उच्च ऊर्जा लेजर विकास गतिविधि

1. सौ-जूल, नैनोसेकंड - स्पंद Nd: ग्लास MOPA लेजर श्रृंखला
   
   मास्टर ऑसिलेटर पावर एम्पलीफायर (MOPA) पद्धति पर आधारित सौ जूल श्रेणी की उच्च ऊर्जा उच्च शक्ति Nd : ग्लास (फॉस्फेट) लेजर श्रृंखला को स्वदेशी रूप से विकसित किया गया है और विभिन्न लेजर प्लाज्मा प्रयोग के लिए 40 J/1ns और 80 J /1.5 ns स्तर पर नियमित रूप से संचालित किया जाता है। लेजर श्रृंखला Nd:YLF ऑसीलेटर, जिनान फ्लैश लैम्प द्वारा पम्प किए गए अनुक्रमित Nd: ग्लास प्रवर्धक, प्रतिबिम्ब रिले सह निर्वात स्थानिक फ़िल्टर, फैराडे विलगक आदि से बनी है। Q - स्विच Nd:YLF ऑसीलेटर से 10 mJ ऊर्जा के लेजर स्पंद उत्पन्न होते हैं जिन्हे 10 मिमी से 80 मिमी तक क्रमिक रूप से बढ़ते व्यास के सोपानी Nd: ग्लास प्रवर्धकों मे प्रवर्धित किया जाता है। लेसर किरण पुंज को प्रतिबिम्ब रिले प्रणाली द्वारा आवर्धित किया जाता है और एक प्रवर्धक से दूसरे प्रवर्धक पर रिले किया जाता है। लेसर किरण पुंज का निम्न पारक निर्वात स्थानिक फ़िल्टर मे स्थानिक निस्पंदन किया जाता है। फ्लैशलेम्पों को स्व-विकसित संधारित्र बैंक चार्जिंग पावर सप्लाई और नियंत्रण प्रणाली द्वारा ऊर्जित किया जाता है।
   

   
   Nd: ग्लास MOPA लेजर श्रृंखला

2. 1 kJ उच्च ऊर्जा एनडी: ग्लास लेजर प्रणाली से संबंधित विकास गतिविधियां:
   
   आधुनिक उच्च ऊर्जा एनडी: ग्लास लेजर (एचईएल) प्रणालियाँ  स्पेस मल्टीप्लेक्स्ड MOPA (मास्टर ऑसिलेटर पावर एम्प्लीफिकेशन) आर्किटेक्चर पर आधारित हैं, जो लेजर-पदार्थ अंतर्क्रिया अनुप्रयोगों के लिए वांछित गुणधर्म और किलो जूल वाले के कई लेजर किरण पुंज प्रदान करते हैं। मास्टर ऑसिलेटर द्वारा वांछित कालिक, स्थानिक और स्पेक्ट्रमी गुणधर्म वाले सीड लेसर स्पंद को उत्पन्न किया जाता है जिसे उच्च लब्धि पूर्व प्रवर्धको और बहु डिस्क, बहु चक्र शक्ति प्रवर्धकों द्वारा उच्च ऊर्जा पर प्रवर्धित किया जाता है। ये उच्च ऊर्जा लेसर मूल रूप से फाइबर फ्रंट एंड, उच्च लब्धि पूर्व प्रवर्धक, दीर्घ भुजा बहु पास किरण पुंज अन्तः क्षेपण सह स्थानिक फ़िल्टर, फ्लैश लैंप द्वारा पंप किए गए एनडी: ग्लास शक्ति प्रवर्धक, प्लाज्मा इलेक्ट्रोड पॉकल्स सेल, विरूपित दर्पण आदि से निर्मित हैं।
   
   

   1. उच्च ऊर्जा 1 kJ एनडी: ग्लास लेजर प्रणाली के लिए एक सुयोजित फाइबर ऑप्टिक फ्रंट एंड प्रणाली (एफओएफईएस) का विकास
      
