Особенности конструирования лазеров

Работа добавлена на сайт samzan.net:

Министерство высшего и среднего специального образования СССР

Московское ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени высшее техническое училище им. Н.Э.Баумана

0.В.РОЖКОВ

ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУИРОВАНИЯ ЛАЗЕРОВ

Учебное пособие

Под ред. Л.П.Лазарева

МОСКВА 1986

Данное ученое пособие издается в соответствии с учебным планом. Рассмотрено и одобрено кафедрой П-2 04.12.84 г., методической комиссией факультета П 19.12.84 г. и учебно-методичес-ким управлением 13.03.85 г.

Рецензент к.ф.-м.н. доц. С.А.Гончуков

Современное состояние лазерной техники позволяет решать целый ряд важных научных и народнохозяйственных задач. Именно по этой причине в решениях XXVI съезда КПСС квантовая электроника и лазерная техника упомянуты среди важнейших направлений науки и техники, обеспечивающих ускоренно научно-технического прогресса на данном этапе развития общества.

В то же время, как хорошо известно из богатой истории техники, широкое использование научно-технических достижений невозможно без планомерной работы по созданию конкретных образцов машин и приборов на основе накопленного опыта конструкторской работы.

В данном учебном пособии сделана попытка собрать воедино разрозненные сведения по конструкционным особенностям лазеров с серийно изготовляемыми активными средами. Автор надеется, что эта информация может оказаться полезной студентам старших курсов соответствующих специальностей при выполнении курсовых и дипломных проектов на стадии эскизной проработки как всего лазерного 0ЭП, так и его основных узлов.

В учебном пособии рассматриваются особенности конструктивной (и частично технологической) реализации как всего лазера в целом, так и его отдельных элементов и узлов, причем предполагается, что конкретные их параметры уже определены на соответствующих стадиях расчета [I, гл. 4, 5] .

§1. МЕХАНИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ ЛАЗЕРОВ

Механические узлы лазера имеют большое значение при его конструктивном воплощении и в значительной мере влияют на массогабаритные и эксплуатационные характеристики. В большинстве лазерных конструкций механические узлы можно разделить по своему функциональному назначению на две группы: элементы несущей конструкции лазера и узлы юстировки отражателей резонатора. Лишь в редких случаях функции несущей конструкции выполняет активная среда (твердотельная), а узлы юстировки отсутствуют вовсе; это характерно в основном для малогабаритных полупроводниковых лазеров с p-n-переходом [I], когда зеркала резонатора напыляются непосредственно на предварительно сколотые по плоскостям спайности (иногда оптически обработанные) торцы кристалла.

1.1. Несущие конструкции лазеров

В зависимости от типа применяемой активной среды и требований, предъявляемых при эксплуатации лазера, их несущие конструкции могут быть сгруппированы так:

1) конструкции типа оптической скамьи, характерные для
твердотельных лазеров;

2) стержневые конструкции, применяемые почти во всех серийных газоразрядных лазерах и в некоторых малогабаритных твердотельных лазерах;

3) моноблочные конструкции, используемые ввиду их высокой стоимости лишь в тех случаях, когда должна быть обеспечена высокая эксплуатационная надежность, нерасстраиваемость и высокая стабильность параметров излучения.

А. Несущая конструктртд типа оптической скамьи бала исторически первой, применяемой в лазерной технике при лабораторных экспериментах. В дальнейшем она часто использовалась и еще продолжает применяться для твердотельных (рубиновых и на стекле с неодимом) лазеров. В этом случае основные узлы лазера - узел активной среды и узлы юстировки, монтирующиеся (рис. 1а) на рейтерах-столиках, укрепляемых на оптической скамье или каком-либо другом достаточно жестком и компактном одномерном основании. Последнее может иметь как замкнутый (прямоугольный, треугольный или квадратный профиль, реже - трубчатый), так и незамкнутый (обычно П-образный швеллер, тавр или двутавр) профиль.

Основным преимуществом такой конструкции лазера является определенная универсальность, простота замены узлов и легкий доступ к отдельным элементам, что наиболее полно выявляется при использовании лазеров в исследовательских целях. К недостаткам следует отнести плохие массогабаритные характеристики, а также склонность к термическим и механическим разъюстировкам.

Б. Стержневая несущая конструкция (рис. 1б) является в настоящее время наиболее распространенной благодаря малому весу, компактности, простоте изготовления. В этом случае высокая жесткость конструкции из трех-четырех стержней обеспечивается за счет их равномерного размещения вокруг оптической оси лазера и соединения между собой по крайней мере в четырех сечениях: на концах стержней - узлами юстировки 2, а в средней части -узлами крепления активной среды 1. Для уменьшения термической разъюстировки резонатора стержни несущей конструкции часто изготовляют из специального железоникелевого сплава - инвара, имеющего коэффициент термического расширения град.

Рисунок. 1. Типы конструкции (а - оптическая скамья; б – стержневая; в - моноблочная с линейным резонатором; г - моноблочная с кольцевым резонатором) и компоновка основных узлов лазера (1 - блок активной среды; 2 - узел юстировки; 3 - несущая конструкция; 4 - невзаимный элемент)

Разновидностью стержневой несущей конструкции можно считать несущий трубчатый корпус (из инвара) с вентиляционными отверстиями, используемый в малогабаритных нерасстраиваемых лазерах (например, ОКГ-13).

В. В моноблочной конструкции лазера используется несущий корпус из изоляционного материала, имеющий соответствующие сверления для размещения газообразной активной среды (как правило, смеси He-Nе), электродов, а также оптически обработанные плоские торцы для посадки отражателей резонатора (рис. 1в). К торцам корпуса на глубоком оптическом контакте крепятся нанесенные на кварцевую подложку отражатели резонатора (зеркала или призмы ПВО), а в соответствующие сверления вклеиваются электроды. После вакуумирования, тренировки и наполнения рабочей смесью моноблочный лазер готов к длительной работе в любых климатических условиях, при сильных вибрациях и больших ударных нагрузках, для исключения термических разъюстировок в качестве материала корпуса используется плавленный кварц или, чаще, ситалл с нулевым коэффициентом линейного расширения.

Наиболее полно эксплуатационные преимущества моноблочной несущей конструкции проявляются нри работе лазерных гироскопов (гирометров) [I]. В них (рис. 1в) изготовленный из ситалла корпус 3 имеет три (или четыре) сверления для гелий-неоновой активной среды, три - для газоразрядных электродов и большую расточку, в которую вклеивается невзаимный элемент; для снижения веса иногда центральную часть моноблока выфрезеровывают. В отличие от моноблочного лазера с линейным резонатором на корпусе лазерного гироскопа имеется три (или четыре) полированные посадочные поверхности, что исключает необходимость юстировки плоских зеркал или призы ПВО; зеркала с вогнутой отражающей поверхностью подвергаются дополнительной юстировке - центрировке перед посадкой на контакт.

Широкому распространению моноблочных несущих конструкций препятствует их высокая стоимость, связанная с необходимостью высокоточной оптической обработки посадочных поверхностей и од-норазовостью использования, так как замена активной среды и электродов по окончании их срока службы затруднительна.

1.2. Узлы юстировки отражателей оптического резонатора

Узлы юстировки отражателей (и других оптических элементов), точно устанавливаемых под определенным углом к оптической оси лазера (например, светоделительных пластинок и т.п.), должны обеспечивать простую и быструю юстировку оптической системы лазера и неизменность положения юстировочных элементов при эксплуатации.

В зависимости от геометрии используемого резонатора (длины L, радиуса кривизны сферического зеркала R и светового диаметра d) требования к точности юстировки колеблются от долей угловых секунд до десятков минут [I] . Наиболее высокие требования к точности юстировки предъявляют плоcкопараллельные и неустойчивые (телескопические) резонаторы; наиболее мягкие допуски на юстировку обеспечивают конфокальные и почти концентрические резонаторы (или полурезонаторы).

Большинство известных конструкций юстировочыхх узлов лазеров могут быть объединены в три группы:

узлы юстировки в кардановом подвесе;

узлы с юстировочно-крепежными винтами;

узлы юстировки со сферическим подшипником.

А. Узлы юстировки с кардановым подвесом используются при наиболее высоких требованиях к точности юстировки в газоразрядных и твердотельных лазерах с малой (близкой к дифракционной) расходимостью, где геометрия резонатора близка к плоскопарал-лельной системе.

Рисунок. 2. Основные типы юстировочных узлов лазеров: а - с кардановым подвесом; б - с крепежно-юстировочными винтами; в - малогабаритный с повышенной чувствительностью

Конструкция такого узла юстировки (рис. 2а) содержит (в явном, а чаще в неявном виде) две рамки - внутреннюю и внешнюю, каждая из которых может независимо перемещаться под действием высокоточного винта с шагом S . Поскольку точка приложения силы котировочного винта находится на расстоянии l от оси поворота соответствующей рамки, то точность юстировки составит

(1.1)

где - цена одного деления лимба юстировочного винта. Для типичных значений S=0,5 мм, мм, =70 мм получим .

Для повышения точности юстировки на порядок используются следующие способы:

увеличение плеча приложения силы винта - при этом рычаг целесообразно располагать вдоль оптической оси резонатора с целью уменьшения габаритов прибора;

уменьшение шага винта S - за счет использования дифференциальных бинтов, у которых суммарный шаг определяется разностью шагов левой и правой винтовых пар, вращающихся одновременно в одном направлении;

использование клиновой пары между юстировочным винтом и рамкой (такая пара может иногда выполняться в виде кольцевых

клиньев).

Для уменьшения мертвого хода и повышения стабильности юстировочного узла в нем всегда обеспечивается силовое замыкание юстируемых элементов - рамка прижимается к наконечнику юстировочного винта пружиной. В качестве подшипников используются чаще всего подшипники скольжения, а в некоторых случаях - пружинный (торсионный) подвес.

Б. Узел юстировки с крепежно-юстировочными винтами можно рассматривать как упрощенную (и значительно более дешевую) конструкцию узла юстировки с пружинным кардановым подвесом применительно к трехстержневой несущей конструкции малогабаритных лазеров.

В этой конструкции (рис. 2б) корпус I зеркала 2 является одновременно основной деталью котировочного узла. Кольцевая шайба 3 с тремя отверстиями для прохода крепежно-юстировочных винтов 4 и тремя выступами 5 выполняет роль пружинного подвеса и обеспечивает силовое замыкание трех кинематических цепей –

под каждым из трех винтов 4; эта шайба 3 изготавливается из листовой пружинной стали. Для юстировки зеркала вокруг горизонтальной оси ввинчивают верхний винт 4 в стержень 6, деформируя пружинную шайбу 3 под двумя вершинами (выступами) 5; поворот происходит вокруг линии, соединяющей два нижних крепежно-юстировочных винта 4, т.е. плечо лишь немного меньше диаметра всего лазера. Основным недостатком такого узла юстировки является то, что юстировку приходится выполнять не в прямоугольных координатах, а по трем направлениям через 120°, что, однако, после некоторой практики почти незаметно.

В. Узел юстировки со сферическим подшипником позволяет при той же компактности и сравнительно низкой стоимости, что и узел юстировки с крепежно-юстировочными винтами, значительно повысить точность юстировки и увеличить диапазон углов прокачки; юстировка по-прежнему выполняется в системе 120-градусных координат.

В такой конструкции (рис. 2в) зеркало 2 закрепляется во внутреннем кольце I сферического подшипника, внешнее кольцо 6 которого является корпусом юстировочного узла. От осевого смещения внутреннее кольцо подшипника удерживается тремя плоскими пружинами 3, правые (по рисунку) концы которых с помощью трех эксцентриковых осей 5 грубой юстировки могут перемещаться вдоль оптической оси. Для тонкой юстировки используются три винта 4, упирающиеся своими концами в среднюю часть плоских пружин 3 и прогибающие их с шагом s. При этом прогнувшаяся плоская пружина играет роль рычага с переменным (в зависимости от прогиба) соотношением плеч: чувствительность данного механизм максималь-на при малом прогибе пружины и постепенно ухудшается по мере ввертывания винтов 4. Оба юстировочных механизма после заводской выверки обязательно стопорятся - как правило, головки винтов 4 заливаются красной эмалью.

