Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
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., мето дической 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
© Московское высшее техническое училище имени Н.Э.Баумана
Современное состояние лазерной техники позволяет решать целый ряд важных научных и народнохозяйственных задач. Именно по этой причине в решениях XXVI съезда КПСС квантовая электро ника 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 тех ники, широкое использование научно-технических достижений невоз можно без планомерной работы по созданию конкретных образцов ма шин и приборов на основе накопленного опыта конструкторской ра боты.
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 диплом ных проектов на стадии эскизной проработки как всего лазерного 0ЭП, так и его основных узлов.
В учебном пособии рассматриваются особенности конструктив ной (и частично технологической) реализации как всего лазера в целом, так и его отдельных элементов и узлов, причем предполага ется, что конкретные их параметры уже определены на соответст вующих 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 ла зерных конструкций механические узлы можно разделить по своему функциональному назначению на две группы: элементы несущей кон струкции 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 спайно сти (иногда оптически обработанные) торцы кристалла.
1.1. Несущие конструкции лазеров
В зависимости от типа применяемой активной среды и требова ний, предъявляемых при эксплуатации лазера, их несущие конструк ции 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 твердо тельных 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 истори чески первой, применяемой в лазерной технике при лабораторных экспериментах. В дальнейшем она часто использовалась и еще про должает 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 основа нии. Последнее может иметь как замкнутый (прямоугольный, тре угольный или квадратный профиль, реже - трубчатый), так и не замкнутый (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 недо статкам следует отнести плохие массогабаритные характеристики, а также склонность к термическим и механическим разъюстировкам.
Б. Стержневая несущая конструкция (рис. 1б) является в на стоящее 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 из готовляют 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 не сущий трубчатый корпус (из инвара) с вентиляционными отверстия ми, 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 пра вило, смеси He-Nе), электродов, а также оптически обработанные плоские торцы для посадки отражателей резонатора (рис. 1в). К торцам корпуса на глубоком оптическом контакте крепятся нане сенные на кварцевую подложку отражатели резонатора (зеркала или призмы ПВО), а в соответствующие сверления вклеиваются электро ды. После вакуумирования, тренировки и наполнения рабочей сме сью моноблочный лазер готов к длительной работе в любых клима тических условиях, при сильных вибрациях и больших ударных на грузках, 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 сниже ния веса иногда центральную часть моноблока выфрезеровывают. В отличие от моноблочного лазера с линейным резонатором на кор пусе лазерного гироскопа имеется три (или четыре) полированные посадочные поверхности, что исключает необходимость юстировки плоских зеркал или призы ПВО; зеркала с вогнутой отражающей по верхностью 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 ла зера и неизменность положения юстировочных элементов при экс плуатации.
В зависимости от геометрии используемого резонатора (дли ны 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 требо вания к точности юстировки предъявляют плоcкопараллельные и неустойчивые (телескопические) резонаторы; наиболее мягкие до пуски на юстировку обеспечивают конфокальные и почти концентри ческие резонаторы (или полурезонаторы).
Большинство известных конструкций юстировочыхх узлов лазе ров 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 газоразряд ных 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 - малога баритный с повышенной чувствительностью
Конструкция такого узла юстировки (рис. 2а) содержит (в явном, а чаще в неявном виде) две рамки - внутреннюю и внеш нюю, каждая из которых может независимо перемещаться под дейст вием высокоточного винта с шагом S . Поскольку точка приложения силы котировочного винта находится на расстоянии l от оси пово рота 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 дифферен циальных бинтов, у которых суммарный шаг определя ется 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 ча ще всего подшипники скольжения, а в некоторых случаях - пружин ный (торсионный) подвес.
Б. Узел юстировки с крепежно-юстировочными винтами можно рассматривать как упрощенную (и значительно более дешевую) конструкцию узла юстировки с пружинным кардановым подвесом при менительно 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 ли стовой пружинной стали. Для юстировки зеркала вокруг горизон тальной оси ввинчивают верхний винт 4 в стержень 6, деформи руя пружинную шайбу 3 под двумя вершинами (выступами) 5; пово рот происходит вокруг линии, соединяющей два нижних крепежно-юстировочных винта 4, т.е. плечо лишь немного меньше диаметра всего лазера. Основным недостатком такого узла юстировки явля ется 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 повы сить точность юстировки и увеличить диапазон углов прокачки; юстировка по-прежнему выполняется в системе 120-градусных коор динат.
В такой конструкции (рис. 2в) зеркало 2 закрепляется во внутреннем кольце I сферического подшипника, внешнее кольцо 6 которого является корпусом юстировочного узла. От осевого сме щения 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 пружи на 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 авто матической электромеханической подъюстировкой, что связано с го раздо 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 коэффи циент отражения (или пропускания) при умеренной стоимости отра жателя.
А. Металлические зеркальные покрытия нашли практическое применение только в лазерах ИК-диапазона и представляют собой золотое покрытие (2И) [7] , наносимое методом испарения, на по лированную 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 вы ходную 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 при меняет водяное или воздушное охлаждение медной подложки (имеющей соответствующую конструкцию с радиальными или расположенными по спирали каналами внутри).
Б. Диэлектрические лазерные зеркала наиболее часто применя ются 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 испаре нием в вакууме (специально очищенные) покрытия 29И из сернистого цинка ZnS ( n = 2,3; 0,4<<25 мкм)и 24И из фтористого маг ния MgF (n=1,38; 0,2<<10 мкм).
Характеристики других веществ, используемых при изготовле нии диэлектрических интерференционных зеркал, приведены в табл. I [7].
