Суть проблемы состоит в следующем. Внутри усилителя стоит кристалл иттрий-алюминиевого граната с ионами иттербия (Yb:YAG). Через него проходит излучение накачки, которое его усиливает, но одновременно нагревает. Нагрев неравномерный: в центре пучка кристалл греется сильнее, по краям слабее. Из-за этого показатель преломления в разных точках меняется по-разному, и кристалл сам превращается в подобие линзы. Чем мощнее накачка, тем сильнее эта «тепловая линза» искажает луч — на выходе он то расширяется, то сужается. Прибор ведёт себя непредсказуемо при разных режимах.

Изображение: Grok

Решение оказалось простым: сразу за кристаллом Yb:YAG ставят второй элемент — кристалл фторида кальция с иттербием (Yb:CaF₂) или керамику на основе оксида скандия с иттербием (Yb:Sc₂O₃). У этих материалов зависимость показателя преломления от температуры обратная: при нагреве они не собирают луч, а рассеивают его. То есть создают линзу противоположного знака. Если правильно подобрать длину и концентрацию ионов, две линзы взаимно уничтожаются.

Чтобы подтвердить работоспособность, авторы провели математическое моделирование: рассчитали нагрев кристаллов, распространение и усиление излучения с учётом температуры. Модель показала, какие параметры нужны компенсирующему элементу, чтобы искажения исчезли. В результате луч сохраняет стабильную форму при любой мощности накачки, а сам усилитель может работать в более высоком диапазоне мощностей без потери качества. Изобретение относится к лазерной технике и может применяться в промышленных, медицинских и научных лазерных системах.