В лазерах с частой подъюстировкой используются в основном узлы с кардановым подвесом; они же применяются в лазерах с автоматической электромеханической подъюстировкой, что связано с гораздо большей устойчивостью двухкоординатной системы подъюсти-ровки, для обеспечения чего требуется точно выдерживать прямо-угольность осей юстировка.

§ 2. оптические элементы лазерных резонаторов

В зависимости от условий работы и технологических возможностей в качестве отражателей лазерных резонаторов используются зеркала с диэлектрическими слоями или отражающие покрытия из металла, призмы полного внутреннего отражения (ПВО) и отражатели, использующие френелевское отражение – резонансные отражатели и стопы.

2.1. Зеркала лазерных отражателей

В большинстве лазерных резонаторов используются зеркальные покрытия, что связано по крайней мере с двумя причинами - таким образом сравнительно просто можно получить любой нужный коэффициент отражения (или пропускания) при умеренной стоимости отражателя.

А. Металлические зеркальные покрытия нашли практическое применение только в лазерах ИК-диапазона и представляют собой золотое покрытие (2И) [7] , наносимое методом испарения, на полированную металлическую (медную, германиевую и т.п.) подложку с подслоем хрома. Основным недостатком металлических зеркальных покрытий является их сравнительно большие потери на поглощение -порядка нескольких процентов. Эти потери значительно снижают выходную мощность лазеров при небольшом усилении активной среды [1] . В мощных лазерах поглощение вызывает значительный нагрев металлического зеркала, что приводит к его термической деформации, а при большой плотности мощности - к разрушению; иногда для снижения температуры поверхности металлического зеркала применяет водяное или воздушное охлаждение медной подложки (имеющей соответствующую конструкцию с радиальными или расположенными по спирали каналами внутри).

Б. Диэлектрические лазерные зеркала наиболее часто применяются в резонаторах. Они представляют собой интерференционные структуры из нечетного количества чередующихся диэлектрических слоев с высоким и низким показателями преломления, оптическая толщина каждого из которых обычно равна четверти рабочей длины волны о.

Наиболее часто для о<1,5 мкм в качестве диэлектриков для многослойных лазерных зеркал используются наносимые испарением в вакууме (специально очищенные) покрытия 29И из сернистого цинка ZnS ( n = 2,3; 0,4<<25 мкм)и 24И из фтористого магния MgF (n=1,38; 0,2<<10 мкм).

Характеристики других веществ, используемых при изготовлении диэлектрических интерференционных зеркал, приведены в табл. I [7].

Типичная спектральная характеристика многослойного диэлектрического зеркала приведена на рис. 3. Существенно, что огибающая (пунктир) в первом приближении не зависит от количества слоев. На рис. 4 показана зависимость относительной ширины центрального максимума такого зеркала от соотношения показателей преломления используемых веществ.

Таблица 1

Вещество	Показатели преломления	Спектральный диапазон, мкм	Способ нанесения	Особенности
Трехсернистая сурьма (27)	2,55	1-16	Испарение в вакууме (условное обозначение И)	Только для ИК области
Двуокись цезия (94)	2,2	0,5-12		Для работы при 100%, влажности; повышенное светорассеяние
Окись свинца
Криолит (23)	1,35	0,2-14		Наинизшкй показатель првлом-ления
Фтористый стронций (18)	1,25	0,5-12		Полосы поглощения на 3 и 6,3 мкм
Двуокись титана (83)	2,35	0,4	Из раствора ортоти-тановой и орто-кремниевой кислот (Р)	Плохая воспро- изводимость толщины слоя; высокая механи-
Двуокись кремния (41)	1,47	0,2-8		высокая механическая прочность и влагостойкость

Рис. 5 позволяет наглядно представить как форму, так и абсолютные значения основной характеристики четвертьволнового диэлектрического зеркала вблизи рабочей длины 0 . При большом числе слоев (или металлической подложке) добавление каждого нового слоя с высоким показателем преломления уменьшает коэффициент пропускания в раз, т.е. практически в раз. Слой же с низким показателем преломления увеличивает в раз. Соответственно каждая пара слоев с высоким и низким показателями преломления уменьшает в раз, т.е. в 2…3 раза. Из рис. 5 видно преимущество структуры «подложка–В-Н-В-Н … Н-В-воздух», когда первый и последний слои имеют высокий показатель преломления. Действительно, зеркало из четы рех сдоев В-Н-В-Н имеет меньший коэффициент отражения, чем зеркало из трех слоев (В-Н-В); та же закономерность сохраняется для любого количества слоев.

Рисунок 3. Расчетная спектральная характеристика многослойного зеркала из четвертьволновых слоев диэлектрика (19 слоевТiO2 и SiO2 , нанесенных на подложку из плавленного кварца (n=1.47)

Кроме того, это весьма удойно как в технологическом, так и эксплуатационном аспектах, так как слои с большим n практически негигроскопичны и обладают лучшей адгезией к подложке. Таблица 2 [2] дополняет рис. 5 с учетом дисперсии и , а также в области малого (k = I) и большого (k = 17; 19) количества четвертьволновых слоев.

Рисунок 4. Влияние показателей преломления используемых веществ на относительную ширину центрального максимума диэлектрического зеркала из четвертьволновых слоев: верхняя кривая дает ширину, при которой,нижняя-,при которой ; экспериментальные точки для ТiO2|SiO2 взяты из [2]

Рисунок 5. Центральная часть спектральной характеристики четвертьволнового диэлектрического (nВ = 2,З5, nН=1,45) зеркала из K слоев на подложке из плавленного кварца [2]

Таблица2

Длина волны		Количество слоев
Нм	I	3	5	7	9	11	13	15	17	19
500	64	34	12	4,3	1,6	0,6	0,2	0,06	0, 02	0,01
633	67	34	14	6,1	2,4	0,9	0,4	0,1	0,03	0, 01
694	68	35	15	6,2	2,4	1.0	0,4	0,1	0, 04	0,01
1060	69	З7	18,5	6,2	3,5	1.5	0,6	0,2	0,05	0,02
1152	70	38	19	8,5	3,7	1.6	0,6	0,2	0,07	0,02

Из табл. 2 видно, что увеличение количества слоев k сверх 15...17 (при nВ=2,35 и nн= 1,45) не имеет практического смысла, так как не приводит к увеличению коэффициента отражения зеркала(99,9%), а иногда и снижает его за счет возрастания светорассеяния.

Для получения промежуточных значений (или) последний слой с высоким показателем преломления делают несколько тоньше, чем это необходимо из условия . Параметры более сложных по структуре диэлектрических покрытий, обеспечивающих, например, работу лазеров и параметрических генераторов на двух различных длинах волн, или, наоборот, подавление генерации на одном из конкурирующих переходов, можно найти в [2 ] .

Для практического достижения большого коэффициента отражения имеет существенное значение как механическая обработка подложки зеркала (обычно плавленный кварц, стекло К-8, реже - лейкосапфир и другие кристаллы), так и ее подготовка в вакуумной камере перед напылением. Для подложек лазерных зеркал следует применять "глубокую" полировку (в течение нескольких смен при использовании обычных полировочныx материалов или несколько часов с помощью субмикронных алмазных паст), обеспечивающую удаление всего подтрещиноватого слоя толщиной 10 мкм, образовавшегося в результате предшествующей шлифовки свободным абразивом. Это значительно уменьшает светорассеяние, особенно вредное для лазеров с небольшим усилением активной среды, и повышает лучевую стойкость. Последнее для стекла К-8 иллюстрируется табл,3 [3]

Таблица 3

Способ обработки	"Глубокая-" полировка	Обичная полировка	Шлифовка
Порог разрушения гигантским импульсом рубинового лазера, Дж/см²	190±25	87±8	9±0,6

При "глубокой" полировке легко обеспечивается не только отсутствие местных дефектов, но и предельно достижимо качество формы всей подложки. В сочетании с двойным (реже одинарным или тройным) вращением подложек в подколпачном устройстве (для обеспечения высокой однородности толщины напыленных слоев) это позволяет достигнуть высокоэффективного функционирования оптического резонатора с изготовленными таким образом зеркалами.

Для улучшения механических свойств покрытий (агдезия к подложке) к их лучевой стойкости подложки перед напылением тщательно очищаются, включая ионную бомбардировку и прогрев в вакууме. Последнее дополнительно несколько увеличивает коэффициент отражения наносимых затем слоев - см. табл. 4 [3] ( = 694 нм, свободная генерация), где числитель соответствует обычной технологии напыления ( + криолит), а знаменатель - технологии, с дополнительным нагревом подложек до 200°С.

Таблица 4

Число слоев	I	5	7	9
, %	40/44	86/90	95/97	97/99
Порог разрушения, Дж/см2	680/2100	500/1400	360/130	320/640

Таблица 5

Материал

Моноимпульс (при

= 634 нм),

Свободная гене-

рация (при =

= 1.06 мкм),

МВт/см2

Плавленный кварц

Крон

Легкий крон

Боросиликатный крон

Баритовый крон

Тяжелый баритовый крон

Легкий флинт

Флинт

Тяжелый флинт

Сверхтяжелый флинт

220

133

350

500

16,5

8,7

9,5

11,5

11,7

Заметим, что сравнение второй строки табл. 4 с соответствующей строкой табл. 2 наглядно иллюстрирует преимущества использования веществ о большим показателем преломления (см. табл. I) для получения высокого коэффициента отражения при меньшем числе слоев и, следовательно, при меньшем светорассеянии и большей лучевой стойкости.

Однако лучевая стойкость диэлектрических зеркал существенно ниже лучевой стойкости прозрачных оптических материалов - стекол и кристаллов (табл. 5); поэтому в мощных лазерах часто используются гораздо более дорогостоящие элементы резонатора, заменяющие диэлектрические зеркала.

2.2. Резонансный отражатель

Этот тип отражателя лазерных резонаторов по своему функциональному назначений и принципу действия аналогичен полупрозрачным (выходным) диэлектрическим зеркалам и является их "толстослойным" аналогом, обладающим, однако, значительно большей лучевой стойкостью (и, к сожалению, стоимостью).

Резонансный отражатель представляет собой две или три плоскопараллельных пластины из плавленного кварца, стекла или лейкосапфира, разделенных более толстыми распорными кольцами из плавленного кварца или суперинвара. Часто резонансный отражатель собирается на оптическом контакте. Высокая лучевая стойкость обеспечивается здесь свойствами используемых материалов (табл. 5).

Высокий коэффициент отражения рассматриваемой системы обеспечивается на некоторых дискретных частотах, для которых на толщине каждой из m пластин с показа-телем преломления n укладывается нечетное число [4]. Зависимость от показателя преломления резонансного отражателя из 1...10 пластин представлена па рис. 6, откуда видно, что при использовании кронового стекла (например, К-8) уже три пластины обеспечивают коэффициент отражения 70%; аналогично отражатель из лейкосапфира (n = 1,76) дает уже 87% при трех пластиках и 66% - при двух.

Следует иметь в виду, что форма частотной характеристики резонансного отражателя существенно сложнее, чем в случае диэлектрических зеркал, что, в частности, иллюстрируется рис. 6б. В случае отражателя из двух пластин период следования максимумов коэффициента отражения в первом приближении определяется как , где - толщина пластины. Мелкая структура в этом случае имеет период где - толщина распорного кольца.

Рисунок 6. Зависимость а) максимального коэффициента отражения резонансного отражателя от его параметров [З] и б) пример частотной характеристики такого отражателя (три пластины из стекла К-8 с n= 1,51 толщиной b = 2,5 мм)

Высокая стоимость резонансного отражателя обусловлена жесткими допусками на изготовление как самих пластин (их разно-толщинность ,неплоскостность и клиновидность не должны вносить фазовых искажений более ), так и распорных колец. При увеличении сверх [3] коэффициент отражения стопы равен только сумме френелевских коэффициентов отражения, но имеет почти гладкую частотную характеристику из-за ослабления интерференционных эффектов как в отдельных пластинах, так и между ними.

2.3. Призменные отражатели

Призменные отражатели используются в мощных лазерах вместо «глухих» интерференционных зеркал с целью повышения лучевой стойкости, а такие в лазерных гироскопах для уменьшения ширины полосы "захвата" [1] за счет меньшего светорассеяния. Кроме того, отражатели обладают рядом дополнительных преимуществ, в определенной степени оправдывающих некоторое удорожание приборов из-за существенно большей стоимости призмы ПВО по сравнению с зеркалом.

