Твердотельные неодимовые лазеры с солнечной накачкой

Аннотация

Актуальность и востребованность темы диссертации. В настоящее время в мире одним из важных физических проблем в динамично развивающемся области создания лазерных устройств, преобразующих энергию солнечного излучения в энергию лазерного излучения, является выявление новых активных сред, обладающих определенными физическими свойствами, для эффективного преобразования энергии широкополосного спектра солнечного излучения в энергию монохроматического лазерного излучения и предотвращения негативных термических эффектов, возникающих в процессе эксплуатации этих активных сред. С этой точки зрения поиск и выявление новых путей увеличения эффективности лазеров с солнечной накачкой на основе последних достижений в области материаловедения и в современной оптике и лазерной физике является одним из важнейших задач. На сегодняшний день в мире исследования в области решения проблем лазеров с солнечной накачкой, преобразующих широкополосное солнечное излучение в когерентное, монохроматическое и направленное излучение, благодаря перечисленным свойствам, преобразование энергии солнечного излучения в энергию лазерного излучения позволяет получить такие световые потоки, плотности которых значительно превышают плотности, получаемые на фокусе солнечных концентраторов, и может привести к появлению новых высокотемпературных технологий, основанных на использовании возобновляемых источников энергии. В этом аспекте целевые научные исследования, в том числе реализация в приведенных ниже направлениях, а именно: разработка и создание новых высокоэффективных лазеров с солнечной накачкой; поиск и выявление новых путей увеличения эффективности лазеров с солнечной накачкой на основе последних достижений в области материаловедения и в других областях современной науки считаются одними из важных задач. В годы независимости в нашей республике особое внимание обращено научным исследованиям в области физики лазеров с солнечной накачкой, включающем физические явления и процессы, имеющие фундаментальное значение при создании различных типов лазерных устройств. В этом аспекте на основе применения новых материалов, обладающих качественными оптическими свойствами, а также совершенствования методов улучшения эффективности путем введения в кристаллы дополнительных элементов достигнуты существенные результаты. На основе Стратегии действий дальнейшего развития Республики Узбекистан является наиболее важным решение проблем эффективности лазеров, с солнечной накачкой обеспечивающих их широкое применение за счет разработки новых технологий. Данное диссертационное исследование в определенной степени служит выполнению задач, предусмотренных в Постановлениях Президента Республики Узбекистан № ПП-1442 «О приоритетных направлениях развития индустрии Республики Узбекистан на 2011-2015 гг.» от 15 декабря 2015 года, № УП-4947 «О мерах по дальнейшей реализации Стратегии действий по пяти приоритетным направления развития Республики Узбекистан в 2017-2021 годах» от 7 февраля 2017 года и № ПП-2789 «О мерах по дальнейшему совершенствованию деятельности Академии наук, организаций, управления и финансирования научно-исследовательской деятельности» от 17 февраля 2017 года, а также в других нормативно-правовых документах, принятых в данной сфере. Целью исследования является выявление эффективных способов преобразования солнечной энергии в энергию лазерного излучения на основе исследования физических процессов, происходящих в лазерных системах с солнечной накачкой принимая во внимание оптические, термические и механические характеристики твердотельных активных сред Научная новизна исследования заключается в следующем: разработаны новые методы моделирования процессов многократного отражения, преломления, поглощения, фотолюминесценции; впервые создан экспериментальный лазер на Большой Солнечной Печи и получена лазерная мощность 80Вт в непрерывном режиме; созданы компьютерные модели, позволяющие проводить численные эксперименты по изучению характеристик лазерных систем с солнечной накачкой различной конфигурации, включая характеристики концентраторов; выявлены оптимальные варианты схем накачки Nd:YAG, Nd:Cr:YAG, CrzGSGG лазеров на Большой Солнечной Печи и малых параболических концентраторах; впервые предложен новый альтернативный подход, основанный на использование внешних преобразователей частоты солнечного спектра и показана возможность увеличения эффективности накачки Nd:YAG лазеров до 30-32%; обоснованы возможности использования активных элементов-кристаллов Cr:YAG, Ce:YAG, Cr:GSGG, CrLICAF, ТЁСапфира в качестве преобразователей частоты солнечного спектра. Заключение На основании проведенных исследований сделаны следующие выводы: 1. Впервые создан лазер с накачкой концентрированным потоком солнечного излучения большой солнечной печи института материаловедения НПО «Физика-солнце». 2. Создана новая статистическая модель лазера, накачиваемого сконцентрированным потоком солнечного излучения, основанная на прослеживании одиночных фотонов и моделирования элементарных процессов (многократные отражения и преломления, поглощения и эмиссия) методом Монте-Карло, позволяющая проводить расчеты для различной конфигурации солнечного лазера и формы активного элемента (стрежневой и дисковой геометрии, композитные). 3. Показана возможность количественной характеризации термических эффектов в рамках разработанной статистической модели: выведены аналитические выражения, описывающие термически наведенного линзового эффекта, и разработана методика их расчетов. Установлены предельные тепловые нагрузки на активные элементы для эффективной работы лазеров. 4. Предложено конструкторское решение проблем двукратно активированных активных элементов Nd:Cr:YAG и Nd:Cr:GSGG, связанных с термическими эффектами, препятствующими созданию на их основе высокоэффективных лазеров с солнечной накачкой. 5. Впервые теоретически показана возможность эффективного преобразования энергии концентрированного потока солнечного излучения в энергию лазерного излучения, на малых параболических концентраторах и на линзах Френеля. 6. Предложена новая концепция для эффективного преобразования солнечной энергии в энергию лазерного излучения, основанная на использование внешних частотных преобразователей для преобразования частоты большого количества не поглощенных солнечных фотонов при накачке лазеров. 7. Основными преимуществами предложенной концепции является пониженные тепловые нагрузки на активную среду, возможность использования различных материалов для активной среды и преобразователя частоты, менее жесткие требования к тепловым свойствам (тепло-наведенное двойное лучепреломление, эффект линзы) преобразователя частоты, а также возможность независимого регулирования температуры в активной среде и преобразователе частоты. 8. Теоретически показано, что для генерации наносекундных импульсов при солнечной накачке можно использовать пассивные затворы на основе Cr4’:YAG, а для пикосекундных импульсов кристаллы GaAs. 9. Показаны возможность создания лазеров с солнечной накачкой с модуляцией добротности и пассивной синхронизацией мод на основе лазерных материалов Nd3’:Cr3’:GSGG и Nd3*:Cr3+:YAG с примесными ионами Сг4+ и возможность генерации последовательности импульсов в наносекундном диапазоне. 10. Впервые экспериментально показана возможность увеличения концентрации дефектов в кристалле GaAs при длительном допороговом (ниже интенсивности порога разрушения) облучении импульсным лазерным излучением. 11. Впервые теоретически показана возможность использования кристалла GaAs одновременно как насыщающего поглотителя и элемента отрицательной обратной связи в твердотельных лазерах. Установлено, что при соответствующей концентрации дефектных уровней, возможно осуществление как нелинейную ООС, так и насыщающее поглощение и генерация импульсов в пикосекундном диапазоне.