ИССЛЕДОВАНИЕ МОДУЛЯЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЛАЗЕРНЫХ ДИОДОВ

НАКАЧКИ ДЛЯ ВОЛОКОННЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ЛАЗЕРОВ

Маннанов И. ?, Лапшин С.В.

Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева

– КАИ

В лазерных, в том числе и аддитивных технологиях нашли широкое применение

волоконные технологические лазеры, характеризующиеся высоким КПД, стабильностью

характеристик и наилучшей среди существующих моделей удельной мощностью. Более

короткая, по сравнению с CO2 лазерами длина волны 1,06 мкм позволяет эффективнее

использовать

энергию

лазерного

излучения

для

обработки

материалов.

В

лазерных

технологиях используют как непрерывное, так и импульсное лазерное излучение, а также

комбинацию

этих

двух

режимов.

Импульсный

режим

позволяет

сконцентрировать

энергию

излучения

в

малом

промежутке

времени

и

получить

высокую

мощность

воздействия

на

материал.

Так,

импульсный

режим

работы

широко

используется

при

лазерной

пробивке

отверстий,

сварке

малогабаритных

деталей,

маркировке,

очистке

поверхности, а также лазерной закалке и упрочнении.

Существует

ряд

способов

модуляции

лазерного

излучения.

В

газовых

и

полупроводниковых лазерах модуляция осуществляется электронным образом по цепи

источника питания [1]. В твердотельных стержневых и дисковых лазерах применяют, как

правило,

модуляцию

добротности

резонатора

при

помощи

пассивного

или

активных

затворов различных типов (ячейка Керра, Поккельса, оптоакустический затвор и т.д.) [1].

Эти

методы

реализуемы

в

лазерах,

у

которых

резонаторная

система

выполнена

на

дискретных оптических элементах – диэлектрических зеркалах. В случае волоконных

лазеров [2], у которых зеркала представляют собой Брегговскую волоконную решетку [3] и

конструктивно интегрированы с активным оптическим волокном, внутрирезонаторные

методы модуляции добротности неприменимы и возможна только модуляция по цепи

питания источника накачки, в качестве которого выступают полупроводниковые лазерные

диоды

с

оптоволоконным

выходом.

В

этой

связи

представляет

интерес

исследовать

модуляционные

динамические

характеристики

для

определения

предельной

частоты

модуляции волоконных лазеров.

Рис.1 Внутреннее устройство лазерного диода накачки. Внешняя крышка удалена.

Эксперименты

проводили

с

лазерными

диодами

типа PLD-10-962,

которые

применяются ИРЭ-Полюс для накачки технологических волоконных лазеров серии ЛС.

Внутреннее

устройство

лазерного

диода

представлено

на

рис.1

Блок-схема

экспериментальной установки представлена на рис.2. Источник питания 1 обеспечивает

подачу стабилизированного напряжения 12В на схему формирователя 2 импульсов тока

для

лазерного

диода

3.

Схема

обеспечивает

формирования

импульсов

заданной

амплитуды, период и длительность которых определяются задающим функциональным

генератором 4. Сигнал напряжения, снимаемый с низкоомного измерительного резистора

5,

включенного

последовательно

с

лазерным

диодом

3

пропорционален

току

через

лазерный

диод

и

подается

на

вход

2

двухканального

цифрового

запоминающего

осциллографа 6 Huntek типа DSO5202B. Выходное оптическое волокно 7 диодного лазера

3 направлялось на фотодиод 8 типа ФД256К, включенного в фотовольтаическом режиме.

Рис.2 Блок-схема экспериментальной установки

За счет малой величины фоточувствительной площадки фотодиода и шунтирования

его сопротивлением 500 Ом, его частотные характеристики не будут искажать результаты

измерений.

Сигнал

с

фотодиода

8

подавался

на

вход

1

осциллографа

6.

Сигналы,

получаемые на дисплее осциллографа для различных частот представлены на рис.3.

(а)

(б)

(в)

(г)

(д)

(е)

Рис.3 Сигналы модулирующего тока и интенсивности излучения на выходе лазерного

диода. Частота модуляции: а – 5 кГц; б – 15 кГц; в – 30 кГц; г - 50 кГц; д – 70 кГц; е – 100

кГц

Обработку результатов эксперимента проводили следующим образом. В интервале

уровней от 0.1 до 0.9 от максимального значения амплитуды импульса определяли время

нарастания и время спада для токового импульса накачки и светового импульса лазерного

излучения. Непрямоугольная форма импульсов тока через лазерный диод обусловлена

конечным

временем

переключения

управляющего

полевого

транзистора.

Найденные

значения времени нарастания и спада токового импульса вычитали из соответствующих

значений

времен

светового

импульса,

корректируя

тем

самым

задержку,

вызванную

стабилизатором тока лазерного диода.

Установлено,

что

скорректированное

время

нарастания

светового

сигнала

составляет 1,5 мкс, а время спада – 3 мкс. По осциллограммам видно, что лазерные диоды

включаются быстрее, чем выключаются. Это приводит к тому, что на частотах выше 30

кГц

включение

излучения

начинается

раньше,

чем

выключается

излучение

от

предыдущего импульса. Чем больше частота, тем сильнее проявляется этот эффект. На

рис.3 г-е видно, что световой импульс постепенно приобретает классическую форму

интегрированного прямоугольного импульса и чем выше частота, тем выше уровень

постоянной

составляющей

лазерного

излучения

(лазер

все

время

частично

остается

включенным). Искаженная форма световых импульсов снижает эффект технологического

воздействия

лазерного

излучения

на

вещество,

поскольку

импульсная

мощность,

а,

следовательно, и эффективность воздействия, определяются крутизной фронтов световых

импульсов. Исходя из результатов проведенного исследования можно сделать заключение,

что

предельная

частота

работы

лазерных

диодов

накачки

составляет

50

кГц

при

скважности импульсов 2 (импульсная последовательность типа меандр).

Выводы

Проведено

исследование

лазерных

диодов PLD-10-962,

используемых

для

накачки

волоконных

технологических

лазеров

типа

ЛС.

Установлено,

что

время

нарастания

импульса лазерного излучения составляет 1,5 мкс, а время спада – 3 мкс. Показано, что

увеличение частоты следования импульсов приводит к искажению формы импульсов и

появлению постоянной составляющей в импульсном лазерном излучении. Установлено,

что для исследуемых лазерных диодов накачки предельная частота следования импульсов

при скважности равной 2 составляет 50 кГц.

Список литературы

1. Стафеев С.К., Боярский К.К., Башнина Г.Л. Основы оптики. Учебное пособие. 2-е изд.,

испр. и доп.. – СПб.: «Лань», 2013.-336 с.

2.

Богданов,

А.В.

Волоконные

технологические

лазеры

и

их

применение:

учебное

пособие / А.В. Богданов, Ю.В. Голубенко. — СПб. : Лань, 2016. — 208 с.

3. С.А. Васильев, О.И. Медведков, И.Г. Королев, А.С. Божков, А.С. Курков, Е.М. Дианов,

"Волоконные

решетки

показателя

преломления

и

их

применения",

Квантовая

Электроника, 35, 12, 1085-1103, 2005