      उच्च ऊर्जा लेसर को वांछनीय वर्णक्रमीय, सामयिक और स्थानिक अभिलक्षण वाले बीजक स्पंद प्रदान करने के लिए फ्रंट एंड की आवश्यकता होती है। सभी फाइबर ऑप्टिकल फ्रंट एंड बीजक लेसर प्रणाली उच्च ऊर्जा एनडी:ग्लास लेसर के लिए आदर्श रूप से उपयुक्त है क्योंकि यह वांछित स्पंदकाल और स्पंद आकार के साथ बीजक स्पंद उत्पन्न करता है। व्यावसायिक  स्पंदित लेजर जैसे Q  -स्विच्ड या मोड-लॉक्ड लेसर इस अनुप्रयोग के लिए उपयुक्त नहीं हैं क्योंकि उपयोगकर्ता की आवश्यकता अनुसार स्पंद आकार और स्पंदकाल को नियंत्रित नहीं किया जा सकता है। इसलिए, उपरोक्त अनुप्रयोग के लिए CW -लेसर-स्रोत के बाह्य मॉडुलन पर आधारित फाइबर ऑप्टिक फ्रंट एंड प्रणाली विकसित की गयी है। समग्र फाइबर आर्किटेक्चर को संरेखण-मुक्त प्रचालन, असम, संहत और निर्गत पोर्ट के अतिरिक्त किसी अन्य घटक का बाह्य  वातावरण से संपर्क नहीं होना आदि अंतर्निहित लाभ के कारण उपयोग मे लाया गया है। सर्वप्रथम एक सुयोजित एक-भुजीय  फाइबर ऑप्टिक फ्रंट एंड प्रणाली विकसित की गयी है जो TEM00 मोड में 20 nJ/किरण पुंज की स्पंद ऊर्जा, 3 ns स्पंदकाल और 1053 nm पर 100 kHz की पुनरावृत्ति दर के साथ रैखिक रूप से ध्रुवीकृत समांतर किरण पुंज उत्पन्न करती है।  इसके बाद, रा रा प्र प्रौ के मे विकसित किए जा रहे द्वि-किरणपुंज 1 kJ एनडी: ग्लास लेसर के निविष्ट हेतु एक सुयोजित द्वि-भुजीय फाइबर ऑप्टिक फ्रंट एंड प्रणाली विकसित की गयी है जो TEM00 मोड में 40 nJ प्रति किरण पुंज की स्पंद ऊर्जा, 3 ns स्पंदकाल और 1053 nm पर 100 kHz की पुनरावृत्ति दर के साथ काल लयकालित रैखिक ध्रुवीकृत समांतर किरण पुंज उत्पन्न करती है ।

      भावी बहु-किरणपुंज बहु-kJ उच्च ऊर्जा लेसर की आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए, एक सुयोजित 8-किरणपुंज फाइबर ऑप्टिक फ्रंट एंड प्रणाली का विकास किया गया है जो 10 nJ प्रति किरणपुंज स्पंद ऊर्जा, 3 ns  स्पंदकाल और 1053 nm पर 100 kHz की पुनरावृत्ति दर के साथ TEM00  मोड में रैखिक ध्रुवीकृत किरणपुंज उत्पन्न करता है। एक संकीर्ण लाइन विड्थ cw फाइबर लेसर प्रणाली का पहला चरण है। आवश्यक स्पंदकाल, आकार और पुनरावृत्ति दर के साथ स्पंद उत्पन्न करने के लिए लेसर के बाद दो चरण वाली बाहरी मॉडुलन प्रक्रिया होती है। मॉडुलन का पहला चरण RF संचालित ध्वानिक ऑप्टिकल मॉडुलक पर आधारित है जो 300 ns के स्पंदकाल  के लेसर स्पंद उत्पन्न करने के लिए अधिकतम शक्ति को प्रभावित किए बिना औसत शक्ति को कम करता है। मॉडुलन का दूसरा चरण एक स्पंद जनित्र चालित तीव्रता मॉडुलक है। तीव्रता मॉडुलक को एकल प्रचालन (न्यूनतम पारगमन) बिंदु मॉडुलक नियंत्रण बोर्ड के माध्यम से न्यूनतम  पारगमन बिंदु पर संचालित किया जाता है। फिर तीव्रता मॉडुलक के प्रचालन बिंदु को RF प्रवर्धक के माध्यम से 2.85GS/s के एक यादृच्छिक तरंग जनित्र द्वारा मॉडुलित किया जाता है। यह प्रणाली लगभग 150 pJ की स्पंद ऊर्जा और λ = 1053 nm  पर ~3 ns स्पंदकाल वाले यादृच्छिक आकार के  लेसर स्पंद उत्पन्न करता है। आंतरिक अवशिष्ट विलंब के विरुद्ध दोनों मॉडुलक उप-प्रणालियों को लयकालित करने के लिए एक ट्रिगर जनित्र का उपयोग किया जाता है। लगभग 150 nJ स्पंद ऊर्जा के प्रवर्धन के लिए दोनों मॉडुलक चरणों के बाद एक फाइबर ऑप्टिक Yb-डोप्ड प्रवर्धक प्रयुक्त किया गया है। इसके बाद, 8-किरण पुंज फाइबर ऑप्टिक विपाटन-सह- विलंब मॉड्यूल को प्रणाली में प्रयुक्त किया गया है। विपाटक प्रणाली के बाद 10 nJ/भुजा से अधिक की स्पंद ऊर्जा प्राप्त की गई।
      

