КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 20-79-00346

НазваниеРазработка широкополосного усилителя лазерного излучения среднего ИК-диапазона на основе монокристалла Cr:CdSe

РуководительТарабрин Михаил Константинович, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регионФедеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)", г Москва

Срок выполнения при поддержке РНФ 07.2020 - 06.2022 

КонкурсКонкурс 2020 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-602 - Моделирование технических систем

Ключевые словаспектроскопия, кристаллы группы A2B6, твердотельный лазер, средний ИК-диапазон, усилитель

Код ГРНТИ29.33.15


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Лазеры среднего ИК диапазона (2-5 мкм) имеют широкие применения в лазерной локации в атмосфере, высокоразрешающей спектроскопии, метрологии, мониторинге загрязнения окружающей среды, медицине, биологии и системах противодействие террористической угрозе летательным аппаратам. В этой области имеется ряд перспективных разработок, включая непрерывную перестраиваемую лазерную установку на кристалле Cr:CdSe, разработанную автором предлагаемого проекта (эффективность по поглощенной мощности 47,6 %, порогом накачки 0,25 Вт. Для этого лазера получен мировой рекорд по выходной мощности: 2,3 Вт при мощности накачки 6,1 Вт., за что автор предлагаемого проекта удостоен премии Правительства Москвы молодым ученым за 2018 год. Однако дальнейшее масштабирование мощности данного лазера встречает существенные ограничения, связанные с тепловыми свойствами кристалла (сравнительно высокий температурный коэффициент линейного расширения и термооптическая постоянная, существенная зависимость времени жизни верхнего состояния от температуры). Предлагаемый проект направлен на решение проблем масштабирования мощности малогабаритных эффективных и надёжных лазерных источников среднего ИК диапазона и ставит своей целью разработку твердотельного широкополосного усилителя лазерного излучения в диапазоне от 2,6 до 3,1 мкм. Для достижения поставленной цели и решения перечисленных проблем в проекте будет решаться следующий комплекс задач теоретического и прикладного характера. 1. Синтез математической модели, описывающей усилитель мощности, включая моделирование тепловых процессов в кристалле Cr:CdSe. 2. Создание высокоэффективного широкополосного усилителя лазерного излучения среднего ИК-диапазона на кристалле Cr2+:CdSe. 3. Исследование характеристик созданного широкополосного усилителя лазерного излучения среднего ИК-диапазона. Решение указанных задач позволит решить задачу масштабирования мощности лазера среднего ИК-диапазона и получить рекордные энергетические параметры выходного излучения в диапазоне от 2,6 до 3,2 мкм. Такие лазерные системы найдут широкое применение в биомедицине, томографии, оптике атмосферы, спектроскопии, стандартах частоты и оптике аттосекундных импульсов. Реализация проекта направлена на развитие кандидатской диссертации автора предлагаемого проекта, защищенной в 2019 г. по тематике спектроскопии в среднем ИК-диапазоне с помощью твердотельного непрерывного перестраиваемого лазера.

