27
TEA (transverse excitation atmospheric) CO2 |
лазер |
|
|
||
При уровнях мощностименее 3 kW лазеры с диффузионным охлаждением среды |
|
||||
(волноводные)становятся привлекательной альтернативой – простая конструкция, в |
|||||
которой не требуется прокачка. |
|
|
|
|
|
|
ВОЛНОВОДНЫЙ CO2 ЛАЗЕР |
|
|||
|
|
|
|
|
|
Рассмотренный эффект распространения излучения2 |
в волноводе используется в |
(RF ) |
|||
различных конструкциях волноводных |
|
лазеровс накачкой высокочастотным |
|
||
электрическим разрядом ~ 50÷100 MHz и диффузионным охлаждениемактивной |
|
||||
|
|
CO |
|
|
|
среды с давлением~ 80 Torr при составе смеси3:1:1 (N2:CO2:He). Этот тип лазеров |
|
||||
является2 |
, пожалуй, наиболее эффективной компактной конструкцией непрерывного |
||||
(cw) |
лазера. Конструкция такого лазера, изображенная ниже, состоит из двух |
|
|||
электродовCO , разделённых прокладками изолятора. Размер поперечного сечения канала (обычно квадратного) не превышает нескольких миллиметров, что придлине канала несколько десятков сантиметров обеспечиваетволноводный режим распространения излучения. Как будет показано ниже, малый размер каналаобеспечивает быстрый отвод тепла от активной смеси, что ведёт к получению высокой генерируемой мощности.
лазераВт присуммарномдлиной 30 смКПДравна(wall35- plug efficiency) приблизительно 6%. Большие по размерам варианты этих лазеров имеют выходные мощности несколько киловатт, при этом увеличивают, в основном, ширину волновода.
28
рассмотримSinar (DC серияразработку). фирмы Rofin-
Типичнаяширина межэлектродного зазора находится в пределах 1.5÷2.5 мм. Ширина и длина разрядной области 4÷7 см и 60÷100 см соответственно. Материал электродов
– алюминий или медь.
имеющаяРеализуетсянаименьшиеос овнаяпотеримода,при отражении от стенок волновода, приходящиеся на единицу длины.
Почему используют волновод состоль малым зазором? Причиной этого является до температуры не выше
ограничение. Принаб допустильших температурахый наг евпроисходактивнойитсредытепловое заселение нижнего лазерного~ 300C° уровня́и падает усиление активнойсреды.
Рассмотрим стационарный процесс диффузионногоохлаждения активной среды за счет передачи тепла стенкам волновода (являющимся электродами). Температура электродов, очевидно, д.б. одинаковой. Плотность мощности тепловыделения W (Вт/см3),которая пропорциональнаплотностимощности накачки, однородна. Распределение температуры в активной среде, определяемое этим объёмным тепловыделением и оттокомтепла за счеттеплопроводности среды к стенкам волновода, будет симметричным с максимумом в центре волновода.Очевидно, что теплота, выделяемаяв слое среды единичнойплощади,
заключенном в пределах(0, x), в стационарных условиях должна равняться плотности теплового потока при координатеx :
W x = −κ dTdx ,
где κ - теплопроводность активной среды. Решение этого уравнения – параболическое распределение температуры:
T (x) =T (0) −(W
2κ) x2 .
Следовательно, выражение для перепада температуры между центром волновода и его стенкой ∆T запишется так:
∆T =T (0) −T (a
2) = (W 
2κ) (a
2)2 .
Допустимый перепад температуры между центром волновода и его стенкой ∆Tmax ~ 300C° накладываетограничение на допустимую плотность мощности
тепловыделения
Wmax =8κ ∆Tmax 
a2 .
