Пространственные характеристики Nd : YAG-лазера импульсного дальномера в широком диапазоне температур окружающей среды

  • Виктория Евгеньевна Орехова Пеленг, ул. Макаенка, 25, 220114, г. Минск, Беларусь
  • Виктор Эдвардович Кисель Белорусский национальный технический университет, пр. Независимости, 65, 220013, г. Минск, Беларусь
  • Константин Александрович Орехов Пеленг, ул. Макаенка, 25, 220114, г. Минск, Беларусь

Аннотация

Исследованы пространственные характеристики импульсного лазера на основе цилиндрического кристалла иттрий-алюминиевого граната, легированного ионами Nd3+ (Nd : YAG), с кондуктивно охлаждаемой боковой поверхностью для применения в составе систем измерения дальности авиационного базирования при энергии лазерных импульсов не менее 80 мДж на длине волны 1064 нм. Разработана конфигурация системы поперечной диодной накачки для цилиндрического кристалла Nd : YAG диаметром 4 мм с концентрацией ионов Nd3+ 0,9 ат. %, обеспечивающая эффективность накачки не менее 0,65. С использованием программного обеспечения OpticStudio и LASCAD рассчитаны профили поглощения излучения накачки для различных центральных длин волн излучения накачки и определена величина тепловой линзы в лазерном кристалле для частот следования импульсов 1,0; 4,0; 12,5; 22,0 Гц. Проведена оценка расходимости пучка лазерного излучения для плоского резонатора с переменной внутренней линзой. Экспериментально исследовано пространственное распределение лазерного излучения в дальней зоне для частот следования импульсов 1,0; 4,0; 12,5; 22,0 Гц в диапазоне температур окружающей среды от – 40 до + 60 °С при стабилизации температуры источника диодной накачки элементами Пельтье. Показано, что энергетическая расходимость лазерного излучения по уровню 1/e2 не превышает 1,9 мрад. При фиксированной температуре для частот следования импульсов 1,0; 4,0; 12,5; 22,0 Гц и числа зарегистрированных импульсов не менее 45 двойное среднеквадратичное угловое отклонение энергетических центров масс профилей лазерного пучка в дальней зоне относительно усредненного положения энергетического центра масс для частоты следования импульсов 4,0 Гц не превышает 0,5 мрад. Полученные значения расходимости и двойных среднеквадратичных угловых отклонений энергетических центров масс профилей лазерного пучка в дальней зоне указывают на возможность применения лазера в составе дальномера на борту беспилотных летательных аппаратов.

Биографии авторов

Виктория Евгеньевна Орехова, Пеленг, ул. Макаенка, 25, 220114, г. Минск, Беларусь

инженер-исследователь I категории научно-конструкторского управления «Космос»

Виктор Эдвардович Кисель, Белорусский национальный технический университет, пр. Независимости, 65, 220013, г. Минск, Беларусь

доктор физико-математических наук, профессор; заведующий научно-исследовательским центром оптических материалов и технологий, профессор кафедры лазерной техники и технологии приборостроительного факультета

Константин Александрович Орехов, Пеленг, ул. Макаенка, 25, 220114, г. Минск, Беларусь

ведущий инженер-исследователь научно-конструкторского управления «Космос»