Ожидаемые результаты
В результате выполнения данного проекта предполагается: 1) получить комплексную математическую модель, описывающую усилитель мощности, включая моделирование тепловых процессов в кристалле Cr:CdSe, требования к разъюстировке резонатора, . 2) создание высокоэффективного широкополосного усилителя лазерного излучения среднего ИК-диапазона в интервале от 2,6 до 3,2 мкм на кристалле Cr:CdSe с эффективностью более 40 %. 3) существенно увеличить мощность лазеров Cr:CdSe до единиц Ватт в диапазоне от 2,6 до 3,2 мкм; 4) повысить полную эффективность системы генератор-усилитель на базе кристалла Cr:CdSe и увеличить надежность его работы до уровня, близкого к теоретическому пределу. Ожидаемые результаты являются новыми и соответствуют мировому уровню исследований. Ряд последних опубликованных работ по Cr:CdSe лазерам выполнен при участии автора предлагаемого проекта. У научной группы есть доступ к уникальным монокристаллам халькогенидов, каких нет нигде в мире. Значимость данного проекта подтверждается также интересом к проекту Миланского политехнического института, с которым заключено соглашение о совместной работе по совершенствованию данного типа лазеров и разработке усилителей. Ожидаемые результаты проекта позволят перейти к разработке различных приборов и устройств на основе Cr:CdSe лазеров и усилителей. Эти приборы и устройства могут быть использованы в биомедицине, томографии, оптике атмосферы, спектроскопии, стандартах частоты и оптике аттосекундных импульсов.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2020 году
1. В ходе проекта была разработана модель усилителя с учетом тепловых эффектов и реального распространения гауссова пучка. Модель основа на решении системы уравнений для населенности верхнего уровня, изменения интенсивности излучения накачки и сигнальной волны. Для решения этих уравнений поочередно были учтены следующие моменты: 1. Учет гауссового распределения интенсивности накачки и сигнальной волны 2. Учет распределения температуры в кристалле при использовании металлических оправ с теплопроводящим слоем 3. Учет зависимости времени жизни на верхнем рабочем уровне от температуры 4. Учет изменения показателя преломления от температуры по всему объему кристалла 5. Учет каустики распространения излучения накачки и сигнальной волны внутри кристалла 6. Учет дисперсии материала для излучения накачки и сигнальной волны по всему объему кристалла 2. Найдены предельные характеристики усилителя с имеющимся в лаборатории оборудованием и получены результаты исследования поведения кристалла Cr:CdSe в процессе усиления на основе разработанной модели. Были получены предельные характеристики усилителя для длины волны 2,65 мкм при использовании накачки с помощью тулиевого волоконного лазера с максимальной мощностью 20 Вт. За выходные параметры лазера, излучение которого будет усиливаться, были взять данные из [Tarabrin, Mikhail K., et al. ”High-efficiency continuous-wave single-mode room-temperature operation of Cr2+:CdSe single-crystal laser with output power of 2.3 W.” Opt. Express 27, 12090-12099 (2019)], полученные руководителем настоящего проекта, как наилучший результат в мире. Из полученной зависимости выходной мощности излучения на длине волны 2,65 мкм от мощности накачки предельной выходной мощностью данной системы является величина 4,9 Вт, которая достигается при накачке 14 Вт. После данной величины происходит загиб, который обусловлен доминированием процесса уменьшения времени жизни и ухудшения перекрытия каустик накачки и сигнала над самим процессом усиления. При этом среда нагревается до максимальной температуры 412 К, а время жизни в свою очередь падает до 0,09 мкс, то есть фактически часть кристалла вблизи передней грани не вносит вклад в усиление. 3. Найдено предельное значение эффективности системы, ширина спектра усиления и абсолютных значений мощности на выходе усилителя на основе экспериментально полученных данных по разработке мастер осциллятора. Предельная эффективность системы будет наблюдаться при использовании излучения на длине волны 2,65 мкм, так как она соответствует максимуму усиления среды. При этом ее величина на основе моделирования составила 44,7% по поглощенной мощности. Для получения ширины спектра усиления было проведено моделирования для каждой длины волны, при этом изменялись параметры сечения усиления, а также другие оптические параметры, которые зависят от длины волны. Мощность излучения на каждой длине волны в рамках данного моделирования была равной 1 Вт, но в будущем данные будут взяты с перестраиваемого лазера, излучение которого планируется усилить во время второго года осуществления проекта. Усилитель позволяет осуществлять работу во всем спектре люминесценции активной среды Cr:CdSe. Полученная зависимость коэффициента усиления от длины волны показывает возможность усиливать лазерное излучение от 2 до 3,4 мкм с помощью активной среды Cr:CdSe. На основе данных по расчету коэффициента усиления активной среды Cr:CdSe были получены значения абсолютной мощности на выходе усилителя при тех же условиях. При подаче 1 Вт сигнальной волны и 3 Вт накачки происходит увеличение мощности в максимуме усиления в 1,5 раза, на других длинах волн усиление имеет меньшую величину. 4. В ходе выполнения проекта были разработаны конструкции двух лабораторных установок, которые являются системами мастер осциллятор – усилитель мощности (MOPA). Первая установка представляет собой лазер с неселективным резонатором для генерации на 2,65 мкм для проверки концепции лазерного усилителя на базе кристалла Cr:CdSe. В ходе проекта были подобраны оптимальные параметры кристалла для мастер осциллятора и конфигурация его резонатора. Для корректного расчета системы фокусировки части излучения накачки и генерации мастер осциллятора для оптимального перекрытия их каустик в кристалле усилителя необходимо было измерить геометрические параметры излучения на выходе мастер осциллятора и накачки и их качество пучка. По результатам проведенных измерений качество пучка мастер осциллятора оказалось М2=1,045, а для излучения накачки М2=1,027. Для реализация широкополосного усиления в рамках проекта был разработан второй мастер осциллятор с плавной перестройкой по длине волны. Выходные характеристики данного осциллятора превосходят существующие в мире лазеры на основе кристалла Cr:CdSe. 5. Дополнительно были выполнены работы по исследованию параметров высокоскоростных приемников среднего ИК-диапазона на длине волны 1,9 мкм с помощью разработанного в лаборатории лазера ультракоротких импульсов на основе тулиевого активного волокна и гибридной синхронизации мод. Дополнительно была разработана методика просветления поликристаллических волокон на основе AgClBr для передачи излучения среднего ИК-диапазона на выходе разрабатываемого в ходе проекта усилителя до места его использования для медицинских исследований.

