Формирование узконаправленного излучения мощных лазеров инфракрасного и ультрафиолетового диапазона длин волн

С момента открытия лазеров, проблема формирования узконаправленного лазерного излучения всегда была самостоятельной и актуальной задачей. В большинстве фундаментальных задач взаимодействия мощного лазерного излучения с веществом, проблем лазерного термоядерного синтеза, специальных или технологических применений лазеров требуется либо доставка излучения на значительные расстояния, либо его фокусировка в пятно минимальных размеров. Для этого необходимо обеспечить максимальную яркость лазерного излучения, которая прямо пропорциональна мощности и обратно пропорциональна квадрату расходимости лазерного излучения. Поэтому проблема формирования узконаправленного излучения в лазерах различных типов и назначений является актуальной задачей до настоящего времени. Эта проблема, в частности, остро стоит при разработке мощных С02, твердотельных и эксимерных лазеров.

СО2 лазеры являются наиболее широко распространенными источниками когерентного излучения среднего ИК диапазона. К достоинствам этих лазеров можно отнести простоту их конструкции, высокий коэффициент полезного действия Г|~ 20% /'/ и возможность однородного возбуждения активной среды (АС) большого объема.

Особое место занимают электроионизационные (ЭИ) С02- лазеры.

ЭИЛ) с несамостоятельным разрядом /2/, /3/, /4/, /5/, /б/, объем АС которых может достигать нескольких сот литров, а поперечные размеры лазерного пучка нескольких десятков сантиметров /7/. В ЭИ лазерах ионизация газовой смеси производится пучком быстрых электронов с энергией 150-н300кэв, а энергия возбуждения вкладывается в активную среду при оптимальной напряженности электрического поля Е/р=3-^5кВ/см-атм. При этом для различных газовых смесей С02:1Ч2:Не достигаются достаточно высокие.

2 1 значения коэффициента усиления активной среды на уровне (2-И-)-10″ см" /4/. Энергия излучения таких лазеров может достигать нескольких килоджоулей при длительности импульса генерации в несколько десятков микросекунд, при этом пиковая мощность составляет сотни мегаватт /8/.

ЭИ С02-лазеры находят применение в производственных технологических процессах, научных исследованиях и при решения специальных задач (дальняя связь, передача энергии на расстояние, лазерная коррекция орбит искусственных спутников Земли /9/, /10/). В настоящее время мощные С02 системы находят свое применение при ликвидации пожаров на нефтяных скважинах и аварий на радиационно опасных объектах.

В большинстве практических случаев лазерное излучение должно обладать минимальной расходимостью, по возможности, близкой к дифракционному пределу 0д~А,/Т) (к — длина волны, Б — апертура лазерного пучка).

На расходимость лазерного излучения существенное влияние оказывает выбор оптической схемы резонатора, применяемого в лазере, а также оптические неоднородности активной среды /п/.

В ЭИ СОг-лазерах с большими поперечными размерами АС, обычно, применяются неустойчивые резонаторы (НР), способные без потерь энергии обеспечить генерацию излучения с предельно малой расходимостью, определяемой дифракцией излучения на выходной апертуре /и/.

Однако наличие в АС лазера оптических неоднородностей приводит к ухудшению расходимости излучения даже при использовании НР. В ЭИ С02-лазерах причинами их появления могут быть, например, приэлектродные.

12 13 волны сжатия и разрежения / /, стримеры и токовые шнуры II и газодинамические возмущения при неоднородном возбуждении АС /|4/.

Даже в импульсном режиме работы ЭИ С02 лазера и при неподвижной газовой среде расходимость его выходного пучка далека от дифракционной /15/.

Эксперименты, описанные в показали, что качество пучка резко ухудшается уже в течение импульса генерации ~20мкс. В этой же работе было показано, что во время генерации в АС ЭИ С02- лазера атмосферного давления возникают оптические неоднородности, являющиеся причиной снижения его качества. Эти оптические возмущения, причиной возникновения которых является само излучение, обычно называют неоднородностями самовоздействия.