Одним из преимуществ применения призм ПВО является "перемешивание" поля в резонаторе с призменным отражателем, где ход луча замыкается после прохода луча над оптической осью и под ней - в отличие от хода луча в обычном плоскопараллельном резонаторе. Другим преимуществом призменных отражателей является их нерас-страиваемость, т.е. отсутствие сколь-нибудь жестких допусков на установку призмы по отношению к оптической оси.

Нерасстраиваемость, однако, требует изготовления рабочего (обычно прямого) угла призмы ПВО с точностью порядка единиц угловых секунд, так как в противном случае отраженный луч становится не параллельным падающему: для обычной призмы ПВО на , а для призмы ПВО с брюстеровской гипотенузной гранью – на .

Требования к пирамидадьности отражательных призм обычно невелики, так как по второй координате всегда имеется какое-либо юстировочное устройство (или призма для модуляции добротности вращается электромотором, ось которого перпендикулярна рабочему ребру призмы).

Известны призмы ПВО, обеспечивающие нерасстраиваемость по обеим угловым координатам, так называемые трипель-призмы. Однако их стоимость существенно выше, так как здесь точность требуется выдержать при изготовления трех прямых углов при (рабочей) вершине.

2.4. Просветляющие покрытия для, лазерных элементов

С целью уменьшения френелевского отражения установленных внутри резонатора оптических элементов в лазерной технике в некоторых случаях можно использовать просветляющие покрытия.

А. Однослойные просветляющие покрытия с показателем преломления n, и толщиной могут снизить коэффициент отражения подложки с показателем преломления до значения (на длине)

, где - показатель преломления внешней среды. Если деталь работает в воздушной среде () то, очевидно,

Отражение полностью устраняется однослойным просветляющим покрытием с . На практике такое покрытие может быть реализовано лишь на материале с большем показателем преломления , так как наименьшим показателем преломления обладает покрытие из ( , см. табл. I). В результате обычные оптические стекла () просветляются лишь до .

Б. Двухслойное просветление является более эффективным; для него при четвертьволновых слоях . При работе в воздухе () . На кроновом стекле () такое покрытие обеспечивает при использовании в качестве первого слоя () [3]. Следует иметь в виду, что собственное светорассеяние и поглощение в просветляющих слоях обычно составляет .

Условие полного просветления двухслойным покрытием (из слоев с оптической толщиной ) имеет вид . Если оно не удовлетворяется, то коэффициент отражения может быть снижен до нуля за счет подбора оптических толщин обоих просветляющих слоев [4].

§ 3. ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ЛАЗЕРНЫЕ КЮВЕТЫ

Газообразные рабочие вещества лазеров являются наиболее распространенными среди всех известных активных сред. Это обусловлено сравнительной простотой и дешевизной возбуждения газообразных активных сред с помощью газового разряда (и лишь в исключительных случаях - с помощью оптической накачки). Вторым существенным преимуществом газообразных активных сред является их высокая оптическая однородность, что позволяет на практике реализовать дифракционную расходимость излучения газовых лазеров с почти плоскопараллельными и даже неустойчивыми резонаторами.

При возбуждении газового разряда используется высокочастотная накачка ( МГц) или разряд постоянного тока [1].

Высокочастотная накачка существенно уменьшает собственные шумы газового разряда и, следовательно, выходного лазерного излучения; однако блок высокочастотной накачки заметно сложнее (в том числе и в настройке) и дороже, чем при накачке постоянным током. Кроме того, высокочастотный разряд за счет эффекта жестчения ("зоколачивание" газовых частиц в стенки разрядной трубки) уменьшает срок службы газоразрядной кюветы.

Недостатками накачки постоянным током являются сложность (внутренних) электродных узлов - катода и анода, необходимость устройства поджига разряда и значительные шумы разряда, связанные с наличием стратов - неоднородных сгустков в рабочей части столба газового разряда.

Рисунок 7. Типичная газоразрядная кювета: I - газоразрядный капилляр; 2 - катодная колба; 3 - анодная колба; 4 – брюстеровские окна

В серийных газоразрядных лазерах активная среда находятся в газоразрядной кювете (рис. 7), содержащей обычно следующие узлы:

1. Газоразрядный капилляр - неэлектропроводящую трубку с
малым угловым размером, в которой за счет газового разряда рабочее вещество превращается в активную среду либо непосредственно, либо при участии буферного газа [1].

2. Электроды - специальные металлические детали, через которые в газовый разряд подается электрическая- (или электромагнитная) энергия. Внешние электроды служат для высокочастотной накачки и часто не поставляются совместно с газоразрядной кюветой (как, кстати сказать, и поджигающий электрод, на который при включении газового разряда постоянного тока подается высоковольтный импульс для первоначальной ионизации газа). Внутренние электроды, как правило, служат для поддержания дугового или тлеющего разряда и обычно бывают двух типов - катоды, служащие для инжекции в разряд электронов за счет термо- или (реже) автоэлектронной эмиссии, и аноды, через которые электроны выводятся из газового разряда.

3. Геттер - специальный технологический узел, не имеющий непосредственного отношения к работе лазера, но существенно влияющий на срок службы газоразрядной кюветы; геттер служит для поглощения (за счет химического связывания) вредных примесей из рабочего вещества газоразрядной кюветы.

4. Оптические узлы, герметизирующие газоразрядную кювету вблизи оптической оси лазера. Чаще всего газообразная активная среда отделяется от внешней атмосферы с помощью оптических окон, установленных под утлом Брюстера (где n - показатель преломления); при этом для поляризованного излучения со строго определенной плоскостью колебаний (вектора Е) потери на отражение отсутствуют.

Рассмотрим подробнее устройство и работу отдельных узлов газоразрядной кюветы и их разновидностей.

3.1. Газоразрядные капилляры

В зависимости от температуры газоразрядной плазмы для газоразрядных капилляров серийных лазеров используют следующие материалы: электровакуумное стекло, плавленный кварц, керамику.

Подавляющее большинство газоразрядных кювет изготавливается из молибденового (коэффициент линейного расширения ) электровакуумного стекла (например, марки СЧ-49) с температурой размягчения ~ . Последняя и является основным его недостатком - такое стекло можно использовать лишь для He-Ne, He-Cd и других газовых лазеров с низкотемпературной плазмой и малоактивными (в химическом плане) компонентами. Преимущества молибденового стекла - низкая стоимость, простота и отработанность технологии изготовления изделия и токовводов в него (из электровакуумной молибденовой проволоки), возможность использования сравнительно дешевых брюстеровских окон из оптического стекла и т.д.

Температура размягчения плавленного кварца (~) позволяет использовать его для изготовления газоразрядных трубок, работающих в довольно тяжелых температурных условиях; этому дополнительно способствует несколько более высокая химическая стойкость, теплопроводность и существенно (на порядок) меньший коэффициент линейного расширения по сравнению со стеклом (последние существенны при интенсивном водяном охлаждении, например, в ионном аргоновом лазере). Недостатками плавленного кварца как материала для изготовления газоразрядных кювет являются: ого высокая стоимость и сложность процесса изготовления кюветы,

сложность изготовления и низкая эксплуатационная надежность токовводов, необходимость использования кварцевых брюстеровских окон и т.п. Наиболее существенным, однако, является небольшой ресурс работы кварцевых газоразрядных кювет для конных аргоновых лазеров, составляющий в зависимости от плотности тока

10-100 часов; это заметно увеличивает эксплуатационные расходы при использовании таких лазеров.

Наивысшей термостойкостью (~) обладают керамические капилляры на основе окиси бериллия. При использовании таких, капилляров в ионных аргоновых лазерах (с аксиальным магнитным полем для "отжатия" разряда от стенок капилляра с целью уменьшения столкновений ионов Аr+со стенками, что повышает инверсную населенность и, следовательно, коэффициент усиления, а также несколько уменьшает нагрев капилляра) срок службы в зависимости от рабочего режима достигает уже ч.

В некоторых лабораторных конструкциях используются секционированные металлические капилляры (обычно - из дюралюминия). При охлаждении такого "наборного" капилляра водой за счет очень высокой теплопроводности внутренняя стенка капилляра удовлетворительно работает даже в условиях сильноточной аргонной плазмы. Длина каждой секции металлического капилляра определяется пробойным напряжением изоляционного слоя (в случае алюминия - диэлектрической прочностью оксидной пленки Аl2O3 ). Узким местом металлических капилляров являются уплотнительно-изоляционные шайбы между секциями, газовыделение которых не обеспечивает работоспособность без использования вакуумного поста.

3.2. Электроды газоразрядных лазеров

Катоды обычно являются наиболее сложным и дорогостоящим электродным узлом газоразрядных лазеров. Основным назначением катодов является эмиссия электронов в газовый разряд. Обычно используют эффект термоэлектронной эмиссии, для чего поверхность катода подогревают за счет тока накала. Различают два типа подогревных катодов: прямого накала и косвенного.

Катод прямого накала обычно представляет собой вольфрамовую биспираль со специальным покрытием, содержащим окислы редкоземельных элементов для уменьшения работы выхода электронов. Преимуществом катодов прямого накала является малая потребляемая мощность и, следовательно, экономичность, быстрый выход на

рабочий режим ( ~ 10 с), малые габариты и масса. Основной недостаток катодов прямого накала связан с их малой тепловой инерцией, в результате чего пульсации питающего тока (накала) заметно изменяют эмиссионную способность и, следовательно, ток разряда, что приводит к пульсациям выходной мощности лазера. Поэтому катоды прямого накала желательно питать постоянным (или хорошо отфильтрованным от пульсаций) током. Кроме того, ограниченная поверхность эмиссии катодов прямого накала не позволяет использовать их в лазерах с большими токами разряда (> 1 А).

Катод косвенного накала состоит из металлической тонкостенной трубки (керна), в одном из торцев которой запрессована оксидная таблетка; с другой стороны керна вставлен мощный вольфрамовый подогреватель. Такая сравнительно громоздкая и дорогая конструкция отличается повышенными энергопотреблением и тепловой инерцией: время разогрева до выхода на рабочий режим ~1 мин; однако даже при питании подогревателя (катода косвенного накала) переменным током промышленной частоты (50...60 Гц) пульсаций выходной мощности лазера с этими частотами не наблюдается.

Полый катод является разновидностью холодных катодов, использующих эффект автоэлектронной эмиссии; в силу этого плотность тока на поверхности такого катода существенно меньше; кроме того, для таких катодов характерно повышенное распыление материала катода, приводящее к образованию налетов на окнах и повышенному "жестчению" газов в кювете. Отсутствие непосредственного энергопотребления для подогрева катода и мгновенный выход на режим после включения разряда позволяют создавать малогабаритные мобильные лазерные приборы (например, He-Ne - лазерные "гироскопы") с пониженным энергопотреблением и нагревом газа в прикатодной области.

Аноды являются наиболее простыми по конструкции электродными узлами газоразрядных лазеров. Они представляют собой металлический цилиндр (обычно из электровакуумного никеля), часто расположенный коаксиально разряду с целью улучшения его осевой симметрии. Аноды мощных лазеров (ионных аргоновых с Вт и TEA-лазеров на СО2) иногда охлаждаются водой; в этом случае они обычно изготавливаются из меди.

Геттеры являются технологическими узлами большинства электровакуумных приборов, в том числе и газоразрядных лазеров. Их функциональное назначение заключается в связывании (химическом) вредных газов после отпайки готового изделия от вакуумного поста, а также перед первым включением после длительного хранения. Геттеры газоразрядных лазеров с инертным газом обычно изготавливаются изготавливаются из прессованного титанового порошка и имеют форму полого цилиндра. При подогреве титана до температуры его химическая активность резко увеличивается, что приводит к связыванию не только кислорода, но и азота воздуха. При температуре выше титан начинает связывать водород и тяжелые инертные газы, поэтому перегрев титанового геттера может привести к нарушению соотношения компонентов газовой смеси (например, в Не-Nе лазере).