      
      सुयोजित 8 किरणपुंज समग्र फाइबर फ्रंट एंड प्रणाली

   2. नैनो जूल ऊर्जा के लेजर स्पंदों को जूल ऊर्जा स्तर तक प्रवर्धित करने बहुचरण जूल स्तरीय पूर्व प्रवर्धक  प्रणाली का विकास
      

      उच्च ऊर्जा लेजर प्रणाली बीजक स्पंद जनित्र के रूप में फाइबर आधारित फ्रंट एंड प्रणाली  का उपयोग करते हैं। परंतु, फाइबर फ्रंट एंड की निम्न ऊर्जा प्रहस्तन क्षमताओं के कारण, इन से निर्गत ऊर्जा नैनो जूल स्तर तक ही सीमित रहती है। जबकि, एनडी: ग्लास शक्ति प्रवर्धकों को ऊर्जा स्तर को सैकड़ों जूल तक प्रवर्धित करने के लिए मिली जूल से जूल स्तर की ऊर्जा के निविष्ट लेजर स्पंद की आवश्यकता होती है। अतः, शक्ति प्रवर्धकों की निविष्ट ऊर्जा आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए, उच्च लब्धि वाले मध्यवर्ती पूर्व प्रवर्धकों की आवश्यकता होती है।
      
      आरंभ में, एक त्रि-चरण जूल ऊर्जा स्तर की प्रोटोटाइप पूर्व- प्रवर्धक प्रणाली विकसित की गयी जो 108 से अधिक की समग्र लब्धि के साथ 40nJ/3ns ऊर्जा वाले लेजर स्पंदों की ऊर्जा  > 6J/3ns तक बढ़ाने में सक्षम है। यह प्रणाली एक डायोड पंप चार पास Nd:YLF और दो द्वि- पास एनडी:ग्लास रॉड आधारित प्रवर्धकों से निर्मित हैं। बीजक स्पंदों को Nd:YLF प्रवर्धक द्वारा चार पास विन्यास में 2X108 की लब्धि के साथ 40 nJ  से 8 mJ ऊर्जा तक प्रवर्धित किया जाता है। इन लेजर स्पंदों को Nd: ग्लास प्रवर्धक के पहले चरण में ~ 300 mJ तक और दूसरे चरण में 6 J तक प्रवर्धित किया जाता है।

      राजा रामन्ना प्रगत प्रौध्योगिकी केंद्र में विकसित किए जा रहे दो किरण पुंज उच्च ऊर्जा लेजर प्रणाली के शक्ति प्रवर्धकों को सीड करने के लिए, द्वि- किरण पुंज सुयोजित पूर्व प्रवर्धक प्रणाली विकसित की गयी जो 108 की समग्र  लब्धि के साथ प्रति भुजा 4J/3ns से अधिक ऊर्जा के लेजर स्पंद प्रदान करने में सक्षम है। निविष्ट लेजर स्पंद सुयोजित द्वि-किरण पुंज फाइबर फ्रंट एंड में उत्पन्न होते हैं जो 3 ns स्पंद काल के काल रूपित और लयकालन 40 nJ बीजक लेजर स्पंद प्रदान करने में सक्षम हैं। लेजर स्पंदों को डायोड पंप वाले चार पास Nd:YLF और द्वि-पास एनडी :ग्लास प्रवर्धकों के दो चरणों में प्रवर्धित किया जाता है।  पूर्व प्रवर्धक प्रणाली की निर्गत ऊर्जा को लगभग 10  mJ से 4J तक परिवर्तित किया जा सकता है। एकीकरण और परिनियोजन में आसानी के लिए सभी उपप्रणालियों को मॉड्यूलर असेंबली में सुयोजित किया गया है।