В работе /1б/ были выполнены численные расчеты, чтобы объяснить наблюдавшийся экспериментально факт сильного уменьшения яркости лазерного пучка за время импульса генерации (тимп=20мкс). В модели расчетов предполагалось ухудшение оптического качества АС лазера из-за проникновения в объем резонатора акустической волны самовоздействия, возникшей на краю пучка. Однако согласия между экспериментальными и расчетными данными получено не было. В эксперименте яркость лазерного пучка за время светового импульса уменьшалась значительно быстрее.

До последнего времени традиционно используемыми в крупномасштабных ЭИ импульсно-периодических (ИП) СОг-лазерах атмосферного давления являлись рабочие смеси типа С02²:Не = 1:5:2, 1:6:3. Такой состав смеси был обусловлен экономией Не и большей, чем в других смесях, устойчивостью разряда. Благодаря способности генерировать в течении 4СН-5 Омкс, такие смеси обеспечивают съемы энергии до нескольких десятков килоджоулей / /.

Однако как состав традиционных смесей, так и длительности импульсов накачки тн>15^-20мкс не являются оптимальными для достижения минимальной расходимости излучения ЭИЛ. Так, на стенде, описанном в /7/ на смеси С02:1Ч2:Не =1:5:2 в импульсном режиме и при использовании неустойчивого телескопического резонатора (НТР) была получена расходимость излучения, составляющая по уровню 0,5 полной энергии 2×10″ Зрад, что почти в 30 раз превышает дифракционный предел (9д=7×10″ 5рад).

Пути достижения расходимости ЭИ С02-лазеров на уровне 10″ 4рад и, в дальнейшем, дифракционной расходимости без существенного снижения энергии излучения были не ясны.

Кроме энергетических и пространственных характеристик лазерного излучения эффективность использования С02-лазеров в таких областях, как лазерная химия, нелинейная оптика и других требуется иметь возможность генерации излучения в узком спектральном интервале и перестраивать длину волны излучения. В то же время спектральный интервал линии генерации лазера имеет значение при прохождении лазерного луча через протяженные трассы в атмосфере. Применение редких изотопов двуокиси углерода в С02-лазерах позволяет обогатить спектр излучения и уменьшить потери на поглощение при прохождении лазерного луча через атмосферу. В нескольких работах теоретически /17/, /18/, /19/, /20/, /21/ и экспериментально /19/, /22/, /23/, /24/ изучался спектр излучения импульсных ЭИЛ, однако, в них исследовались лазеры с длительностью импульса накачки тн< 1мкс.

Расчет спектра излучения ЭИЛ атмосферного давления с длительностью накачки в несколько десятков микросекунд был выполнен в п с.

Расчеты, аналогичные проведенным в / /, были опубликованы в.

26 работе / / при тн=1мкс и тн=40мкс для ЭИЛ атмосферного давления на изотопах 12С1602, 13С1602. Экспериментально спектр излучения ЭИЛ.

12 18 13 16 атмосферного давления на изотопах.

ХС'°02, С Ог изучался в импульсном.

27 режиме при ти.

2мкс Г/.

Проведение спектральных исследований излучения ЭИ С02-лазера при длительности накачки активной среды в несколько десятков микросекунд представляло интерес.

Проблема уменьшения расходимости излучения также актуальна для эксимерных лазеров, которые применяются в качестве источника ультрафиолетового излучения для литографии, в установках модификации поверхности и микрообработки материалов. В настоящее время разработкой и производством эксимерных лазеров занимаются свыше десятка фирм и предприятий. Выпускаются лазеры с излучением на длинах волн 157 нм (на ?2), 193 нм (на АгБ), 248 нм (на КгБ), 308 нм (на ХеС1), 222 нм (на КгС1). Средняя мощность лазеров лежит в диапазоне от единиц до сотни ватт.

Энергия в импульсе изменяется от единиц миллиджоулей до нескольких джоулей при длительности импульсов 10-к300нс, частоте следования от десятка до сотен герц. Ресурс работы лазеров с обновлением газовой смеси достигает 108 импульсов. Стабильность мощности излучения от импульса к.