Для подогрева геттера используют вольфрамовые подогреватели, расположенные внутри титанового цилиндра, или высокочастотный нагрев внешним индуктором; последнее осуществимо только в заводских условиях или в соответствующим образом оборудованных лабораториях. В некоторых газоразрядных кюветах геттерные цилиндрики (1...5 шт.) используют в качестве анода; в этом случае после отпайки такой геттер нагревается индуктором сильно, а в процессе эксплуатации - слабо за счет ионной бомбардировки в газовом разряде.

3.3. Оптические элементы газоразрядных кювет

Для герметизации газоразрядных кювет на оптической оси лазера могут использоваться:

1) брюстеровские окна,

2) внутренние зеркала,

3) "нормальные" окна,

4) просветленные окна.

Все эти четыре типа оптических элементов обеспечивают генерацию при практически полном отсутствии диссипативных потерь при прохождении когерентного излучения от активной среды до отражателей резонатора и обратно.

Брюстеровские окна используются в большинстве газоразрядных кювет, что связано со сравнительно мягкими (~1°) допусками на установку этих оптических элементов в резонаторе, их малой стоимостью и высокой эксплуатационной надежностью. Брюстеровские окна устанавливаются под строго определенным углом (не путать с углом полного внутреннего отражения!), что обеспечивает нулевой коэффициент отражения дня одной (линейной) поляризации излучения.

Существенно, что излучение со второй (перпендикулярной) поляризацией отражается при падении под тем же углом значительно сильнее

(где , чем при нормальном падении (рис. 8); кроновые стекла отражают 15...20% энергии нерабочей поляризации. Именно по этой причине все лазеры, имеющие хотя бы одну брюстеровскую поверхность, генерируют линейно поляризованное излучение, причем плоскость поляризации определяется ориентацией этой поверхности. Следовательно, чтобы изменить положение плоскости поляризации излучения газоразрядного лазера, достаточно повернуть его брюстеровские окна вокруг оптической оси резонатора.

Для определения допуска на точность установки брюстеровского окна по отношению к оптической оси можно воспользоваться частью кривой в области , построенной в крупном масштабе.

Рисунок 8. Зависимость коэффициента отражения ρ (кронового стекла) от угла падения: а – вектор Е лежит в плоскости падения; б – неполяризованный свет; в – вектор Е перпендикулярен плоскости падения.

Можно решить задачу и аналитически, пользуясь приближенной зависимостью

при соответственно получим уравнение

которое относительно может быть решено лишь методом подбора.

Допуск на "искрутку" γ, т.е. на неперпендикулярность двух (или более) брюстеровских окон базовой плоскости, легко можно найти аналитически. Действительно, для ортогональной поляризации коэффициент потерь на одной поверхности составляет

а относительная интенсивность излучения с данной поляризацией ~. Соответственно четыре поверхности (двух брюстеровских окон) внесут за цикл потери , в результате допустимый угол нскрутки . Так как для кронового стекла , то , рад или .

Полагая , получим допуск на искрутку , превншающий 3'; на-помним, что допуск на точность установки самого угла Брюстера значительно мягче (~1°).

Угол искрутки готовой газоразрядной трубки с взаимно непараллельными окнами может быть легко вычислен по формуле

где Δs - расстояние между центрами отраженных от брюстеровских окон пучками; b - расстояние от оси трубки до плоскости, где измеряется Δs; такую плоскость удобно выбирать вблизи места, соответствующего пересечению отрадных пучков при идеальном положении окон, когда

Здесь l - длина газоразрядной кюветы.

Внутренние зеркала применяются в ив которых серийных гелий-неоновых лазерах (рис. 9) и во всех моноблочных газоразрядных лазерах (см. рис. 1 в, г). Однако такая конструкция усложняет технологический цикл и требует более высокой культуры производства. С точки зрения генерационных характеристик лазеры с внутренними зеркалами имеют заметное преимущество из-за уменьшения диссипативных потерь на брюстеровских окнах. Следует, однако, тлеть в виду, что внутренние зеркала в гелий-неоновых лазерах с мкм должны иметь специальное покрытие, обеспечивающее минимальное отражение на конкурирующей с рабочим переходом [I, рис. 2.8] длине волны мкм (переход ).

В противном случае из-за очень большого коэффициента усиления на мкм возникает генерация, в том числе в однозеркальном варианте, называемая двухпроходной сверхлюминесценцией. Эта генерация приводит к уменьшению населенности верхнего рабочего уровня , уменьшению инверсной населенности на рабочем переходе и, как следствие, к резкому уменьшению генераций на мкм вплоть до полного срыва. В соответствии с последним столбцом

[ 2, табл. 24.2 ] требуемое покрытие может быть легко изготовлено по крайней мере для выходного зеркала (,).

Рисунок 9. Узлы концевого отражателя серийного гелийнеонового лазера ЛГН-201:

1 - выходное (плоское); 2 - "глухое" (сферическое)

Напомним, что в лазерах с брюстеровскими окнами паразитная генерация на мкм эффективно подавляется при использовании окон из стекла и поглощающих ячеек с метаном; в последнем случае требуется установка дополнительного кварцевого окна.

Следует} предостеречь начинающих экспериментаторов от попыток необдуманного применения внутренних зеркал в макетных изделиях. Необходимо очень тщательно прорабатывать конструкцию узла зеркала: возможности его юстировки и защиты от ультрафиолетового излучения газового разряда и заряженных частиц (электронов и особенно ионов), разрушающих диэлектрические зеркала.

"Нормальные" окна из-за сложности юстировки используются только в лабораторных установках. По принципу своей работы они являются эталоном Фабри-Перо, настроенным на максимальное пропускание. Как известно [1] , при соответствующей настройке коэффициент пропускания такого интерферометра , причем

где b - толщина эталона Фабри-Перо; n - его показатель преломления; φ - угол между преломленным лучом и нормалью, q - продольный индекс. Для обеспечения неизменности настройки всякий эталон Фабри-Перо должен изготавливаться из стекла с близкой к нулю термооптической постоянной (стекла К-20, БК-10, ТК-8, БФ-1, БЗ-7).

В результате "нормальное" окно, будучи настроено на частоту рабочего перехода активной среды путем незначительного наклона на угол φ, практически не вносит потерь на отражение; собственные частоты резонатора обычно лежат вблизи , а ширина резонансного пика пропускания "нормального" окна существенно превосходит ширину полосы генерации из-за малого коэффициента френелевского отражения стекла . Таким образом, в процессе эксплуатации "нормального" окна (по крайней мере, в лабораторных условиях) не требуется его подъюстировки.

Просветленные окна для обеспечения приемлемых потерь на отражениедолжны иметь двухслойное просветление (см.2.4, п. Б). Их основными преимуществами перед "нормальными" окнами являются низкие требования на плоскопараллельность обеих рабочих поверхностей, отсутствие ограничений на термооптическую постоянную используемого стекла и шалою допуски на точность
установки по отношению к оптической оси резонатора. Однако эксплуатационная надежность таких окон при частом удалении оседающей на них пыли невелика, так как при этом происходит более или менее быстрое повреждение наружного просветляющего слоя.

Существенно, что все поляризационно изотропные газовые лазеры, не содержащие брюстеровские окна или какие-либо другие поляризующие элементы, генерируют линейно поляризованное излучение с хаотически меняющимся (через время порядка или ) положением плоскости поляризации. 3 результате при использовании такого излучения в оптических приборах, содержащих наклонные преломляющие поверхности, сигнал может существенно меняться (см. рис.8).

Полезно напомнить, что поляризующим элементом в лазере могут быть не только наклонные оптические поверхности, но и сама активная среда: кристаллические активные среды обеспечивают обычно линейно-поляризованное излучение, плоскость ориентации которого однозначно определяется кристаллографическими осями; плоскость ориентации излучения газообразных активных сред определяется внешним магнитным полем. При продольном поле излучение поляризовано циркулярно, а при поперечном - линейно.

§ 4. АКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ ЛАЗЕРОВ

В настоящее время серийно выпускаются три вида твердотельных активных сред для лазеров: рубиновые стержни, активные элементы из неодшового стекла и стержни из иттрий-алюминиевого граната, легированного неодимом. В силу существенного различия как технологии их получения и обработки, так и генерационных свойств целесообразно рассмотреть каждый вид стержней отдельно.

4.1. Рубиновые стержни

Рубиновые лазерные стержни являются наиболее распространенной активной средой серийных твердотельных лазеров. Большинство лазерных (бледно-розовых) рубиновых стержней изготавливается из кристаллов, выращенных по методу Вериейля из химически чистой пудры Аl2O3 , легированной окисью хрома Сr2O3 . Выращенные були затем отжигают в вакууме при температуре 1950°С для снятия напряжений, возникающих в процессе роста кристалла, и медленно (~50 °С/ч) охлаждают; затем кристалл разрезают алмазными пилами на заготовки, из которых алмазной шлифовкой получают стержни.

Размеры серийных рубиновых стержней лежат в следующих пределах: диаметр

3,5... 16 мм, длина мм. Максимальные размеры стандартного лазерного стержня рубина мм. Наружную поверхность рубинового стержня обычно грубо шлифуют, а затем полируют щетками с субмикронной алмазной пастой. В результате получается волнистая полированная поверхность, эффективно перераспределяющая свет накачки по объему стержня, что обеспечивает довольно равномерную накачку даже при заметно асимметричном расположении лампы в осветителе. Диаметр стержня имеет стандартные размеры (обычно 8, 10 или 16 мм) и обеспечивает скользящую посадку по пятому классу точности.

Структура стандартных стержней и форма их торцев показаны в табл. 6.

Лейкосапфировые "наконечники" на стержнях марок РЛ, РЛТБ, РЛ2Б, РЛС и РЛОЛ, РЛОЛ1Б, РЛ0Л2Б получают на стадии выращивания були путем подачи (на соответствующих этапах выращивания кристалла) в пламя горелки чистой пудры Аl2O3 (без примеси Сr2O3). За счет отсутствия примесей такие наконечники обеспечивают повышение порога поверхностного разрушения, т.е. лучшие эксплуатационные характеристики стержня.

Таблица 6

Марка элемента

Эскиз элемента

РЛ

РЛ1Б

РЛ2Б

РЛС

РЛО
РЛОЛ
РЛОЛ1Б

РЛОЛ2Б

Существенно, что стержни с лейкосапфировыми наконечниками обладают и лучшими генерационными характеристиками, так как в них (в отличив от стержней марок Р и РЛО) не происходит экранирования торцевых участков кристалла от света накачки при механическом закреплении стержня в цанги и герметизации в случае жидкостного охлаждения. В результате не остается участков рубина, не подвергающихся оптической накачке; таким образом, характерное для невозбужденного рубина сильное поглощение на рабочей длине волны мкм полностью устраняется светом лампы накачки. В стержнях марок Р и РЛО при экранировании торцевой части кристалла крепежными элементами цанги остаточное поглощение на ликвидируется светом генерации; это, конечно, заметно снижает выходную энергию импульса.

Назначение лейкосапфировой "оболочки" в стержнях марок РЛО, РЛОЛ, РЛ0Л1Б и РЛОЛ2Б заключается в обеспечении более интенсивной и равномерной накачки центральной ("рубиновой") части стержня. При отсутствии оболочки интенсивность накачки вблизи наружной поверхности примерно вдвое меньше, чем вблизи оси (рис. 10); при трехуровневой схеме активной среды, характерной для рубина, это приводит к возможности появления остаточного поглощения, ликвидируемого полем генерации, что снижает КПД лазера.

Для получения стержней с лейкосапфаровой оболочкой используют специальный бункер для пудры. В этой конструкции помимо основного центрального бункера с пудрой Аl2O3 с примесью порошка Сr2O3 имеется второй кольцевой бункер с чистой пудрой Аl2O3.

Рисунок 10. Распределение энергии накачки в рубиновом стержне диаметром 2Rc с лейкосапфировой оболочкой: кривая для R0/Rc=1 соответствует стержням марок Р, РЛ, РЛ1Б, РЛ2Б, РЛС; кривая для R0/Rc=1,76=nрубина – стержням РЛО, РЛОЛ, РЛОЛ1Б, РЛОЛ2Б; кривая R0/Rc=1,4 – оболочке неоптимальной толщины.

