase имеет следующие характеристики: 

1) Длина волны излучения – от 450 до 1550 нм; 

2) Длительность импульса – от 50 до 150 пс; 

3) Пиковая мощность – от 50 до 1000 мВт (не более 1 мкДж). 

Как видно из приведенных характеристик полупроводникового лазерного модуля отечественного производства, он обладает низкой выходной энергией излучения (не более 1 мкДж) в совокупности с минимальной длительностью импульса (от 50 до 150 пс). Как было отмечено ранее, использование данного устройства в системах дальнометрии будет возможно лишь при внедрении системы накопления сигналов, что негативно сказывается на стоимости конечного продукта, его обслуживании и надежности (технически сложные приборы, как правило, чаще выходят из строя). 

3.Эрбиевый волоконный лазерный модуль В данном приборе используется оптическое волокно, выполненное из кварцевого стекла, сердцевина которого легирована ионами эрбия (длина волны генерации ~ 1550 нм). Волоконные лазеры достаточно компактны, имеют высокое КПД, устойчивы к механическим воздействия и не нуждаются в юстировке и обслуживании. Однако существует ряд недостатков, существенно ограничивающих наращивание выходной мощности излучения рассматриваемых приборов. Ограничения накладываются в основном такими физическими факторами как оптический пробой и нелинейные эффекты вынужденного излучения, возникающие при увеличении диаметра сердцевины рассматриваемого волокна и сопровождающиеся существенным ухудшением качества лазерного пучка (повышением его расходимости). Для достижения максимальных мощностных показателей оптоволоконных лазеров на данный момент разрабатываются световоды с несколькими сердцевинами в одной оболочке, а для когерентного суммирования выходящего излучения применяются дорогостоящие массивы микролинз, что существенно повышает стоимость конечного продукта. 

Например, волоконный лазерный модуль C-Fiber 1560, выпускаемый компанией Menlo Systems (Германия) имеет следующие характеристики: 

1) Длина волны излучения – 1560 нм; 

2) Энергия импульса излучения – не более 3,5 нДж; 

3) Длительность импульса – не более 90 фс. 

Как и в случае с полупроводниковыми лазерными модулями, оптоволоконные квантовые генераторы из-за низкой энергии излучения (3,5 нДж) могут использоваться в системах дальнометрии только при условии внедрения каких-либо специальных систем накопления отраженных сигналов, что в итоге будет негативно сказываться на надежности и стоимости выпускаемого продукта.

Говоря о преимуществах применения АИГ:Cr в качестве активной среды в разрабатываемом макете квантового генератора в первую очередь стоит отметить его физико-механические свойства: 

– хорошая теплопроводность и устойчивость к воздействиям резких колебаний температуры; 

– высокая прочность, обуславливающая устойчивость к механическим воздействиям и, как следствие, большой срок службы активной среды;

– высокая оптическая однородность и структурное совершенство, отсутствие зависимости показателя преломления активной среды от поляризации и направления распространения излучения. 

Благодаря рассмотренным свойствам кристаллы АИГ:Cr могут стабильно работать на протяжении длительного времени при очень высоких частотах следования импульсов или даже при непрерывном тепловом воздействии источника накачки. Также хотелось бы отметить основные спектрально-люминесцентные свойства используемой активной среды: 

– большое сечение поглощения в области 900-1200 нм, обеспечивающее эффективное поглощение излучения света накачки; 

– возможность получения генерации излучения в широком диапазоне длин волн (1350-1600 нм); 

– высокая лучевая прочность (20-30 Дж/см2), способствующая сохранению оптических параметров материала на протяжении всего срока службы; 

– высокий коэффициент усиления и низкий порог генерации, обеспечивающие высокую эффективность преобразования энергии накачки в энергию излучения. 