28 импульсу 3-г10%, к.п.д. 1-г-5% / /. Максимальные мощности излучения эксимерных лазеров обеспечивают плоские резонаторы. Однако при этом расходимость излучения составляет для сантиметровых апертур несколько миллирадиан, что почти на два порядка превышает дифракционный предел.

Это обстоятельство является принципиальным ограничением, например, в ряде актуальных задач микроэлектроники, в которых для создания топологии больших микросхем требуется фокусировать излучение эксимерных лазеров в пятно размерами 2-^3мкм. Для этого было необходимо улучшить расходимость излучения лазера до уровня ~1СГ4 рад, а это требовало проведения исследования энергетических и пространственных характеристик излучения эксимерного лазера.

Мощные непрерывные твердотельные лазеры (ТТЛ) могут рассматриваться как альтернатива хорошо разработанным С02 — лазерам в различных технологических процессах вследствие компактности и надежности конструкции, стабильности параметров и возможности применения гибких волокон для доставки излучения до объекта воздействия. Однако традиционные ТТЛ с ламповой накачкой обладают низкой эффективностью, и расходимость излучения таких лазеров в 20−100 раз превышает дифракционный предел. Это обстоятельство не позволяет в полной мере реализовать преимущества технологических операций, требующих высокой степени концентрации излучения. В то же время лазеры ближнего ИК диапазона представляют значительный интерес в связи с более высоким поглощением лазерного излучения большинством материалов, применяемых в промышленности.

Использование диодной накачки решает многие проблемы при разработке мощных технологических ТТЛ, позволяя создавать более эффективные лазерные комплексы. Для достижения мощности генерации киловаттного уровня, как правило, используется поперечная накачка цилиндрического активного элемента сборками лазерных диодов. Однако возникновение тепловой линзы и наведенного двулучепреломления в активном элементе является препятствием при создании мощных ТТЛ с высоким качеством лазерного излучения. Кроме того, при использовании плоского резонатора генерация происходит на нескольких поперечных модах и расходимость излучения существенно превышает дифракционный предел.

Таким образом, для большинства практических применений газовых и твердотельных лазеров задача достижения расходимости излучения, близкой к дифракционному пределу, является актуальной.

Положения, выносимые на защиту.

1. Экспериментально установлено, что «легкие» смеси обеспечивают более высокий (по сравнению с традиционными смесями) ненасыщенный коэффициент усиления АС ЭИ С02-лазера атмосферного давления с длительностью импульса накачки Ю-г-ЗОмкс.

2. Экспериментально показано, что при длительности импульса накачки тн<30мкс наименьшую расходимость излучения ЭИ С02-лазера атмосферного давления обеспечивают смеси С02: К2:Не с содержанием Не на уровне 75% и отношением [С02]: [1Ч2]=1-К2.

3. Применение широкоапертурного резонатора с размерами апертуры 10×20см позволяет в импульсном режиме получить расходимость излучения ЭИ С02-лазера равную (2н-3)Т0~4рад по уровню 0,8 полной энергии.

4. Экспериментально установлено, что генерация ЭИ С02-лазера атмосферного давления с длительностью импульса накачки ЗОмкс протекает одновременно на нескольких вращательных переходах Р (14)-Н°(20) с выделением 70+90% полной энергии на переходе Р (20).

5. Использование неустойчивого резонатора отрицательной ветви диаграммы устойчивости для ТТЛ с диодной накачкой непрерывного действия позволяет получить расходимость излучения только в 2 раза превышающую дифракционный предел.

6. Применение неустойчивого телескопического резонатора для эксимерного КгР лазера позволяет в 10 раз улучшить расходимость его излучения при незначительной потере выходной мощности.

Описание экспериментальных установок.

Стенд «Модуль-2» .