Существенно, что в этом случае из одной були модно получить только один стержень, тогда как из толстой рубиновой були можно получить 4-6 стержней, правда, не очень высокого оптического качества из-за асимметрии распределения ионов Сr+3 по поперечному сечению (рис. II).

Непараллельность торцев стержней, перпендикулярных боковой поверхности, не превышает 10", а скошенных - 2'. Для формирования диаграммы направленности лазерного излучения существенное значение тлеет оптическая однородность стержня, которая.при плоско-параллельных торцах определяется в основном изменением показателя преломления (рис. 11а); допустимые значения возрастают по мере увеличения диаметра и концентрации Cr+3 0,6 ( Ø8; 0,015% Cr) до 1,6 (Ø16; 0,03%Cr). Соответственно растет и допустимое количество непроплавов и пузырей (диаметром не более 0,3 мм) - с 9 в стержне Ø 8 до 30 в стержне Ø16.

Рисунок 11. Изменение показателя преломления в кристаллах рубина диаметром 16мм, выращенных по методу Вернейля (а) и Чохральского (б), связанное с неравномерностью содержания легирующей примеси Cr+3 из-за специфики роста кристалла [5]

Существенно, что оптическая сипа плоскопараллельного стержня рубина, выращенного по методу Вернейля (рис. 11а), отрицательна и легко может бить компенсирована положительной силой сферической поверхности (выпуклость торца стержня, вогнутость зеркала резонатора, положительная линза в резонаторе и т.п.).

Если же кристалл выращен по методу Чохральского из раствора в расплаве, то он эквивалентен положительной асферической (рис. 116) линзе, и неравномерность показателя преломления по поперечному сечению может быть исправлена только асферической поверхностью с отрицательной силой. Преимуществом таких кристаллов является практически полное отсутствие рассеивающих частиц размером более 0,5 мкм, в результате чего потери из-за светорассеяния не превышает 10-4 см-1, т.е. меньше, чем даже у лучших неодимовых стекол.

Высокие генерационные характеристики рубина определяются в значительной степени его высокой теплопроводностью, составляющей при комнатной температуре 20 Вт/м К. В результате при наличии эффективной системы жидкостного охлаждения рубиновые стержни способны работать в герцовом режиме, несмотря на сравнительно низкий КПД генерации (~ I...2%). Более того, из-за аномально высокой теплопроводности тонкие рубиновые стержни способны генерировать (~1 Вт) при непрерывной накачке. С другой стороны, так как при температурах выше 40 К теплопроводность рубина монотонно уменьшается (рис. 12), его генерационные характеристики существенно зависят от средней температуры стержня.

Рисунок 12. Зависимость теплопроводности рубина от температуры [5]

Неравномерный нагрев, возникающий из-за несимметричности
осветителя при неудачной конструкции системы охлаждения, приводит к возникновению механических напряжений, а последние - к наведенному двулучепреломлению . Для стержней низкого качества типичное значение кг/см2.

В плоско параллельном резонаторе при повышении механических напряжений ζ
из-за нагрева происходит резкое возрастание расходимости излучения.

Вторая причина ухудшения генерационных свойств рубина связана с существенным уширением спектральной линии рабочего перехода {). Естественное уширение спектральной линии Сr+3 составляет 0,07 см-1 (~2 ГГц) и является следствием заметного искажения параметров кристаллической решетки α-корунда (ромб с размерами

а = 0,47477 нм, с = 1,2962 нм); решетка чистой окиси хрома имеет а = 0,4939нм, с =1,358 нм. При азотной температуре 77К ширина линии несколько увеличивается

(до 0,3см-1 ). Резкое уширение спектральной линии (рис.13) происходит при работе лазера в обычных условиях (Т=300 К), когда Δυ=10-1 (~3*1011); частично в результате этого коэффициент усиления составляет лишь 0,2…0,4 см-1 (в зависимости от интенсивности накачки и собственных потерь стержня ρ= 0,01...0,08 см-1) вместо 16 см-1 при азотной температуре.

Рисунок 13. Зависимость ширины основной спектральной линии рубина от температуры [6]

Типичное значение удельной энергии ωуд для розового рубина (см-3) составляет 0,25...2 Дж/см3. Больший энергосъем для рубина невозможен, так как при повышении концентрации резко возрастают собственные потери (концентрационное тушение люминесценции), снижается КПД лазера.

Для надежной эксплуатации лазеров существенна лучевая стойкость стержней в поле генерации. В зависимости от режима работы (свободная генерация или гигантский импульс) поверхностная лучевая стойкость рубина составляет ~106 Вт/см2 и

~10 Дж/см2. В соответствии с рис. 14 граница между пороговой плотностью мощности и пороговой плотностью энергии (когда не срабатывает механизм теплоотвода и теплопроводность не играет существенной роли) лежит в области длительной генерации I0-5 с, что не типично для рубиновых лазеров. Объемная лучевая стойкость существенно выше (~3*1010 Вт/см2 [3]) и поэтому может не приниматься во внимание в лазерах с резонаторами без точки концентричности.

Рисунок 14. Зависимость пороговой мощности, вызывающей разрушение полированной поверхности рубина, от длительности импульса [3]

4.2. Активные элементы из неодимового стекла

Основным преимуществом неодимового стекла является его высокая оптическая однородность, в результате длина активных элементов может достигать 2 м, а расходимость излучения еще незначительно превосходит фракционный предел. Кроме того, неодимо-вые лазеры имеют несколько больший КПД (1...3% в стандартных лазерах, предел ~ 10%) по сравнению с рубиновым, гораздо меньшую стоимость (стеклянные активные элементы лазеров получают обычными для производства и обработки оптического стекла технологическими приемами) и несколько большую удельную энергию (1...10 Дж/см3) генерации. Последняя достигается за счет существенно большей концентрации рабочих ионов Nd+3 (I...5)*1020 см-3, время жизни которых на порядок меньше (250...480 мкс).

Основным недостатком неодимового стекла является его низкая теплопроводность

~ 1 Вт/м*К; в результате этого стеклянные активные элементы эффективно работают только в режиме одиночных вспышек. Из-за большого коэффициента линейного расширения ~10-5/К и значительной хрупкости стандартные активные стержни Ø10x130 лопаются уже при разнице температур в соседних участках 35...93°С. Использование жидкостного охлаждения оказывается неэффективным.

Повысить ресурс работы стеклянных активных элементов можно фильтрацией ультрафиолетового излучения ламп-вспышек, используемых в системах оптической накачки; в противном случае генерируемая энергия свободной генерации уменьшается на 30...45% после 500 импульсов.

Большинство неодимовых стекол обладают высоким значением термооптической постоянной ~(3...4)*10-6/К, что в условиях низкой теплопроводности приводит к резкому увеличению расходимости излучения после первой вспышки из-за неравномерного нагрева активного элемента. Однако специально разработанные неодимовые стекла на фосфатной основе (ГЛС-21, ГЛС-22) тлеют на порядок меньшее значение термооптической постоянной и практически не увеличивают расходимость излучения лазера.

Поскольку ион Nd в стекле работает по четырехуровневой системе, нет необходимости в использовании активных элементов с наконечниками. Поэтому номенклатура стандартных стержней отличается только формой поперечного сечения

(Ц - цилиндрические и П - прямоугольные) и углом наклона параллельных друг другу

торцев (90° - перпендикулярно стержню, φ - под небольшим утлом 2...5°, Б - под углом Брюстера). Так, круглый стержень диаметром 8 мм и длиной 100 мм с нормальными торцами обозначается ЭНЦ-90 (Ø8x100). Круглые стержни из неодимового стекла выпускаются серийно с диаметрами 0 5...60 мм и длиной 80...1200 мм. "Нормальные" торцы параллельны друг другу не хуже 10", а брюстеровские и скошенные - не хуже 2'.

Для получения очень большой энергии импульса при сравнительно высоком пороге поверхностного разрушения (~102 Дж/см2 для гигантского импульса, ~10 МВт/см2 в режиме свободной генерации) используются специально изготовленные стержни –

"плиты" длиной до 2 м при размерах поперечного сечения до 8x30 см и установленные под углом Брюстера к оптической оси резонатора диски диаметром до 70 см и толщиной до 6 см [3] . Порог объемного разрушения велик (~103 Дж/см2) и его следует учитывать лишь из-за возможного возникновения "самофокусировки" при плотности энергии

~102 Дж/см2.

При использовании длинных активных элементов из неодимового стекла надо иметь в виду потери из-за поглощения и светорассеяния. Если в лучших стеклах за счет специальной технологии эти потери не превышают 0,001 см-1, то в обычных, коммерческих марках (ОСТ-3-3993-77) они составляют 0,02...0,05 см-1 (табл. 7).

Таблица 7

Основа

Силикатная

Фосфатная

Стекло

ГЛС-5

ГЛС-6

ГЛС-7

ГЛС-9

ГЛС-21

Коэффициент

потерь, см-1

0,02

0,05

0,04

Для приближенного определения коэффициента усиления неодимового стекла удобно использовать значение константы усиления

см-1/Дж см-3. При типичной плотности энергии накачки 100 Дж/см3 см-1. Такой низкий коэффициент усиления при большом (~1020 см-3) количестве активных центровполучается из-за большого (~30 нм см-1) неоднородного уширения спектральной линии рабочего перехода (). В свою очередь, неоднородное уширение возникает в результате неоднородности местных электрических полей аморфной матрицы стекла, в которой каждый ион Nd расположен в произвольном месте. Это приводит к неравномерности проявления эффекта Штарка и, как следствие, к сильному неоднородному уширению. Однако отрицательную роль это уширение играет лишь при генерации гигантских одночастотных импульсов, но оно весьма благоприятно для генерации сверхкоротких пикосекундных импульсов.

4.3. Стержни из иттрий-алюминиевого граната

Иттрий-алюминиевый гранат Y3Al5O12 как активная среда серийных лазеров используется сравнительно недавно. Этому препятствовали технологические сложности выращивания оптически однородных кристаллов, пригодных для лазерной генерации в ближней ИК-области (1,06 мкм при легировании Nd3+).

Уникальные генерационные свойства иттрий-алюминиевого граната объясняются удачным сочетанием его высокой теплопроводности (~10 Вт/мК при комнатной температуре, что лишь незначительно уступает рубину) и почти полным совпадением атомных радиусов Nd+3 (1,32 Å) и Y+3 (1,28 Å). В результате концентрация активной примеси Nd3+ может достигать 3% без появления концентрационного тушения и заметного уширения спектральной линии (6,5 см-1 при комнатной и 1 см-1 - при азотной температуре). В сочетании с четырехуровневой схемой генерации иона Nd3+ это обеспечивает возможность непрерывной генерации при комнатной температуре (с жидкостным охлаждением).

С другой стороны, время жизни возбужденного состояния Nd3+ в решетке иттрий-алюминиевого граната (0,2 мс) вдвое меньше, чем в стекле (0,4 мс), поэтому гранат выгодно использовать в режиме генерации гигантских импульсов с высокой частотой повторения (до 104 Гц), что обеспечивается только при непрерывной накачке дуговыми трубчатыми лампами с криптоновым наполнением. Использование криптона в качестве рабочего газа объясняется удачным сочетанием его резонансных линий/см. [2, рис. 25,4]/

с полосами поглощения иона Nd3+ в решетке граната (0,75; 0,8 и 0,88 мкм), в результате чего, несмотря на несколько большие тепловые потери (~50%) по сравнению с ксеноном

(-40%), общий КПД системы повышается. Естественно, из-за малой ширины спектральной линии иттрий-алюминиевый гранат с неодимом не позволяет получить короткие пикосекундные импульсы.

Из-за высокого коэффициента поглощения невыгодно использовать стержни из иттрий-алюминиевого граната диаметром больше 5...7 мм, так как в них центральная часть не будет эффектно возбуждаться. Длина же стержня ограничивается его оптической неоднородностью (кристаллы выращиваются методом Чохральского из раствора в многокомпонентном расплаве на основе Nd2O3, Y2O3, Al2O3, PF2, PbO, B2O3) и типичной длиной дуги криптоновых и ксеноновых ламп высокого давления (45...90 мм). Стандартный стержень с размерами Ø5x100 мм обеспечивает среднюю мощность 3...10 Вт в режиме периодических (~104 Гц) гигантских импульсов и 10...20 Вт в непрерывном режиме.