 

Публикации

1. - Новая технология уменьшит потери на выходе из волоконного световода Коммерсантъ, - (год публикации - ).

2. - Новая технология уменьшит потери на выходе из волоконного световода Ruscable.ru, - (год публикации - ).

3. - Новая технология уменьшит потери на выходе из волоконного световода Газета.ру, - (год публикации - ).

4. Воропаев Василий Сергеевич, Батов Даниил Тимофеевич, Власов Дмитрий Сергеевич, Воронец Андрей Иванович, Донодин Александр Игоревич, Карасик Валерий Ефимович, Лазарев Владимир Алексеевич, Тарабрин Михаил Константинович Волоконный тулиевый усилитель мощности ультракоротких импульсов на длине волны 1,9 мкм -, 2020143738/12 (год публикации - ).

5. Дмитрий Власов, Глеб Коновалов, Игорь Андреев, Юрий Яковлев, Василий Воропаев, Александр Донодин, Михаил Тарабрин, Даниил Батов, Екатерина Куницына и Владимир Лазарев Speed characterization of p-i-n photodiode based on GaSb/GaInAsSb/GaAlAsSb heterostructure with frontal bridge contact at 1.9 µm Applied Optics, 60, 2263-2268 (год публикации - 2021).

6. Козлова Е.А., Тарабрин М.К. Разработка математической модели усилителя лазерного излучения с учетом влияния тепловых эффектов и геометрии распространения пучка ЛАЗЕРЫ В НАУКЕ, ТЕХНИКЕ, МЕДИЦИНЕ, т.31 (год публикации - 2020).

7. Михаил К. Тарабрин, Андрей А. Бушунов, Андрей А. Тесленко, Татьяна Сахарова, Йонас Хинкель, Искандер Усенов, Торстен Дохлер, Уте Гешлер, Вячеслав Артюшенко и Владимир А. Лазарев Fabrication of an antireflection microstructure on AgClBr polycrystalline fiber by single pulse femtosecond laser ablation Optical Materials Express, 11, 487-496 (год публикации - 2021).


Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В ходе второго года выполнения проекта была проведена оптимизация разработанной математической модели лазерного усилителя на предмет быстродействия и апробированы основные инструменты увеличения скорости вычисления, такие как анализ эффективности встроенных решателей дифференциальных уравнений в MATLAB, создание и использование структуры параметров, предварительное выделение памяти для массивов, использование параллельных вычислений. Расчеты по исходной версии математической модели при точности вычислений с шагом 4 мкм по длине кристалла и 0,75 мкм по радиусу занимали 106,5 минут, что ограничивало количество возможных итераций в течении суток. По результатам профилирования был проведен анализ скорости вычислений каждого типа решателя ОДУ и с учетом влияния погрешности вычислений выбран решатель, основанный на методе трапеций с интерполяцией. Данное решение позволило ускорить расчеты на 37,48 минут. Использование структур параметров не показало явного ускорения - увеличилось время вызова функции. Данный метод стоит использовать в случае работы с матрицами, содержащими разные типы данных. Предварительное выделение памяти также увеличило общее время выполнения расчётов, но уменьшило процессорное время, затраченного на выполнение основных функций. Самым эффективным способом оптимизации показал себя метод параллельного расчета и использования многоядерных процессоров. Данный способ ускорил время вычисления программы 35,6 раза, что позволило значительно увеличить эффективность работы математической модели. Для верификации математической модели были разработаны и созданы две конфигурации экспериментальных макетов - работающий на длине волны максимума усиления среды и широкополосный усилитель, работающий в диапазоне 2,56-2,92 мкм. Макет, работающий на максимуме усиления среды, состоит из двух основных блоков – блок лазера, являющимся источником для последующего усиления сигнала и блок однопроходного усилителя. В разработанной схеме в качестве источника излучения использовался лазер с активной средой в виде кристалла Cr2+:CdSe, работающий на длине волны 2650 нм. Усилитель лазерного излучения также был разработан на основе кристалла Cr2+:CdSe и выполнен в конфигурации торцевой накачки для лучшего пространственного перекрытия мод. В качестве источников накачки использовались волоконные тулиевые лазеры TLM-20 и TLM-10 на длине волны 1908 нм. Также были проведены предварительные расчеты геометрии распространения пучка и параметров оптических элементов с помощью программного обеспечения ReZonator. Экспериментальный макет широкополосного усилителя лазерного излучения среднего ИК-диапазона спроектирован также на кристалле Cr2+:CdSe. В качестве источника излучения использовался перестраиваемый по длине волны лазер работающий на кристалле Cr2+:ZnSe в диапазоне 2,56-2,92 мкм. Перестройка лазера осуществляется с помощью интерференционно-поляризационного фильтра Лио. Преимущество данной схемы заключается в неизменности направления выходного излучения лазера, что позволяет создать полностью автоматизированный широкополосный усилитель с торцевой накачкой. В качестве источников накачки также использовались тулиевые волоконные лазеры TLM-20 и TLM-10 на длине волны 1908 нм. С помощью разработанных макетов были получены значения M^2 параметра по методу ножа Фуко. В соответствии с полученными результатами были рассчитаны значения параметра M^2: 2650 нм – 2,3, 2700 нм – 4,2, 2800 нм – 2,1, 2920 нм – 1,95. Из полученных данных видно, что пучок имеет высокое значение M^2 параметра. Это может быть объяснено отсутствием просветляющих покрытий на гранях кристалла, что приводит к возникновению переотражений и искажает профиль пучка, а также сильными тепловыми эффектами, наводящимися в кристалле. Улучшить качество пучка поможет просветление поверхностей кристалла, улучшение параметров охлаждения и расчёт оптимальных характеристик такие как габариты кристалла и степень легирования. Кроме этого, были получены значения максимальной выходной мощности и проведена оценка эффективности разработанного усилителя лазерного излучения на различных длинах волн. Для этого были использованы ранее полученные данные зависимости мощности генерации от падающей мощности накачки. Получены следующие значения эффективности для различных длин волн: 2650 нм – 55%, 2700 нм – 40%, 2800 нм – 29%, 2920 нм – 6%. Полученные данные хорошо согласуются с математическим расчетами что подтверждает универсальность разработанной модели для любых типов четырехуровневых сред и возможность рассчитать оптимальные параметры системы.

 

Публикации

1. Козлова Е.А., Башкатов Г.В., Назаров Д.А., Тарабрин М.К. Mathematical model and experimental verification of the solid-state laser amplifier with the strong thermal lensing SPIE Proceedings Vol. 11980: Solid State Lasers XXXI: Technology and Devices, 1198004, 4 стр. (год публикации - 2022).

2. Назаров Д.А. и Тарабрин М.К. CW Cr2+:CdSe laser tunable from 2.7 to 3.1 µm for precise surgery OSA Technical Digest, paper JM3A.2 (год публикации - 2021).

3. Назаров Д.А., Козлова Е.А. и Тарабрин М.К. CW Cr2+:ZnSe laser tunable from 2.1 to 2.3 μm for SS-OCT OSA Technical Digest, paper JTh5A.82 (год публикации - 2021).


Возможность практического использования результатов
Результаты проекта могут быть использованы для моделирования и разработки лазерных усилителей излучения с широким набором варьируемых параметров. Такие устройства необходимы при создании высокомощных лазерных источников излучения, параметры выходного излучения которых ограничиваются невозможностью получения большей выходной мощности лишь при использовании мастер осциллятора из-за возникновения тепловых эффектов, что требует применения системы мастер осциллятор - усилитель мощности. Интерес к таким системам проявляется в областях лазерной хирургии, которая в будущем позволит проводить автоматизированные прецизионные оперативные вмешательства, что является целью дальнейших разработок группы данного проекта, а также в системах высокомощных лазерных систем резки в сфере промышленности.