Литература

  1. Coney AT, Beecher S, Damzen MJ, Elder I. High-energy Q-switched Nd : YAG oscillator and amplifier development for largemode, low-alignment sensitivity applications. Laser Physics Letters. 2022;19(8):085001. DOI: 10.1088/1612-202X/ac73f9.
  2. Sabatini R, Richardson MA, editors. Airborne laser systems testing and analysis. [S. l.]: Research and Technology Organisation, North Atlantic Treaty Organisation; 2010. Report No.: RTO-AG-300-V26. Chapter 2.1, General; p. 2-1 (RTO AGARDograph 300); (Flight test techniques series; volume 26).
  3. Maini AK. Handbook of defence electronics and optronics: fundamentals, technologies and systems. Hoboken: John Wiley & Sons; 2018. Chapter 10.3.5.1, Nd : YAG and Nd : Glass range finders; p. 874–875.
  4. Sabatini R, Richardson MA, Gardi A, Ramasamy S. Airborne laser sensors and integrated systems. Progress in Aerospace Sciences. 2015;79:15‒53. DOI: 10.1016/j.paerosci.2015.07.002.
  5. Polyakov VM, Kovalev AV, Uskov AV. Optimisation of the optical scheme of a compact double-pass Nd : YAG amplifier for range finding. Quantum Electronics. 2018;48(1):13–18. DOI: 10.1070/QEL16539.
  6. Bahuguna KC, Sharma P, Vasan NS, Gaba SP. Laser range sensors. Defence Science Journal. 2007;57(6):881‒890. DOI: 10.14429/dsj.57.1827.
  7. Semwal K, Bhatt SC. Diode-pumped Nd : YAG eye-safe laser. Applied Innovative Research [Internet]. 2020 [cited 2023 February 25];2(3):181–184. Available from: https://nopr.niscpr.res.in/bitstream/123456789/55990/1/AIR%202%283%29%20181-183.pdf.
  8. Ashraf MM, Siddique M. Simulation of diode-pumped Q-switched Nd : YAG laser generating eye-safe signal in IOPO environment. Optics and Photonics Journal. 2012;2(3):167–172. DOI: 10.4236/opj.2012.23025.
  9. Kaskow M, Gorajek L, Zendzian W, Jabczynski J. MW peak power KTP-OPO-based «eye-safe» transmitter. Opto-Electronics Review. 2018;26(2):188–193. DOI: 10.1016/j.opelre.2018.04.005.
  10. Maini AK. Handbook of defence electronics and optronics: fundamentals, technologies and systems. Hoboken: John Wiley & Sons; 2018. Chapter 10.3.7, Some representative LRF systems; p. 878–884.
  11. Goldberg L, Nettleton J, Shilling B, Trussel W, Hays A. Compact laser sources for laser designation, ranging and active imaging. In: Wood GL, Dubinskii MA, editors. Laser source technology for defence and security III. Proceedings of the defense and security symposium; 2007 April 9–10; Orlando, USA. Bellingham: The International Society for Optical Engineering; 2007. Paper No. 65520G (Proceedings of SPIE; volume 6552). DOI: 10.1117/12.722143.
  12. Nejad SM, Olyaee S. Low-noise high-accuracy TOF laser range finder. American Journal of Applied Sciences. 2008;5(7):755–762. DOI: 10.3844/ajassp.2008.755.762.
  13. Orekhova VE, Kisel VE, Orekhov KA. Diode-pumped laser for rangefinders operating over wide temperature range. Devices and Methods of Measurements. 2023;14(1):27–37. Russian. DOI: 10.21122/2220-9506-2023-14-1-27-37.
  14. Degnan JJ. Theory of the optimally coupled Q-switched laser. IEEE Journal of Quantum Electronics. 1989;25(2):214–220. DOI: 10.1109/3.16265.
  15. Jensen L, Jupé M, Mädebach H, Ehlers H, Starke K, Ristau D, et al. Damage threshold investigations of high-power laser optics under atmospheric and vacuum conditions. In: Exarhos GJ, Guenther AH, Lewis KL, Ristau D, Soileau MJ, Stolz CJ, editors. Laser-induced damage in optical materials – 2006. Proceedings of the 38 th annual Boulder damage symposium; 2006 September 25–27; Boulder, USA. Bellingham: The International Society for Optical Engineering; 2006. Paper No. 64030U (Proceedings of SPIE; volume 6403). DOI: 10.1117/12.696443.
  16. Wernham D. Optical coatings in space. In: Lequime M, Macleod HA, Ristau D, editors. Advances in optical thin films IV. Proceedings of SPIE optical systems design; 2011 September 5–7; Marseille, France. Bellingham: The International Society for Optical Engineering; 2011. Paper No. 81680F (Proceedings of SPIE; volume 8168). DOI: 10.1117/12.902318.
  17. Lu J, Prabhu M, Song J, Li C, Xu J, Ueda K, et al. Optical properties and highly efficient laser oscillation of Nd : YAG ceramics. Applied Physics B: Lasers and Optics. 2000;71(4):469–473. DOI: 10.1007/s003400000394.
  18. Hodgson N, Weber H. Laser resonators and beam propagation: fundamentals, advanced concepts and applications. 2nd edition. New York: Springer; 2005. Chapter 17.1, Porro prism resonators; p. 585–591.
  19. Svelto O. Principles of lasers. 5th edition. Hanna DC, translator and editor. New York: Springer; 2010. XXI, 620 p. DOI: 10.1007/978-1-4419-1302-9.
  20. Hodgson N, Weber H. Laser resonators and beam propagation: fundamentals, advanced concepts and applications. 2nd edition. New York: Springer; 2005. Chapter 5.2.3, The TEM00 mode; p. 235–241.
  21. Anan’ev YuA. Opticheskie rezonatory i lazernye puchki [Optical cavities and laser beams]. Moscow: Nauka; 1990. 264 p. Russian.
  22. Hodgson N, Weber H. Laser resonators and beam propagation: fundamentals, advanced concepts and applications. 2nd edition. New York: Springer; 2005. Chapter 5.4.2, Two aperture limited mirrors; p. 277–279.
  23. Burns HN, Christodoulou CG, Boreman GD. System design of a pulsed laser rangefinder. Optical Engineering. 1991;30(3):323–329. DOI: 10.1117/12.55801.
  24. Stavrov AA, Pozdniakov MG. Pulse laser rangefinders for optic location systems. Doklady BGUIR [Internet]. 2003 [cited 2023 March 18];1(2):59–65. Available from: https://libeldoc.bsuir.by/handle/123456789/30959. Russian.
Опубликован
2024-01-26
Ключевые слова: лазерный дальномер, диодная накачка, расходимость лазерного пучка, Nd : YAG
Как цитировать
Орехова, В. Е., Кисель, В. Э., & Орехов, К. А. (2024). Пространственные характеристики Nd : YAG-лазера импульсного дальномера в широком диапазоне температур окружающей среды. Журнал Белорусского государственного университета. Физика, 1, 26-41. Доступно по https://journals.bsu.by/index.php/physics/article/view/5770
Выпуск
№ 1 (2024): Журнал Белорусского государственного университета. Физика
Раздел
Лазерная физика

Copyright (c) 2024 Журнал Белорусского государственного университета. Физика

Лицензия Creative Commons

Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.

Авторы, публикующиеся в данном журнале, соглашаются со следующим:

  1. Авторы сохраняют за собой авторские права на работу и предоставляют журналу право первой публикации работы на условиях лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial. 4.0 International (CC BY-NC 4.0).
  2. Авторы сохраняют право заключать отдельные контрактные договоренности, касающиеся неэксклюзивного распространения версии работы в опубликованном здесь виде (например, размещение ее в институтском хранилище, публикацию в книге) со ссылкой на ее оригинальную публикацию в этом журнале.
  3. Авторы имеют право размещать их работу в интернете (например, в институтском хранилище или на персональном сайте) до и во время процесса рассмотрения ее данным журналом, так как это может привести к продуктивному обсуждению и большему количеству ссылок на данную работу. (См. The Effect of Open Access).