КПД непрерывного лазера на данной активной среде можно заметно увеличить (примерно на 1%) за счет более эффективного использования света лампы накачки в видимой области спектра. Для этого в кристалл дополнительно вводят ~1% ионов хрома (добавляя в расплав при выращивании кристалла Cr2O3), обладающих, как упоминалось в § 4.1, двумя широкими (Δλ= 0,1 мкм) поло саг ли в сине-зеленой области с центрами на 0,43 и 0,58 мкм. Эффективно поглощая излучение дуговой криптоновой (или вольфрамовой) лампы накачки, ионы сенсибилизатора Сr+3 накапливаются на метастабильных уровнях 2Е и дополнительно передают энергию возбуждения лежащему ниже верхнему рабочему уровню .

Рекордное значение (~1 кВт) выходной мощности получено в непрерывном лазере с "составной" активной средой из нескольких последовательно расположенных кристаллов [2]; при этом КПД составляет 2,0% (по мощности, потребляемой дуговой криптоновой лампой).

В импульсных лазерах механизм сенсибилизатора не дает заметного эффекта, так как собственное время жизни метастабилей Сr+3 в иттрий-алюминиевом гранате составляет 1,5 мс (при комнатной температуре), а при наличии ионов Nd+3(~1%) возрастает до 6 мс. Причем собственное время жизни иона Nd+3 в этом кристалле составляет ~ 0,2 мс, в результате чего механизм "подкачки" через сенсибилизатор Сr+3 не успеет срабатывать за время горения лампы-вспышки (~1 мс).

§ 5. ИСТОЧНИКИ ОПТИЧЕСКОЙ НАКАЧКИ

Оптическая накачка является одним из наиболее распространенных способов возбуждения рабочих веществ в лазерной технике. Для уменьшения массогабаритных параметров лазеров в качестве источников оптической накачки используют высокоинтенсивные источники света, работающие в непрерывном (дуговые лампы высокого и сверхвысокого давления) или импульсном (лампы-вспышки) режимах. При этом из-за высокой температуры разряда излучение, этих источников в первом приближении может быть охарактеризовано цветовой температурой и коэффициентом серости, определяющих распределение излучения в спектре абсолютно черного тела и его интегральную светимость.

В рассматриваемом приближении (полагая, что источник оптической накачки излучает как абсолютно черное тело) легко установить ряд требований и ограничений на возможности систем оптической накачки. Наиболее существенным ограничением является ширина полос поглощения рабочего вещества лазера. Действительно, в коротковолновой части спектра излучения абсолютно черного тела (при ) лежит лишь 1/4 часть всей излучаемой энергии, а в длино-волновой - соответственно 3/4; тогда даже при совпадении центра полосн поглощения c

и типичной ширине полосы поглощения можно использовать не более 10…20% излучения лампы. Если же , то эффективность оптической накачки резко падает (рис. 15) [6].

Рисунок 15. Зависимость эффективности возбуждения рубина (Al2O3:Cr+3) от цветовой температуры теплового источника оптической накачки: для голубой полосы поглощения с мкм; для зеленой полосы с мкм.

Поскольку в лазерных средах центр полосы поглощения всегда располагается в более коротковолновой области по сравнению с длиной волны генерации , то эффективность источника оптической накачки с непрерывным спектром может быть достаточно велика лишь при условии , т.е. требуется цветовая
температура (где - в микрометрах).

Высокая цветовая температура источника оптической накачки позволяет также достигнуть высокоинтенсивного возбуждения активной среды (поскольку светимость пропорциональна четвертой степени цветовой температуры ), что благоприятно сказывается на выходной мощности лазера.

5.1. Лампы накаливания с галогенным циклом

Лампы накаливания с вольфрамовой нитью являются наиболее дешевым источником света и обладают удовлетворительными светоэнергетическими параметрами. Цветовая температура излучения вольфрамовой спирали приблизительно на 125 К выше истинной температуры и в зависимости от требуемого срока службы не превышает 2800...3400 К, а спектральное распределение практически соответствует таковому для абсолютно черного тела/см. [2 , рис. 25.1в]/; коэффициент серости ~ 0,3.

Для существенного повышения срока службы высокоинтенсивных ламп накачивания (без снижения цветовой температуры излучения) в них используется так называемый галогенный цикл. В ранних конструкциях таких ламп серии КИМ использовались пары иода , связывающие испаренный с нити вольфрам в соединение , температура парообразования которого около 600°С; во избежание осаждения на стенках колбы последняя имела малые габариты, сильно нагревалась нитью накала и ее приходилось изготавливать из плавленного кварца, что значительно повышало стоимость галогенных ламп по сравнению с обычными. Попадая на нить накала, температура которой порядка 3000 К, разлагается на исходные компоненты, при этом пары йода испаряются, а вольфрам в значительной степени возвращается обратно на спираль, что и позволяет существенно увеличить срок службы (или в некоторой степени - цветовую температуру) лампы с галогенным циклом.

Для уменьшения тепловых потерь, связанных с высокой (~600°С) температурой колбы лампы, необходимой для йодного цикла, выпускаемые в настоящее время лампы серии КГМ содержат бром, для которого галогенный цикл удовлетворительно идет уже при 300°С; однако ввиду высокой химической активности паров брома колба ламп КГМ по-прежнему изготавливается из плавленного кварца. Типичный срок службы в зависимости от цветовой температуры (3000...3400 К) составляет 2000...30 ч.

Основным недостатком ламп накаливания как источников оптической накачки является сравнительно низкая цветовая температура, что обусловлено температурой плавления вольфрама; в результате этого приемлемая эффективность накачки обеспечивается этими лампами лишь для ИК-лазеров. Второй существенный недостаток -сравнительно малая яркость: при диаметре биспирали 5 мм на на каждый киловатт потребляемой мощности требуется 25 мм длины вдоль оси лампы (трубчатой). Однако серийные лампы КГМ имеют меньший диаметр спирали и большую длину.

5.2. Лампы-вспышки для накачки лазеров

Источники оптической накачки данного типа используются главным образом для возбуждения твердотельных активных сред (рубин, неодимовые активные среды и т.д.), а также для фотодиссоционных газовых лазеров.

В большинстве случаев эти лампы представляют собой трубку со стенкой калиброванной толщины из плавленного кварца. Внутренний диаметр трубки и расстояние между вольфрамовыми электродами определяет ГОСТ 17399-77 (табл. 8), в последней строке которой вписана энергия вспышки серийно выпускаемых ламп серии ИФП в соответствии с [2, табл. 26.1].

Таблица 8

Расстояние между

электродами l, мм

120

250

580

850

1000

Внутренний диаметр

d, мм

3 5

5 7

7 10

7 10 13

10 13 16

16 18

16 18 24

Номинальная энергия,

кДж

0,4

0,8

1,2 2

5 8

В некоторых случаях используются полостные и спиральные лампы накачки, однако в связи с низкими эксплуатационными параметрами и повышенной стоимостью они применяются все реже.

Лампы-вспышки наполнены инертным газом под избыточным давлением Па являются взрывоопасными. Для наполнения используется обычно наиболее тяжелый инертный газ Хе, так как в нем собственные тепловые потери импульсного разряда

(0,25...2 мс) при удельной мощности 0,05...0,5 МВт/см3 составляют около 40%

(для Kr - 50%, для Ar - 60%, Ne - 65...70% соответственно) . По мере роста вкладываемой в разряд мощности (до 1 МВт/см3) и укорочения длительности импульса до 70 мкс тепловые потери дополнительно возрастают на 10...20%. В типовых режимах спектр излучения ламп-вспышек в первом приближении определяется температурой в разряде, и лишь при уменьшении удельной мощности ниже 0,05 МВт/см3 становится заметным вклад собственных резонансных линий рабочего газа, расположенных для Хе в области 0,8...1 мкм (рис. 16). Повышение вкладываемой в разряд мощности, увеличивая температуру плазмы, заметно влияет на рост излучательной способности, особенно в коротковолновой области спектра.

Однако повышение вкладываемой в разряд энергии W весьма отрицательно складывается на ресурсе работы лампы-вспышки. Так, для трубчатых ксеноновых ламп-вспышек общее количество одиночных импульсов до разрушения составляет

[2], где а - постоянный множитель, зависящий от конструктивных особенностей; Дж/(см2с1/2);

здесь - площадь внутренней поверхности разрядного промежутка диаметром

4...20 мм; мс - длительность апериодического разряда на уровне 1/е. Формула дает удовлетворительную точность для диапазона при длительности разряда 0,1-10 мс (табл. 9).

Таблица 9

Коэффициент

нагрузки

0,7

0,5

0,4

0,3

Число вспышек N

1…10

10…102

102…103

103…104

104…104

Заметное влияние на ресурс работы оказывает электросхема: так, внешний поджиг в 1,5...2,5 раза сокращает срок службы по сравнению с внутренним, и в 5-10 раз по сравнению с работой в режиме "дежурной" дуги (правда, этот режим применим только в "частотных" лазерах). Появление хотя бы одного "звона" в токовом импульсе снижает ресурс работы ламп вдвое.

Рисунок 16. КПД спектральной светимости импульсных (трубчатых) ксеноновых ламп при удельных мощностях разряда, кВт/см3: 1 – 340, 2 – 110, 3 – 26, 4 – 0,11.

При скорости нарастания токового импульса свыше 102 А/мкс в лампе возникает ударная волна и кварцевый балкон разрушается за одну вспышку.

Отрицательно сказывается на ресурс работы и усложнение конфигурации лампы: спиральная и, особенно, коаксиальные полостные лампы имеют заметно меньший ресурс из-за значительной неоднородности распределения нагрузки по стенкам колбы.

Высокоэффективные отражатели также уменьшают ресурс работы лампы за счет повышения тепловой нагрузки на колбу; коэффициент нагрузки возрастает при этом примерно в 1,3 раза.

Допустимые частоты повторения вспышек определяются усяовиями теплоотвода. Пределы средней мощности для ламп с кварцевым баллоном приведены в табл. 10.

Таблица 10

Способ

охлаждения

Естественная

конвекция

Принудительный

обдув

Прокачка

воды

, Вт/см2

5…10

300

Для лазеров, эксплуатируемых в частотном режиме 0,1...10 Гц, разработана специальная серия ламп-вспышек ИСП со средней мощностью 200...104 Вт (l = 40...250 мм), параметры которых приведены в [ 2, табл. 26.2].

Удельное сопротивление (в омах на сантиметр) импульсной ксеноновой лампы в пробитом состоянии (после воздействия поджигающего импульса) слабо зависит от плотности разрядного тока для диапазона А/см2 и может быть определено по приближенной формуле ; при плотности тока кА/см2 эта зависимость становится еще более слабой. Мгновенное сопротивление лампы [3].

Типичное время восстановления электрической прочности (деионизации) импульсных ламп-вспышек в зависимости от их конструкции и режима работы составляет 2...15 мс, после чего пробойное напряжение равно 2...3 кВ для коротких ламп (см) и 3...8 кВ - для длинных (см). Хотя известен [ 3,§ 4.2] ряд схемных способов предотвращения дугового режима импульсных ламп-вспышек, основанных на отключении источника электропитания от лампы-вспышки после разряда (на время деионизации), даже частотные лампы-вспышки серии ИСП не могут работать с частотой следования импульсов более 20...50 Гц. Поэтому для накачки лазеров, время жизни возбужденных частиц в которых мало (например, в ИАГ мс), а теплопроводность активной среды велика, целесообразно использовать непрерывную накачку.

5.3. Дуговые лампы для непрерывной накачки лазеров

Для оптической накачки твердотельных и жидкостных лазеров, работающих в непрерывном режиме или при высокой частоте импульсов (102 Гц), используются дуговые газоразрядные лампы двух типов: капиллярные и шаровые, - в зависимости от того, какой эффект используется для стабилизации положения дуги.

А. В капиллярных дуговых лампах стабилизация положения дуги в пространстве обеспечивается стенками кварцевого капилляра с внутренним диаметром в несколько миллиметров. Естественно, что из-за большой тепловой нагрузки (~103 Вт/см длины лампы) капилляр должен интенсивно охлаждаться (обычно проточной водой).