      
      सुयोजित द्वि- किरण पुंज पूर्व प्रवर्धक प्रणाली

   3. उच्च ऊर्जा लेसर हेतू अभिकल्प सत्यापन, स्वदेशी तकनीक से विकसित Nd : ग्लास डिस्क और अन्य उप-प्रणालियों के अभिलक्षिकरण के लिए भौतिकी प्रोटोटाइप एनडी:ग्लास लेजर प्रणाली का विकास:
      
      उच्च ऊर्जा लेजर की उप-प्रणालियों के मान्यकरण और लेजर डिस्क के अभिलक्षिकरण, पंप प्राचल के इष्टतमीकरण, लब्धि मापन, चार पास प्रवर्धक ज्यामिती के मान्यकरण के लिए एक प्रोटोटाइप एनडी:ग्लास लेजर प्रणाली का अभिकल्पन और विकास किया गया। यह प्रणाली एक क्यू-स्विच्ड Nd: YLF ऑसिलेटर, पूर्व-प्रवर्धक प्रणाली, लेजर किरण पुंज अन्तः क्षेपण, उत्क्षेपण और चार-पास प्रवर्धन के लिए दीर्घ भुजा निर्वात स्थानिक फ़िल्टर और फ्लैश लैंप पंप Nd: ग्लास डिस्क प्रवर्धक से निर्मित है।  क्यू-स्विच्ड Nd: YLF ऑसिलेटर द्वारा 5mJ/10 ns ऊर्जा के बीजक लेजर स्पंद उत्पन्न किए जाते हैं। इन स्पंदों को पूर्व- प्रवर्धक प्रणाली में 12 जूल ऊर्जा तक प्रवर्धित किया जाता है, जिन्हें फिर डिस्क प्रवर्धक मेँ भेजा जाता है। सर्वप्रथम, अभिकल्प संभाव्यता, डिस्क मेँ लब्धि अभिलक्षणन, फ्लैशलैंप पंपिंग विन्यास, पावर सप्लाइ और नियंत्रण प्रणाली इत्यादि के अध्ययन के लिए एक फ्लैश लैंप पंप 4-डिस्क एनडी: ग्लास प्रवर्धक विकसित किया गया है। प्रवर्धक मॉड्यूल एक सील बंध कोष्ठ मे ब्रूस्टर् कोण पर रखे चार एनडी: ग्लास डिस्क से बना है। प्रवर्धक हाउसिंग एक स्टैनलेस स्टील कोष्ठ है जिसमें लेजर प्रवेश और निर्गम के लिए प्रकाशिकीय विंडो और फ्लैश लैंप के विनाशकारी विस्फोट होने पर लेजर डिस्क को बचाने के लिए ब्लास्ट ग्लास का एक सेट होता है। डिस्कों को 40 सेमी आर्क लंबाई के 24 ज़ेनॉन फ्लैश लैंप के सेट द्वारा प्रकाशकीय पंप किया जाता है, जिन्हे ग्लास डिस्क और ब्लास्ट ग्लास के समीप रखा जाता है। इस प्रवर्धक में, 12 जूल ऊर्जा के लेजर स्पंद को चार पास विन्यास में 21 जूल तक प्रवर्धित किया गया ।
      