Основные экспериментальные методики, использованные в данной работе для измерения энергетических, пространственных и спектральных характеристик лазерного излучения, были отработаны на лазерном стенде «Модуль-2» в Государственном Оптическом Институте. Стенд «Модуль-2» представляет собой импульсный ЭИ С02-лазер атмосферного давления с длиной активной среды 1 м. Электронный ускоритель-тетрод с прямонакальным катодом позволял получать пучок электронов с энергией на входе в фольговый узел до 200кэВ и изменять плотность тока в пределах 5^20мА/см2.

Электрическая схема с частичным разрядом накопителя применялась для питания разряда газоразрядной камеры (ГРК). Максимальная напряженность электрического поля разряда составляла 5кВ/см при межэлектродном расстоянии в 10 см. Концентрация электронов разряда на квазистационарной стадии разряда длительностью до ЗОмкс не превышала 3−10,2см" 3.

Для вывода излучения использовался неустойчивый телескопический резонатор с прямоугольными зеркалами и различными увеличениями.

М= 1,5-т-З, размещенными на расстоянии 2 м друг от друга внутри разрядной камеры. Размер стороны вогнутого зеркала составлял 116 мм.

Постоянно контролируемыми в экспериментах параметрами являлись токи электронного пучка и разряда, энергия и форма импульса излучения. Ток пучка измерялся поясом Роговского, ток разряда — безындуктивным шунтом, энергия генерации — стандартными термопарными калориметрами КТП-5−2. Форма импульса излучения регистрировалась фотоприемниками типа «Свод». Хорошая воспроизводимость характеристик разряда и лазера наблюдалась в течение, по меньшей мере, 30 разрядов при одном напуске рабочей смеси в камеру. Удельная энергия накачки менялась в пределах 10СИ-300 Дж/л-атм.

Установка «Максим» .

Лазерная установка «Максим» представляет собой импульсный ЭИ СОг-лазер квазинепрерывного действия с замкнутым газовым контуром и объемом активной среды 2л. При максимальной скорости протока газа 21м/с и расходе газа 0,8кг/с частота следования импульсов длительностью ЗОмкс составляла 200Гц. Для формирования излучения применялся двухпроходный неустойчивый телескопический резонатор. Максимальная средняя мощность генерации установки «Максим» — 10кВт.

Устройство ионизации — электронный ускоритель — имел следующие основные физико-технические и конструктивные параметры:

Тип электронно-оптической системы. планарный триод.

Ускоряющее напряжение.200-к25ОкВ.

Ток нагрузки.6-^10А.

Ток за фольгой.2-гЗА.

Длительность импульса.ЗОмкс.

Площадь выводного окна.80×700мм.

Средняя мощность выведенного пучка.7,2кВт.

В системе питания разряда ГРК лазера «Максим» использовалась схема с частичным разрядом накопительной емкости со следующими техническими данными:

Номинальное напряжение накопителя.20кВ.

Импульсное значение тока разряда.2кА.

Длительность импульса разряда.ЗОмкс.

Частота повторения мпульсов.50ч-200Гц.

Максимальная потребляемая мощность.200кВт.

Данная система электропитания обеспечивала удельный энерговклад в разряд ГРК до ЗООДж/л.

Стенд твердотельных лазеров с диодной накачкой.

На стенде «Твердотельных Лазеров с диодной накачкой» проводились исследования характеристик излучения созданных в НИИЭФА ТТЛ с диодной накачкой мощностью 150, 300 и 500Вт. Для их создания были разработаны диодные модули накачки, работающие в непрерывном режиме с выходной мощностью излучения 500, 840, и 1400 Вт на основе линеек лазерных диодов (ЛЛД) Silver Bullet (SB) фирмы Cutting Edge Optronics (США). 500Вт-ные модули разработаны с использованием базового элемента ASM01C020 мощностью излучения 20 Вт. В модулях с мощностью излучения 840 и 1400Вт использованы сдвоенные ЛЛД типа ASM01C040, каждая из которых имеет мощность генерации 40Вт. Ширина линии излучения ЛЛД составляла ~2нм с максимумом на длине волны 805 нм при температуре 25 °C. В лазерных головках использовались Nd: Yag стержни 04^-бмм длиной 80^100мм с концентрацией Nd 0,6%.