Для накачки в видимой области спектра, например рубина, весьма эффективны ртутные капиллярные лампы, давление внутри которых в рабочем режиме может достигать 10 МПа. Из-за высокого давления резонансные линии излучения Hg существенно уширяются () и обеспечивают высокоинтенсивную накачку в диапазоне

0,35.. ..0,65 мкм.

Типичная лампа такого типа имеет диаметр капилляра ~ 1 мм и работает при токе

~1 А и падении напряжения ~0,5 кВ/см длины дуги в течение 10...100 ч.

Для накачки ИК-лазеров более эффективны капиллярные лампы с инертными газами Xe и Kr. Как уже упоминалось, ксенон имеет несколько меньшие тепловые потери и, следовательно, больший КПД излучения, но спектр криптоновой лампы высокого давления лучше согласуется со спектром поглощения ионов неодима. Поэтому познакомимся только с отечественными криптоновыми капиллярными лампами (для непрерывной накачки иттрий-алюминиевого граната с ), основные параметры которых приведены в табл. 11; срок службы таких ламп 200...750 ч при жидкостном охлаждении (вода с °С при расходе ~ 10 л/мин).

Таблица 11

Марка лампы

Размеры

разряда

dxl, мм

Ток, А

Напряжение,

Мощность,

кВт

Габариты

DxL, мм

ДНП-6/60

ДНП-6/75

ДНП-6/90

6x60

6x75

6x90

105

125

8x210

8x225

8x240

ДНП-4/45

ДНП-4/60

ДНП-4/75

4x45

4x60

4x75

118

1,5

6x150

6x165

6x180

Среди новейших источников оптической накачки следует упомянуть капиллярные лампы с парами щелочных металлов (калия, натрия, рубидия и цезия). Если для обычного освещения наиболее приемлемы натриевые лампы высокого давления, дающие приятный розовато-оранжевый свет с рекордной светоотдачей ( ~100 лм/Вт), то для накачки иттрий-алюминиевого граната наиболее подходит калиевая лампа. Ее спектр излучения удивительно совпадает со спектром поглощения иона неодима в ИАГ (см. [2, рис. 25,б]), что позволяет надеяться на высокий КПД такого лазера, - если будет решен ряд сложных технологических вопросов, связанных с ликвидацией внешнего баллона, устанавливаемого сейчас на всех лампах такого типа и препятствующего жидкостному охлаждению капилляра и уменьшению габаритов осветительной системы.

Спектры излучения капиллярных ламп с парами щелочных металлов могут заметно изменяться при изменении рабочего давления в лампе (см. [2, рис. 25.5]) и наполнения, что позволяет использовать их для эффективной накачки разных малогабаритных твердотельных стержней за счет подбора спектров излучения лампы и спектра поглощения рабочего иона (и сенсибилизатора).

Б. Шаровые дуговые лампы с ртутным и ксеноновым наполнением являются серийными высокоинтенсивными источниками света, используемыми для уличного освещения (серия ДРШ) и в кинопроекторах (серия ДКсШ). В них стабилизация положения дуги в пространстве осуществляется за счет малого расстояния между электродами

(I...5 мм); в результате при умеренном сроке службы (порядка десятков часов) такие лампы обладают максимальной (для непрерывных источников света) яркостью, превышающей яркость Солнца. Дуга таких ламп находится в центре полой кварцевой сферы я является эффективным средством накачки непрерывных лазеров через торец стержня с раструбом-концентратором (рис. 17).

Рисунок 17. Рубиновый непрерывный лазер с накачкой светом ртутной лампы сверхвысокого давления [6].

5.4. Использование излучения Солнца для оптической накачки

Системы солнечной накачки не требуют источников электропитания и в ряде случаев могут использоваться для возбуждения непрерывных лазеров во всей видалой области спектра, так как цветовая температура солнечного излучения ~6000 К. Типичный спектр светимости Солнца приведен на рис. 18; следует иметь в виду, что атмосфера Земли вдвое снижает светимость Солнца в видимой области и, кроме того, срезает УФ-часть и излучение вблизи 0,92 мкм; в космосе же излучение Солнца во всей видимой а ИК-областях спектра полностью соответствует излучению абсолютно черного тела с Т = 6000 К. Эффективная плотность мощности в солнечном излучении составляет 102 Вт/м2, что вполне достаточно для работы малогабаритного твердотельного лазера по четырехуровневой схеме, например на иттрий-алюминиевом гранате с , на александрите и т.п.

Рисунок 18. Спектр светимости Солнца на поверхности Земли.

Для концентрации солнечного света на активном стержне целесообразно

использовать параболоидальное зеркало, являющееся безаберрационным отражателем для бесконечно удаленного излучателя и концентратор-раструб (см. [3, рис. 1.1в] ) с размером входной площадки , где - фокусное расстояние зеркала; 0,01 - угловой размер Солнца, рад (при работе на Земле).

5.5. Лазерная накачка

Наиболее интенсивная накачка достигается при использовании квазимонохроматического излучения, параметры которого согласованы с центром и шириной полосы (или полос) поглощения рабочего вещества лазера. Ранее уже упоминалось об эффективности такого способа накачки - на примере использования капиллярных ламп с криптоном и парами калия для накачки иттрий-алюминиевого граната с неодимом. Однако яркость этих источников света несопоставима с яркостью лазерного излучения, которое позволяет существенно увеличить интенсивность оптической накачки.

С другой стороны, низкий КПД подавляющего большинства лазеров не позволяет надеяться на широкое применение лазерной накачки из-за плохих энергетических показателей, такой системы в целом.

Остановимся на двух практически реализованных в коммерческих лазерах системах лазерной накачки. Первая из них обладает удовлетворительным КПД за счет использования в системе оптической накачки линеек полупроводниковых лазеров из арсенида галия GaAs с двойной гетероструктурой. Такие структуры генерируют при комнатной температуре излучение с мкм при КПД в несколько процентов (не путать с КПД в несколько десятков процентов при азотных температурах и с близким к 1 "динамическим" КПД ). Типичная мощность составляет 10-1 Вт на диод в непрерывном режиме и 10 Вт - в импульсном (естественно, что средняя мощность в импульсном режиме также порядка

10-1 Вт). Расходимость излучения лазера с двойной гетероструктурой составляет обычно ~ 10 градусов в плоскости, перпендикулярной гетероструктуре, так как толщина излучающего слоя меньше 1 мкм.

Второй практический пример лазерной накачки - использование излучения коммерческих лазеров для накачки лазеров на красителях. В непрерывных лазерах обычно используется излучение ионного аргонового лазера. Основное преимущество такой накачки - необычно высокая плотность мощности голубого излучения, достаточная для непрерывной генерации целого ряда растворов красителей с КПД 5…30% [2]. Требуемая плотность мощности достигается при фокусировке излучения накачки непрерывного лазера в пятно диаметром ~ 10 мкм.

Для импульсной накачки лазеров на красителе используют излучение неодимовых (вторая гармоника с нм и четвертая с нм) и рубиновых (и нм) лазеров при КПД накачки 1...75%, а также УФ-излучение азотных импульсных лазеров (нм), обеспечивающее КПД 10...40%.

Заканчивая рассмотрение источников оптической накачки серийных лазеров, следует подчеркнуть, что подавляющее большинство таких лазеров возбуждается светом ксеноновых ламп-вспышек и дуговых криптоновых капиллярных ламп.

§ 6. ОТРАЖАТЕЛИ СИСТЕМ ОПТИЧЕСКОЙ НАКАЧКИ

Для повышения эффективности оптической накачки лампы, активное тело (обычно - твердотельный стержень из рубина, неодимового стекла или ИАГ) размещают в специальном осветителе, потери света в котором составляют 1/3...2/3, что существенно влияет на общий КПД лазера.

6.1. Осветители с параллельным расположением лампы и активного стержня

Эти осветители наиболее распространены на практике, что связано с их компактностью и высоким световым КПД, а также простотой изготовления.

А. Наиболее эффективным является осветитель в виде эллиптического цилиндра

(рис. 19), в фокальных линиях которого располагается лампа и активный стержень. Длина разрядного промежутка лампы должна быть не менее длины активной части стержня.

Эффективность передачи световой энергии от лампы в активный стержень растет по мере уменьшения эксцентриситета эллипса и при использовании толстых (по сравнению с диаметром разряда в лампе) стержней. Это показано на рис. 20; кривые получены в результате интегрирования α и β (рис. 19) всех пучков лучей, выходящих из лампы радиусом и попадающих в активный стержень радиусом .

Эллиптический осветитель обеспечивает сравнительно высокие эффективность

(до 75%) и равномерность накачки [3] . Важным эксплуатационным преимуществом такой системы является простота изготовления (эллиптические полуцилиндры изготовляются на

Рисунок 19. Ход лучей в эллиптическом осветителе [6]

универсально-фрезерном станке пальцевой фрезой или штамповкой из алюминия) и возможность значительного (на расстояние (рис. 19) разнесения лампы и активного стержня; последнее существенно упрощает возможность фильтрации вредных составляющих спектра лампы и конструкцию системы охлаждения.

Б. Цилиндрический осветитель является частным случаем осветителя с эллиптическим отражателем при е=0 и в соответствии с рис. 20 должен обладать 100% КПД. Однако на практике из-за конечных размеров лампы и активного стержня их не удается разместить на оси цилиндрического осветителя, что снижает его эффективность (рис. 21) и существенно усложняет раздельное охлаждение лампы и активного стержня.

Рисунок 20. Зависимость эффективности η эллиптического осветителя от его геометрии в приближении малых размеров стержня и лампы по сравнению с осью образующего эллипса, т.е. при [6]

Рисунок 21. Зависимость эффективности цилиндрического осветителя с радиусом , в 15 раз превышающим радиусы разряда лампы и активного стержня , от удаления осей лампы и стержня [6].

Для решения последней проблемы компактные цилиндрические отражатели обычно делают в виде кварцевого или стеклянного моноблока с двумя расположенными вблизи его геометрической оси полированными отверстиями - для лампы и активного стержня. По этим отверстиям в случае необходимости пропускается охлаждающая жидкость. Внешняя полированная поверхность цилиндрического отражателя-моноблока покрывается алюминиевым, серебрящим или диэлектрическим зеркалом. Последнее способно обеспечить требуемый спектральный состав света накачки за счет подбора толщины слоев [4; 2, гл. 24] , что уменьшает нагрев лазерного стержня и замедляет его фотохимическое старение.

В. Наиболее компактными осветителями являются системы, показанные на рис. 22 и получившие название "тесной камеры" или "плотной упаковки" (,

- см. рис. 19). Конструктивно такой осветитель часто образуется путем обертывания алюминиевой или серебряной фольгой сложенных вместе лампы накачки и активного стержня. При высоком коэффициенте отражения или рассеяния в первом приближении независимо от формы полученного цилиндра такой отражатель обладает высокой эффективностью, - где - средний радиус кривизны отражателя. Такая высокая эффективность при простоте конструкции и компактности обеспечивается за счет многократного взаимодействия света накачки с веществом активного стержня, что существенно при малом коэффициенте поглощения света накачки (тонкие или слаболегированные активные среды).

Однако тепловой режим лазера с таким осветителем является наиболее тяжелым; затруднительна также фильтрация света накачки.

Г. Для значительного повышения равномерности накачки, что важно для лазеров с малой расходимостью, и для некоторого повышения степени возбуждения активного стержня в мощных лазерах иногда используют многоламповые осветители из 2...4 (встречается до 8) эллиптических полуцилиндров. Один из таких осветителей показан на рис. 23.

К сожалению, обеспечиваемая такими сложными осветителями плотность энергии накачки может превышать возбуждение, даваемое одной лампой, лишь при размере активного стержня , что хорошо видно из рис. 24. При использовании толстых активных стержней () существует оптимальное значение эксцентриситета эллипса, при котором накачка наиболее эффективна -такие значения указаны на рис.24 стрелочками.

Рисунок 22. система оптической накачки с плотным заполнением отражателя [6].

Рисунок 23. Четырехламповый осветитель с отражателями в виде эллиптических полуцилиндров [6].