Часть мощности накачки идётна тепловыделение, часть – на излучение. Следовательно, мощность излучения, снимаемая с единицыобъёма среды,
29
пропорциональна плотности мощности тепловыделения, а мощность излучения, снимаемая со всегообъёма активной среды V = Se a пропорциональна величине
|
P |
V W |
=8κ ∆T |
|
Se |
. |
|
||||
|
|
|
|||||||||
|
rad |
|
|
max |
max |
|
|
a |
|
||
|
Поэтому мощность, «снимаемая с единицы площади» |
электрода |
|||||||||
|
Prad |
Se 1 a . |
|
|
|
|
|
|
|||
Как видим, процесс диффузионного охлаждения активнойсреды обуславливает |
|||||||||||
следующую зависимость максимальной мощности излучения, которую можно сниматьс |
|||||||||||
единицы площади электродов: |
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
. В работе [Nowack, R., и др., Laser Optoelektronik 3 (1991) 68.] |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
эта мощность растет с уменьшениемширины |
|||
приведена следующая формула, позволяющая оценить предполагаемую мощность |
|||||||||||
межэл ктродногозазора |
|
|
|
|
|
||||||
лазера: |
|
Se |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
P |
≈ 3мм |
Вт |
|
|
|
|
|
|
|||
см2 |
|
|
|
|
|
|
|||||
rad |
a |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Так, для лазера с параметрами a = 2мм; 7×100см2 получаемоценкуожидаемой |
|||||||||||
мощности около 1 КВт2 |
.Точность приведённойформулы позволяет оценить |
||||||||||
информация о достигнутой мощности 1060 Вт улазера с параметрами волновода |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
. Для зазоров ширинойменьше 1 мм значительно возрастают как |
|||||
потери при распространении излучения в волноводе, так и пространственная |
|||||||||||
a = |
1.5мм; 10× |
60см |
|
|
|
|
|
|
|||
неоднородность RF разряда. В результате приведённое выражение перестаёт давать |
|||||||||||
правильные оценки мощности при очень малых величинах÷межэлектродногозазора. |
|||||||||||
У лазеров DC серии диапазон получаемыхмощностей 100 |
4500 ватт. |
||||||||||
30
|
|
|
|
|
|
|
ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ЛАЗЕРЫ |
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Recent years have witnessed rapid growthin bothaverage and peak powers attainable from |
|||||||||||||||||||
solid-state lasers (SSLs). Continuous SSL output powers with good beam quality have reached |
|||||||||||||||||||
the 100-kW level ( |
|
|
|
|
|
|
|
Moses, |
), and SSL pulseenergies andpeak |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
McNaught, S. J., Asman, D. P., Injeyan, H., et al., “100-kW Coher ntly Combined |
|||||||||||||
powers have exceeded 1MJ and 1 PW, respectively( |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
Nd:YAG MOPA Las r Array,” Frontiers in Optic , paper FThD2, 2009. |
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
E. I., Boyd, R. N., Remington, B. A., |
||||
Keane, C. J., and Al-Ayat, R., “The National Igniti |
n Facility: Ushering in a New Age for High Energy Density |
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
). This progress has been the result of many years ofiterative |
||||||||||
Science,” Phys. Plasm s, 16: 041006, 2009. Per y, M. D., Pennington, D., St art, B. C., et al. “Petawatt Las r |
|||||||||||||||||||
advances in materials andprocessingmethods, coupled with revolutionary |
developments, |
||||||||||||||||||
P lses,” Opt. Lett. 24: 160–162, 1999 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
such as diode- |
pumping, |
thermally scalable laser architectures, and wavefront correction |
|||||||||||||||||
techniques. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Первый твердотельныйлазер, являвшийся лазером3+ на рубине, был продемонстрирован |
|||||||||||||||||||
Майманом |
|
|
|
|
году. Активный элемент этого лазера – кристалл сапфира (корунда), |
||||||||||||||
легированного ионамитрёхвалентного2 3 |
хрома - |
|
|
|
. Сапфир – бесцветный |
||||||||||||||
|
|
1960 |
|
|
. При выращивании2 3 |
рубинового активного элемента из |
|||||||||||||
прозрачный2 кристалл3 |
|
||||||||||||||||||
расплаваCr3+ |
|
|
с небольшой добавкой |
|
|
|
Cr :Al2O3 |
|
|
|
замещается |
||||||||
|
|
|
|
часть трёхвалентных ионов |
|
||||||||||||||
ионами |
|
|
|
|
|
|
Al O |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
. При изготовлении рубинового активного элементаоставляют |
|
||||||||||||||||
|
Al O |
|
|
|
|
|
Cr O |
|
|
|
|
|
|
Al3+ |
|
||||
нелегированными концы кристалла (сапфировые наконечники). |
|
|
|
||||||||||||||||
Этот рассмотренный пример активной среды твердотельного лазера (рубинового) позволяет понять, что при классификации активных сред, прежде всего, говорят
1. о материале, используемом в качествематрицы (host materials),
2. и об активныхцентрах(атомы,ионы), внедрённыхв матрицу,оптические переходы которых – основаработы л зера.