Таким образом, разрабатываемый нами макет лазерного модуля благодаря уникальным свойства активной среды АИГ:Cr позволит получить высокую, по сравнению с конкурентами, выходную энергию лазерного импульса (более 10 мДж) на безопасной длине волны излучения. За счет этого, при внедрении данного устройства в системы дальнометрии, удастся реализовать моноимпульсный метод определения расстояния до объекта, не требующий внедрения технически сложных и дорогостоящих систем накопления отраженных сигналов. В результате лазерный модуль на основе АИГ:Cr, имея достаточно простую и надежную конструкцию, позволит существенно увеличить тактико-технологические характеристики дальномеров и, при этом, исполнить актуальное на сегодняшний день требование – переход на безопасную для глаз длину волны. 

При этом наш продукт будет иметь огромный потенциал для его дальнейшей модернизации. Например, при внедрении в его конструкцию модулятора добротности (электрооптического затвора) и применении кристалла КТР, можно существенно повысить частоту и снизить до 10-12 нс длительность генерируемых импульсов. Это позволит перейти на абсолютно новый уровень в области развития информационных лазерных систем, работающих в безопасном диапазоне длин волн.

Основные технические характеристики предлагаемого нами лазерного модуля:

1. Длина волны излучения, нм: 1530 ± 20. 

2. Частота повторения импульсов, Гц: не менее 10. 

3. Выходная энергия импульса излучения, мДж: не менее 10. 

4. Потребляемая мощность, Вт: не более 10. 

5. Расходимость лазерного пучка: не более 5 мрад. 

6. Длительность лазерного импульса в режиме свободной генерации, мкс – не более 120. 

7. Длительность выходного импульса в режиме модуляции добротности, нс - не более 12. 

8. Спектральный диапазон поглощения энергии накачки, нм: 900 – 1200.

Научно-исследовательская и опытно-конструкторская работа по созданию макета лазерного модуля на основе АИГ:Cr будет состоять из следующих этапов: 

1. Изучение научно-технической литературы по тематике работы. На данном этапе работы будут рассмотрены основные принципы и методы построения лазерных модулей, работающих на длине волны 1500-1600 нм. Исследованы имеющиеся способы накачки активных сред и выбор наиболее подходящего. Будут проведены предварительные теоретические расчеты выходных энергетических и спектральных характеристик проектируемого лазерного излучателя. 

2. Разработка рабочей конструкции макета лазерного модуля на основе АИГ:Cr. На данном этапе работы будут решены технические задачи, связанные с: 

1) расчетом мощностных характеристики системы поперечной диодной накачки, Выбор диодов в качестве источника накачки обусловлен несколькими факторами: во-первых, они обладают узкой полосой излучения на требуемой длине волны поглощения активной среды, что позволит добиться практически идеального согласования лазерных спектров. Во-вторых, при их использовании количество отводимого тепла от лазерного активного элемента снижается в несколько раз, что существенно снижает тепловую нагрузку системы. При этом, поперечная схема накачки, в отличии от продольной, позволит добиться максимальных значений энергии генерируемого излучения. 

2) расчетом и разработкой геометрии конструкции отражателя, подбором покрытия с максимальным коэффициентом отражения на рабочей длине волны; 

3) определением рабочих параметров блока электропитания лазерных диодов; 

4) выбором конфигурации оптического резонатора, оценкой его устойчивости и расчетом коэффициентов пропускания зеркал. 

3. Сборка макета лазерного модуля на основе АИГ:Cr. 

1) в соответствии с разработанной конструкцией макета лазерного модуля будет осуществлена установка всех его комплектующих на оптическую скамью; 

2) для оценки работоспособности собранного макет будут проведены испытания всех его систем. 

4. Разработка методики испытаний макета лазерного модуля на основе АИГ:Cr. 

1) определение рабочих методов юстирования оптической системы модуля, позволяющих свести к минимуму потери излучения. 

2) разработка методов оптимизации режима работы лазерного модуля и корректирования рабочих параметров системы накачки; 

3) определение порядка проведения испытаний; 

4) разработка формы протокола испытаний. 

4. Проведение испытаний макета лазерного модуля на основе АИГ:Cr. На данном этапе проводятся измерения выходных энергетических и спектральных параметров излучения, генерируемого лазерным модулем. Оценивается эффективность преобразования прибором энергии накачки в энергию излучения.

На страницу проекта