Таким образом, основным преимуществом многолампового осветителя является симметрирование накачки , возбуждения и, в конечном итоге, поперечной структуры генерируемого пучка. Заметный же выигрыш в повышении плотности энергии накачки получается лишь ценой снижения КПД системы и только при использовании толстых (по сравнению с внутренним диаметром лампы накачки) стержней, что характерно для высокоэнергетических лазеров на неодимовом стекле (ГОС-300, ГОС-1000 [ 3] ).

Рисунок 24. Зависимость относительной интенсивности света в образце от эксцентриситета e и числа m эллиптических полуцилиндров [6]:

a) ; б)

6.2. Осветители с расположением лампы накачки вдоль оси активного стержня

Данные приборы обеспечивают строго симметричную накачку в поперечном сечении, т.е. в этом случае . Однако в этом случае габариты лазера вдоль оптической оси существенно увеличиваются; кроме того, по крайней мере один электрод лампы накачки должен быть расположен под прямым углом к оси разряда.

В осветителях такого типа из-за максимального разнесения лампы-вспышки и активного стержня можно наиболее рационально построить систему охлаждения: подавать хладагент сначала к активной среде, а затем к лампе [3, рис. 1.3].

А. Эллипсоидальный осветитель (рис. 25а) состоит обычно из двух штампованных, (из алюминия) и полированных половинок, в которых между фокусом и вершиной расположены активный стержень и разрядный промежуток лампы-вспышки. Эффективность осветителя с эллипсоидальным отражателем растет при увеличении малой оси эллипсоида (b или уменьшении диаметра разряда) и эксцентриситета, что приводит к более простому в изготовлении сферическому отражателю.

Рисунок 25. Осветители с соосным расположением лампы и активного стержня [3]:

а – эллипсоид вращения; б – сфера; в – два зеркальных конуса и цилиндр; г – зеркальный конус и полусфера.

Б. Сферический осветитель обладает достаточно высокой эффективностью (>0,5), возрастающей по мере роста радиуса сферы или уменьшения диаметра разряда лампы-вспышки. Существенно, что один и тот же сферический осветитель в зависимости от энергии накачки обеспечивает несколько разную эффективность при работе вблизи порога генерации (плазма лампы-вспышки почти прозрачна, в ней нет потерь на перепоглощение) и при максимальной мощности: порог генерации несколько ниже при параллельном расположении лампы и стержня в непосредственной близости друг от друга, а максимальная энергия излучения лазера несколько больше при соосном расположении лампы и стержня [3, рис. 1.2а].

В. Другие виды осветителей данного типа (рис. 25в, г) на практике почти не применяются из-за сложности изготовления и меньшей эффективности по сравнению со сферическим.

6.3. Осветители с коаксиальным расположением лампы и активного стержня

Эти осветители обеспечивают осесимметричную накачку при минимальных габаритах лазера вдоль оптической оси.

А. Осветитель с полостной (коаксиальной) лампой (рис. 26) обеспечивает возможность создания компактного высокоэффективного и сравнительно дешевого лазера с небольшим ресурсом работы (ввиду малого ресурса полостной лампы-вспышки, связанного с ее взрывоопасностью из-за наличия концентраторов напряжения в местах варки электро-дных узлов). В лазерах с таким осветителем, как правило, нет зеркального покрытия, а внешний баллон лампы обмазывается какой-либо светорассеивающей краской (например, магнезией), что повышает равномерность накачки вдоль оптической оси.

Рисунок 26. Осветители с коаксиальным расположением лампы накачки и активного стержня: а – с полостной лампой; б – со спиральной лампой.

Б. Осветитель со спиральной лампой (рис. 26б) был использован в первом лазере

(1960 г.) на рубине. В настоящее время спиральные лампы-вспышки практически не применяются в системах оптической накачки из-за худшей световой эффективности и меньшего ресурса работы по сравнению с трубчатыми (и даже полостными) лампами - из-за перепоглощения части излучаемого света одним витком спирали в направлении соседних витков.

6.4. Осветители крупногабаритных лазеров на неодимовом стекле

Эти осветители предназначены для возбуждения активных тел в виде плит и дисков (см. § 4.2) с целью получения максимальной энергии импульса и всегда содержат более одной лампы-вспышки, а в качестве отражателя - цилиндрические зеркальные элементы.

А. Осветители для активных элементов в виде плит состоят из трубчатых ламп-вспышек и отражающих полуцилиндров.

Если длина плиты не превышает длины стандартной лампы-вспышки (см. табл. 8), а требуемая энергия накачки может быть обеспечена двумя лампами, то используется вариант осветителя, показанный на рис. 27а.

Рисунок 27. осветители для плит из неодимового стекла [3]:

а – лампы параллельны оси лазера; б – лампы перпендикулярны оси лазера.

Здесь лампы-вспышки расположены вдоль оптической оси лазера внутри зеркальных полуцилиндров с радиусом кривизны , т.е. равным половине ширины плиты.

Естественно, что в данном варианте равномерность накачки по поперечному сечению невелика; однако при идентичности излучательных характеристик ламп имеется симметрия накачки по координатным осям x и y сечения плиты.

При изготовлении отражателя в виде стеклянных полуцилиндров с внутренней полостью для лампы-вспышки лазер данного типа может работать в периодическом режиме, если в нем используется активный элемент из фосфатного стекла (см. табл. 7).

В данном случае лампы-вспышки охлаждаются жидкостью, протекающей между, поверхностью лампы и внутренним каналом стеклянного полуцилиндра-отражателя; материал отражателя (стекло) фильтрует УФ-часть и другие нежелательные участки спектра лампы-накачки, а сама плита охлаждается за счет обдува воздухом.

Для повышения интенсивности накачки крупногабаритных плит используют многоламповые осветители с металлическими штампованными полуцилиндрами, оси которых перпендикулярны оси лазера (рис. 276). В этом случае длина дуги лампы-вспышки должна соответствовать ширине плиты, а количество ламп - требуемой энергии накачки.

В данном типе осветителя иногда применяют U-образные лампы-вспышки, охватывающие плиту не только вдоль длинной стороны поперечного сечения, но и по одной короткой. Для большего симметрирования света накачки U-образные лампы вставляют поочередно с разных сторон плиты. Преимуществом длинных U-образных ламп является большее напряжение самопробоя и, следовательно, большая энергия которую можно запасти в накопительном конденсаторе емкостью Сн при напряжении .

Лазера и усилители с осветителями данного типа обычно охлаждаются за счет продувки воздухом и работают в режиме одиночных вспышек с максимальной энергией импульса.

Б. Осветители для оптической накачки дисков используются в выходных каскадах усилителей с максимальной энергией импульса.

При парном расположении нескольких дисков под углом Брюстера осветитель состоит из зеркального цилиндра (рис. 28б), по периферии которого расположено требуемое количество стандартных трубчатых ламп-вспышек. Длина этих ламп должна соответствовать или превышать габаритную длину усилителя вдоль оптической оси. Такой осветитель обеспечивает высокоинтенсивную накачку, однако ее осесимметричность далека от предельной.

Для обеспечения осесимметричной накачки одинарных дисков из неодимового стекла следует использовать осветитель с двумя кольцевыми трубчатыми лампами, диаметр которых несколько превышает диаметр диска. Такие лампы (рис. 28а) устанавливаются в фокальную линию эллиптического тора, переходящего по мере приближения к краям диска в полый зеркальный усеченный конус. Осветитель такого типа обладает высокой эффективностью, но ограниченной интенсивностью накачки.

Рисунок 28. Осветители для дисков [3]: а – с повышенной осесимметричностью накачки; б – с повышенной интенсивностью накачки.

ЛИТЕРАТУРА

1. Пахомов И.И., Рожков О.В., Рождествин В.Н. Оптико-электронные квантовые приборы. – М.: Радио и связь, 1982, - Ч. 2, 456 с.

2. Справочник по лазерам. /Под ред. А.М.Прохорова. В 2-х томах. - М.: Сов.радио, 1978. - Т. 1, 504 с; Т. 2, 400 с.

3. Белостоцкий Б.Р., Любавский Ю.В., Овчинников В.М. Основы лазерной техники. - М.: Сов.радио, 1972. - 407 с.

4. Крылова Т.Н. Интерференционные покрытия. - Л.: Машиностроение, 1973. - 244 с.

5. Рябцев Н.Г. Материалы квантовой электроники. - М.: Сов.радио, 1972. - 282 с.

6. Микаэлян А.Л., Тер-Микаэлян М.Л., Турков Ю.Г. Оптические генераторы на твердом теле. - М.: Сов. радио, 1967. - 383 с.

7. Справочник технолога-оптика /Под ред. Кузнецова СМ., Окатова М.А. - Л.: Машиностроение, 1983. - 414 с.

ОГЛАВЛЕНИЕ

§ I. Механические конструкции лазеров----------------------------------------------------------3

1.1. Несущие конструкции лазеров-----------------------------------------------------------3

1.2. Узлы юстировки отражателей оптического резонатора----------------------------5

§ 2. Оптические элементы лазерных резонаторов----------------------------------------------7

2.1. Зеркала лазерных отражателей----------------------------------------------------------7

2.2. Резонансный отражатель----------------------------------------------------------------12

2.3. Призменные отражатели----------------------------------------------------------------13

2.4. Просветляющие покрытия для лазерных элементов------------------------------14

§ 3. Газоразрядные лазерные кюветы------------------------------------------------------------15

3.1. Газоразрядные капилляры--------------------------------------------------------------16

3.2. Электроды газоразрядных лазеров----------------------------------------------------17

3.3. Оптические элементы газоразрядных кювет----------------------------------------18

§ 4. Активные элементы твердотельных лазеров----------------------------------------------22

4.1. Рубиновые стержни-----------------------------------------------------------------------2 2

4.2. Активные элементы из неодимового стекла-----------------------------------------27

4.3. Стержни из иттрий-алюминиевого граната------------------------------------------28

§ 5. Источники оптической накачки---------------------------------------------------------------29

5.1. Лампы накаливания с галогенным циклом--------------------------------------------30

5.2. Лампы-вспышки для накачки лазеров--------------------------------------------------31

5.3. Дуговые лампы для непрерывной накачки лазеров---------------------------------34

5.4. Использование излучения Солнца для оптической накачки----------------------36

5.5.Лазерная накачка----------------------------------------------------------------------------36

§ 6. Отражатели систем оптической накачки----------------------------------------------------37

6.1. Осветители с параллельным расположением лампы и активного стержня----37

6.2. Осветители с расположением лампы накачки вдоль оси активного стержня--41

6.3. Осветители с коаксиальным расположением лампы и активного стержня----42

6.4.Осветители крупногабаритных лазеров на неодимовом стекле------------------42

Литература --------------------------------------------------------------------------------------------45

PAGE 46

1. Заработная плата
2. тематику произведения выбранные писателем социальноисторические характеры в их взаимодействии; пр
3. Формирование у дошкольником представлений о трехмерности предметов
4. Содержание и технологии деятельности социального работника в пенитенциарном учреждении
5. Вступ Приступаючи до вивчення нової мови корисно поцікавитися які вихідні дані можуть опрацьовуватися
6. П~ННІ~ О~У-~ДІСТЕМЕЛІК КЕШЕНІ
7. від гріха подалі
8. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И МЕТОДИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ МОТИВАЦИИ ПЕРСОНАЛА НА ПРЕДПРЯТИИ.html
9. е зависит от стандарта на котором работает данный оператор сотовой связи
10. Как побороть депрессию
11. ПРЕМЬЕР ЯНВАРЬ 2014 Среди зрителей киноцентра разыгрываются приглашения в театры музеи Галерею на в
12. Международные стандарты оценки недвижимости
13. ШАРТ ~лФараби атында~ы ~аза~ ~лтты~ Универститеті студентіні~ ~ндірістік ж~не о~у танымды~ т~жірибеде
14. РЕФЕРАТІВ Завдання 1
15. Бюджетное устройство и бюджетная система РФ
16. РОБОЧИЙ ЗОШИТ ФІЗИЧНА І КОЛОЇДНА ХІМІЯ
17. Лекция 8 Предупреждение преступности План лекции 1
18. Эффект Махариши
19. который будет сочетать в себе динамизм и настойчивость соединение расчетливости и страсти
20. тематичних наук Харків 2004 Дисертацією є рукопис

Материалы собраны группой SamZan и находятся в свободном доступе