|
|
|
|
|
спектральных, временных и энергетических |
|||||
Требования, предъявляемыек этим компонентам активных сред, варьируются в |
||||||||||
параметров лазера |
|
|
|
|
∆ν |
|
|
|||
зависимости от предполагаемых |
|
|
|
|
определяет |
|||||
|
|
|
|
. Так, например, ширина линии усиления |
|
|||||
длительность импульса лазера, достигаемую в режиме синхронизации мод. При |
||||||||||
наличии широкой линии усиления (ионы переходных металлов) появляется |
||||||||||
1. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
возможность |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
2. |
создания лазеров с широким диапазоном перестройкипо частоте или |
|||||||||
|
|
шириналиниипогл щения |
|
|
|
|
|
|||
|
лазеров, генерирующихчрезвычайно короткиеимпульсы. |
|
|
|||||||
Большая |
|
|
|
|
требуется для эффективного использования |
|||||
ламповой накачки, тогда какотносительно узкая ширина линии поглощения подходит |
||||||||||
для использования диодной накачки. |
|
|
|
|
|
|||||
Материал, используемый в качестве матрицы, должен сочетаться с внедряемыми |
||||||||||
активными центрами.Так, например, при замещении в кристаллической решетке |
||||||||||
«родных» ионов ионамилегирования, размеры тех и других должны как можно лучше |
||||||||||
совпадать. В противномслучае недопустимо ухудшаются механические свойства |
||||||||||
активного элемента. В идеале, размеры и валентность внедряемого иона должны |
||||||||||
совпадатьс размерамии валентностью замещаемого иона. |
host materials |
), |
||||||||
|
|
|
кристаллы истёкла |
|
|
|
||||
Твердотельные материалы, используемые в качестве матрицы ( |
|
|||||||||
подразделяются на |
|
|
|
|
. В любом случае они должны обладать |
|||||
хорошими оптическимисвойствами –исходной высокойстепенью постоянства
показателя преломления во всём объёмеактивного элемента (оптическая |
31 |
|
однородность), и отсутствием внутренних напряжений.Очевидными являются требования хороших механических свойств, химическойстойкости. Чрезвычайно важными являются термическиесвойства материала. Перечисленные требования
|
|
|
|
|
|
|
|
легирующих |
|
|
||||
являются лишь частью требований, выдвигаемых к матрице. |
|
|
|
элементов: |
||||||||||
Лазерная• |
генерация3+ 3+ 3+получена3+ |
3при+ |
использовании3+ 3+ 3+ |
3таких+ |
|
|
|
|
|
|||||
|
Nd , Er ,Ho , Ce , Tm |
, Pr |
,Gd , Eu , Yb |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
• |
трёхвалентных ионов редких земель - Sm2+ , Dy, |
2+ , Tm2+ , |
|
|
|
|
|
|||||||
• |
|
|
|
|
Cr3+ , Ni2+ , Co2+ , Ti3+ , V2+ |
|
|
|
|
|
|
|||
|
двухвалентных ионов редких земель - |
|
|
|
внедрённых в различные |
|||||||||
|
ионов переходных металлов - |
|
|
|
|
|||||||||
|
матрицы. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Лазеры с оптической накачкой используют большое количество кристаллических |
||||||||||||||
матриц, причёмспектральный диапазон генерируемого |
|
µm |
простирается от |
|||||||||||
света4 |
||||||||||||||
видимого до инфракрасного излучения.Так, излучение |
|
|
получено на |
|
||||||||||
неодимовом или эрбиевом параметрическом генераторе. |
|
Nd3+ |
|
|
|
|||||||||
В силу ряда причин наиболее популярны лазеры на неодиме ( |
|
|
демонстрирует |
|||||||||||
достаточно длительное время флюоресценции и достаточно узкую линию |
|
|||||||||||||
флюоресценции в кристаллах; нижний лазерный уровень находится достаточно высоко |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
YAG |
при |
||
над основным состоянием. , чтопозволяет получать непрерывную генерацию3+ |
||||||||||||||
комнатной температуре) Наконец, иттрий алюминиевый гранатNd |
по сравнению с |
|||||||||||||
продемонстрировалсвоё превосходство вкачестве матрицы для |
|
|
||||||||||||
другими кристаллами.
Кристаллические матрицы обладаютследующим важным преимуществом по сравнению
со стеклами качество |
|
|
активной |
|
||
: у них б льшая теплопроводностьи обычно б льшая твёрдость. Однако, |
||||||
оптическое |
|
и однородность распределения |
|
|
присадки в кристаллах |
|
обычно хуже. Кроме того, линия поглощения активных центров в кристаллических |
||||||
матрицах обычно уже. |
3кристаллические матрицы: |
|
|
|
||
1. Сапфиры. |
Al O |
|
|
|
||
Наиболее популярные2 |
|
Al |
|
|||
|
|
|
обладает большой твёрдостью и теплопроводностью. Он легко |
|||
легируется. |
|
|
Al |
|
|
в кристаллической |
переходными металлами, замещающими |
|
|||||
матрице Размер области, занимаемой в кристаллической матрице слишком мал для замены редкими землями и поэтому невозможно получить необходимую концентрацию этих примесей в сапфире. Рубин находит применение в науке и медицинских лазерных установках. Сапфир, легированный титаном, используетсяв качестве активнойсреды лазеров с перестраиваемой частотой.
2. Синтетические гранаты. Алюмоиттриевыйгранат, Y3Al5O12 (YAG);
gadolinium gallium garnet, Gd3Ga5O12 (GGG); gadolinium scandium aluminum garnet,
ЯвляютсяGd Sc Al Oнаиболее(GSGG).популярными матрицами активных элементов. Эти гранаты обладают3 2 3 многими12 свойствами, необходимымидля матриц лазерных элементов.
Они химическистабильныиобладают хорошей теплопроводностью. Доминирующее, положениезволяющейв этойработатьгруппезанялпри высоких уровнях. мощности
Nd:YAG YAG являетсяоченьтвёрдым изотропным кристаллом. из котороголазерыпобладаютлучают стержнинизким порогомвысокогои высоким усилениемоптического. качества Nd:YAG