Эксимерныйлазер «Эклаз» .

Некоторые из освоенных методик использовались при оптимизации параметров излучения эксимерного лазера «Эклаз», разработанного в НИИЭФА.

Упрощенно поперечный разрез излучателя лазера показан на Рис. 1. В дюралюминиевом корпусе излучателя 9 имеются полости газового контура, внутренняя поверхность которых пассивирована атомарным и молекулярным фтором. Сверху к корпусу крепится изолятор 7, на котором установлена металлическая крышка с анодом разрядной камеры. По бокам анода через отверстия выведены искровые электроды (свечи) 6 для у.ф.-предыонизации активной среды. Катод и анод разрядной камеры изготовлены из никеля и имеют профиль Чанга.

Е^ЯТ.

Рис. 1 Поперечный разрез излучателя эксимерного лазера.

Разрядный промежуток 3 между ними составляет 20 мм. Газовый поток обеспечивает вентилятор 4. Конденсаторы 2, индуктивности 5, тиратрон 1 (ТГИ-10 000/30) и токопроводящие шины 8 высоковольтной системы импульсного электропитания размещаются таким образом, чтобы обеспечить минимальную индуктивность разрядного контура (Рис. 2.) На Рис. 2 приняты следующие обозначения: 11 т, Ьт — эквивалентные сопротивление и индуктивность тиратронаСо — накопительная емкостьЬо — индуктивность разрядного дросселяЬв, Св — выравнивающие индуктивность и емкостьЯисопротивление искрового разрядникаЬр, Ср — емкость и индуктивность разрядного промежуткаЯ], Ь — сопротивление и индуктивность разряда.

Рис. 2 Электрическая схема системы питания.

На торцах изолятора расположены окна и котировочные узлы с зеркалами оптического резонатора. Для защиты окон излучателя от загрязнения возврат очищенного газа в контур производится в зоны, непосредственно прилегающие к окнам, что обеспечивает поток газа от них к центру разряда. Около выходного зеркала резонатора расположен датчик мощности лазерного излучения, используемый в системе стабилизации мощности лазера при помощи обратной связи по энергии.

Рабочий газ очищается непосредственно во время работы лазера. Часть газовой смеси отбирается из контура при помощи вентилятора и поступает в систему очистки криогенного типа, где загрязняющие вещества вымораживаются при температуре жидкого азота. Для очистки газовой смеси от пыли и аэрозолей используются фильтры с размером ячейки до 0.01 мкм, изготовленные из никелевой керамики.

Принцип действия генератора фтора основан ' на термическом разложении гексафторникелата кальция Са№Р2. Генератор фтора состоит из ампулы с Са№Р2, системы нагрева и полдержания температуры, системы управления и контроля и запорнорегулирующей арматуры. Генератор позволяет сделать 300 заправок фтором рабочего объема лазера и автоматически во время работы лазера добавлять необходимое количество фтора.

В стойку электропитания входит блок управления тиратроном, импульсный трансформатор с выпрямителем и стабилизатором. Там же смонтирована система автоматизированного управления параметрами излучения лазера. Источник импульсного напряжения позволяет получить до ЗОкВ в импульсе длительностью несколько сот наносекунд с последующим обострением до десятков наносекунд. К основным блокам примыкают системы вакуумирования и газонапуска.

Откачка контура производится через азотную ловушку и поглотитель фтора и фторидов. Возможен напуск заранее подготовленной газовой смеси.

Основные выводы.

Разработан излучатель непрерывного режима работы мощностью около 100 Вт на длине волны 852 нм с шириной спектральной линии менее 1,3 нм с выводом излучения через жгут волоконных световодов с внешним диаметром 2,7 мм. Использование одиночных лазерных диодов и системы ввода излучения в световод, включающей в себя дополнительный внешний резонатор, в совокупности с индивидуальным подбором рабочей температуры групп лазерных диодов позволило сузить ширину спектрального распределения лазерного излучения до значений 1,1 ч- 1,3 нм, что меньше первоначальной ширины спектральной характеристики отдельного диодного лазера (>1,8 нм).

