Высокочастотные Nd:YAG лазеры для спутниковых измерительных систем нового поколения

А. Ф. Корнев¹, В. В. Коваль¹, Ю. В. Кацев¹, А. В. Едигарев^1,2, Д. О. Оборотов¹, И. Г. Кучма¹

¹ООО «Лазеры и оптические системы», г. Санкт-Петербург, Россия

В настоящее время в прецизионной спутниковой дальнометрии широко применяются Nd:YAG лазеры, обладающие длительностью импульса < 50 пc, частотой следования импульсов от ~100 Гц до ~1 кГц и энергией в импульсе ~2.5 мДж. Ранее нами был разработан пикосекундный Nd:YAG лазер, работающий на частоте следования импульсов 300 Гц и хорошо себя зарекомендовавший при использовании в радиоастрономической обсерватории «Светлое» в составе КОС Сажень-ТМ [1]. Однако стремительный рост требований к точности и информационной ёмкости спутниковых измерительных систем нового поколения предопределяет переход на более высокую частоту следования импульсов 10 кГц и более [2].

В настоящей работе представлены результаты разработки высокочастотного Nd:YAG лазера, построенного по схеме «задающий генератор — многокаскадный усилитель мощности — генератор второй гармоники». Задающий генератор представляет собой лазер с торцевой диодной накачкой и активной модуляцией добротности, обеспечивающий генерацию импульсов длительностью ~20 нс, с частотой следования импульсов 10 кГц и энергией в импульсе ~1 мДж. Многокаскадный усилитель мощности представляет собой 8 последовательно расположенных каскадов усиления с непрерывной торцевой диодной накачкой. Элементная база многокаскадного усилителя аналогична используемой в ранее разработанном пикосекундном лазере. В качестве генератора второй гармоники использовался кристалл LBO 5×5×25 мм с некритичным фазовым синхронизмом I типа (θ = 90°, φ = 0°).

Максимальная полученная средняя мощность на выходе лазера на длине волны 1064 нм составила ~330 Вт, а на длине воны 532 нм — 185 Вт, что соответствует энергии в импульсе 33 мДж и 18 мДж на частоте следования импульсов 10 кГц соответственно. Эффективность ГВГ составила ~56 %. Нестабильность средней мощности в течение 10 мин работы на длине волны 532 нм составила менее 0.4 % СКО. Расходимость излучения на выходе лазера на длине волны 532 нм составила 0.7 мрад по уровню 0.5 средней мощности при диаметре пучка 1.8 мм, что соответствует ~2.5×DL.

Стоит отметить, что в данном лазере возможно использование в качестве задающего генератора пикосекундного лазера с длительностью импульсов ~35 пс, описанного в работе [1].

Представленный лазер имеет гибкую архитектуру, которая позволяет получать высокочастотное лазерное излучение с качеством, близким к дифракционному, и осуществлять масштабирование уровня средней мощности за счет увеличения и уменьшения количества числа усилительных каскадов, что несомненно будет востребовано в спутниковых измерительных системах нового поколения.

Литература

1) Корнев А. Ф., Кацев Ю. В., Коваль В. В. и др. Пикосекундный Nd:YAG-лазер с широким рабочим температурным диапазоном (–40… +40° С) // Труды ИПА РАН. 2021. № 57. С. 16–22.

2) Hampf D., Schafer E., Sproll F., et al. Satellite laser ranging at 100 kHz pulse repetition rate // CEAS Space Journal. 2019. Т. 11. № 4. P. 363–370.