   4. 6-डिस्क, एनडी: ग्लास प्रवर्धक मॉड्यूल का डिजाइन, विकास और अभिलक्षिकरण

      500 जूल लेजर सिस्टम के पूर्वगामी के रूप में, छह ग्लास डिस्क को समायोजित करने वाले एक 6-डिस्क एनडी: ग्लास प्रवर्धक एवं आवश्यक उप-प्रणालियों का अभिकल्पन,  निर्माण, संयोजन और अभिलक्षिकरण किया गया। प्रवर्धक की विभिन्न उप प्रणालियाँ डिस्क प्रवर्धक हाउसिंग, दीर्घ भुजा निर्वात स्थानिक फ़िल्टर सह किरण पुंज अन्तः क्षेपण प्रणाली, 10 केवी संधारित्र चार्जिंग पावर सप्लाइ और नियंत्रण प्रणाली इत्यादि हैं।  प्रवर्धक हाउसिंग 2 मीटर लंबा स्टैनलेस स्टील - एल्यूमीनियम का कोष्ठ है जिसमें छह एनडी: ग्लास डिस्क रैखिक ज्यामिति में लगाए गए हैं। इन एनडी: ग्लास डिस्क को 72 ज़ेनॉन पूरित  सेरियम डोपित डोप्ड क्वार्ट्ज फ्लैश लैंप द्वारा पंप किया जाता है। डिस्क प्रवर्धक असेंबली में एक दीर्घ भुजा निर्वात स्थानिक फ़िल्टर सह किरण पुंज अन्तः क्षेपण प्रणाली को भी एकीकृत किया गया जिसमे 5 मीटर फोकल लंबाई के दो समतल-उत्तल लेंस, किरण पुंज अन्तः क्षेपण और उत्क्षेपण के लिए उच्च परावर्तकता दर्पण होते हैं।  फ्लैश लैंप छह 10 केवी संधारित्र चार्जिंग पावर सप्लाइ, पूर्व-आयनीकरण इकाइयों और नियंत्रण प्रणाली द्वारा ऊर्जित किए जाते हैं। पूर्व प्रवर्धक प्रणाली से बीजक स्पंदों को 2.5 मीटर फोकल लंबाई के किरण पुंज अन्तः क्षेपण लेंस और 45 डिग्री उच्च परावर्तकता दर्पण द्वारा दीर्घ भुजा निर्वात स्थानिक फ़िल्टर के माध्यम से छह डिस्क प्रवर्धक में भेजा जाता है। लेजर किरण पुंज प्रवर्धक से  4-पास करती है और चौथे पास के बाद दीर्घ भुजा निर्वात स्थानिक फ़िल्टर द्वारा बाहर निकल जाती है। लगभग 325 kJ  की विद्युत पंप ऊर्जा पर, ~ 11 J ऊर्जा के बीजक लेजर स्पंद को 7.3 की समग्र लब्धि के साथ 80 J  से अधिक ऊर्जा तक प्रवर्धित किया जाता है।
      

           
         
      6-डिस्क, एनडी: ग्लास प्रवर्धक

   5. उच्च ऊर्जा लेजर प्रवर्धक के लिए दीर्घ आकार की Nd: फॉस्फेट ग्लास डिस्क के किनारे की क्लैडींग की प्रक्रम स्थापना एवं विकास
      
      

      उच्च ऊर्जा लेजर मे Nd: ग्लास डिस्क मे  आंतरिक परजीवी लेसिंग को रोकने के लिए किनारे की क्लैडींग आवश्यकता होती है जो अन्यथा प्रवर्धक लब्धि को कम कर देती है। इस दिशा में, एनडी: ग्लास डिस्क के किनारों की क्लैडिंग प्रक्रिया स्थापित की गई है और 320 मिमी X 170 मिमी X 40 मिमी आकार की क्लैडेड एनडी: ग्लास डिस्क विकसित की गई है। विकास प्रक्रिया में एपॉक्सी आधारित उपयुक्त आसंजक के निर्धारण का अध्ययन, वांछित मापदंडों हेतु के लिए योग्य आसंजक का चुनाव, एनडी: ग्लास और क्लैड ग्लास डिस्क की पॉलिशिंग, बड़े आकार के एनडी: ग्लास डिस्क पर क्लैड ग्लास का आबंधन, फ्लैश लैंप किरणन के प्रभाव में बंधित जोड़ की स्थिरता पर अध्ययन शामिल है। सर्वप्रथम, एनडी: ग्लास और क्लैड ग्लास डिस्क का आमापन किया गया और किनारों को ~ λ/4 स्तर पर पॉलिश किया गया था। चयनित आसंजक द्वारा क्लैड ग्लास स्लैब को Nd: ग्लास डिस्क  के चारों किनारों पर आबंधित किया गया, पराबैगनी विकिरण द्वारा संसाधित किया गया, 15 J/cm2  स्तर पर फ्लैश लैंप किरणन के 1000 शॉट्स के लिए किरणित किया गया और परावर्तकता और रासायनिक स्थिरता के लिए परीक्षण किया गया।
      

      
      320 मिमी X 170 मिमी X 40 मिमी की क्लैडेड एनडी: ग्लास डिस्क