Таким образом, метод составного резонатора, примененного для сужения спектра мощных диодных лазеров, позволяет создавать наборные излучатели с большой мощностью и с шириной спектра, приемлемой для эффективной накачки газовых лазеров на парах щелочных металлов. Дальнейшее уменьшение ширины спектра излучения возможно при оптимизации конструкции составного резонатора.

Заключение

.

1. Разработаны методики исследования энергетических, пространственновременных и спектральных характеристик излучения мощных электроразрядных С02, твердотельных и эксимерных лазеров.

2. Для двух разномасштабных ЭИ С02-лазеров атмосферного давления проведена оптимизация состава смеси АС и экспериментально показано, что для характерных условий накачки ненасыщенный коэффициент усиления, который обеспечивают «легкие» смеси типа С02²:Не=1:1:6 на 20% выше, чем традиционные смеси 1:2:3, 1:5:2 или 1:6:3. Измерения распределения ненасыщенного коэффициента усиления (К0) по сечению АС как для традиционных смесей, так и для смесей, содержащих добавки водорода и.

К мах о практически не изменяется по высоте разрядного промежутка на разных смесях и уменьшается в поперечном направлении на 50% только на расстоянии ±-10см от продольной оси разряда.

3. Комплексные экспериментальные исследования зависимости расходимости излучения мощного импульсного ЭИ СОг-лазера атмосферного давления от мощности и длительности накачки, интенсивности вынужденного излучения, состава смеси и параметров резонатора показали, что:

— на расходимость излучения импульсного ЭИ С02-лазера существенное влияние оказывают катодная и анодная волны плотности и волны плотности, возникающей на границе лазерного пучка вследствии эффекта теплового самовоздействия. Показано, что только из-за эффекта самовоздействия расходимость излучения более, чем в три раза превышает дифракционный предел;

— угловое распределение интенсивности излучения мощного ЭИ С02-лазера в течение импульса генерации при длительности импульса излучения <30мкс имеет широкие и достаточно интенсивные крылья диаграммы направленности излучения, которые образуются спустя 10-И5мкс после начала генерации даже при убывающей во времени мощности излучения.

— при длительности импульса накачки тн<30мкс наименьшую расходимость излучения обеспечивают смеси с содержанием Не на уровне 75% и отношением [С02]: рГ2]=1-к2.

4. Экспериментально установлено, что генерация ЭИ С02-лазера атмосферного давления с длительностью импульса накачки ЗОмкс протекает одновременно на нескольких вращательных переходах Р (14)-^Р (20) с выделением 70-^90% полной энергии на переходе Р (20). Показано, что интегральная за время импульса излучения ширина линии излучения.

2 1 вращательного перехода не превышает 2−10″ см", а ширина одной из.

3 1 зарегистрированных компонент линии менее 4,7−10″ см" .

5. В результате проведенных исследований найдены рабочие смеси, позволяющие получать расходимость излучения ЭИ С02-лазера, близкую к дифракционной, при высоком удельном энергосъеме, характерном для традиционно используемых смесей. Для широкоапертурного резонатора с размерами апертуры 10×20см в импульсном режиме получена расходимость (2-^3)Т0″ 4рад по уровню 0,8 полной энергии.

6. Применение редких изотопов С02 в АС ЭИ С02-лазера позволило расширить спектральный интервал генерации излучения от 9.3-Н 1.4мкм.

7. Экспериментально показано, что оптическая схема с неустойчивым резонатором отрицательной ветви диаграммы устойчивости позволяет более чем в 30 раз повысить осевую силу света ТТЛ с диодной накачкой.

8. Экспериментально показано, что применение неустойчивого телескопического резонатора для эксимерного КгР лазера позволяет в 10 раз улучшить расходимость его излучения при незначительной потере выходной мощности.