Типичная спектральная характеристика многослойного диэлек трического зеркала приведена на рис. 3. Существенно, что оги бающая (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 |
Показа тели прелом ления |
Спектраль ный диапа зон, мкм |
Способ на несения |
Особенности |
|
Трехсернистая сурьма (27) |
2,55 |
1-16 |
Испарение в вакууме (условное обозначе ние И) |
Только для ИК области |
|
Двуокись цезия (94) |
2,2 |
0,5-12 |
Для работы при 100%, влажности; повышенное све торассеяние |
|
|
Окись свинца |
||||
|
Криолит (23) |
1,35 |
0,2-14 |
Наинизшкй пока затель првлом-ления |
|
|
Фтористый стронций (18) |
1,25 |
0,5-12 |
Полосы поглоще ния на 3 и 6,3 мкм |
|
|
Двуокись титана (83) |
2,35 |
0,4 |
Из раство ра ортоти-тановой и орто-кремниевой кислот (Р) |
Плохая воспро- изводимость толщины слоя; высокая механи- |
|
Двуокись кремния (41) |
1,47 |
0,2-8 |
высокая механическая проч ность и влаго стойкость |
Рис. 5 позволяет наглядно представить как форму, так и аб солютные значения основной характеристики четвертьволнового диэлектрического зеркала вблизи рабочей длины 0 . При боль шом числе слоев (или металлической подложке) добавление каждого нового слоя с высоким показателем преломления уменьшает ко эффициент 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 зако номерность сохраняется для любого количества слоев.
Рисунок 3. Расчетная спект ральная характеристика многослойного зеркала из четвертьволновых слоев диэлектрика (19 слоевТiO2 и SiO2 , нанесенных на подложку из плав ленного кварца (n=1.47)
Кроме того, это весьма удойно как в технологичес ком, так и эксплуатационном аспек тах, так как слои с большим n практически негигроскопичны и об ладают 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) количест ва четвертьволновых слоев.
Рисунок 4. Влияние показателей преломления используемых ве ществ на относительную ширину центрального максимума диэлек трического 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 диэлек трического (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 возраста ния 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 отраже ния 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 сле дует 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, образовав шегося 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 опти ческого резонатора с изготовленными таким образом зеркалами.
Для улучшения механических свойств покрытий (агдезия к под ложке) к их лучевой стойкости подложки перед напылением тщатель но очищаются, включая ионную бомбардировку и прогрев в вакууме. Последнее дополнительно несколько увеличивает коэффициент отра жения наносимых затем слоев - см. табл. 4 [3] ( = 694 нм, свободная генерация), где числитель соответствует обычной техно логии 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 разруше ния, 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 |
220 133 350 500 500 40 |
- 16,5 - - 14 8,7 9,5 11,5 11,7 |
Заметим, что сравнение второй строки табл. 4 с соответствующей строкой табл. 2 наглядно иллюстрирует преимущества ис пользования веществ о большим показателем преломления (см. табл. I) для получения высокого коэффициента отражения при меньшем числе слоев и, следовательно, при меньшем светорассея нии и большей лучевой стойкости.
Однако лучевая стойкость диэлектрических зеркал существен но 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 функцио нальному назначений и принципу действия аналогичен полупрозрач ным (выходным) диэлектрическим зеркалам и является их "толсто слойным" аналогом, обладающим, однако, значительно большей лу чевой 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 рас сматриваемой системы обеспечивается на некоторых дискретных частотах, для которых на толщине каждой из m пластин с показа-телем преломления n укладывается нечетное число [4]. Зави симость от показателя преломления резонансного отражате ля 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 отража тель 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 ре зонансного отражателя от его параметров [З] и б) пример частот ной 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 рас порных 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 "переме шивание" поля в резонаторе с призменным отражателем, где ход лу ча 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 стано вится не параллельным падающему: для обычной призмы ПВО на , а для призмы ПВО с брюстеровской гипотенузной гранью – на .
Требования к пирамидадьности отражательных призм обычно не велики, 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 требует ся 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 не которых случаях можно использовать просветляющие покрытия.
А. Однослойные просветляющие покрытия с показателем прелом ления n, и толщиной могут снизить коэффициент отражения подложки с показателем преломления до значения (на длине)
, где - показатель преломления внешней среды. Если деталь ра ботает в воздушной среде () то, очевидно,
Отражение полностью устраняется однослойным просветляющим покры тием с . На практике такое покрытие может быть реализовано лишь на материале с большем показателем преломления , так как наименьшим показателем преломления обладает по крытие 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 сло ев 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 высокочастот ная накачка ( МГц) или разряд постоянного тока [1].
Высокочастотная накачка существенно уменьшает собственные шумы газового разряда и, следовательно, выходного лазерного излуче ния; 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, связан ные с наличием стратов - неоднородных сгустков в рабочей части столба газового разряда.
Рисунок 7. Типичная газоразрядная кювета: I - газоразрядный капил ляр; 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 ра бочее вещество превращается в активную среду либо непосредст венно, 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 высоко вольтный 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 - показа тель 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 газо разрядных капилляров серийных лазеров используют следующие мате риалы: 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 низкотемпе ратурной плазмой и малоактивными (в химическом плане) компонен тами. Преимущества молибденового стекла - низкая стоимость, про стота и отработанность технологии изготовления изделия и токовво дов в него (из электровакуумной молибденовой проволоки), возмож ность использования сравнительно дешевых брюстеровских окон из оптического стекла и т.д.
Температура размягчения плавленного кварца (~) позволяет использовать его для изготовления газоразрядных тру бок, 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 (по следние существенны при интенсивном водяном охлаждении, напри мер, в ионном аргоновом лазере). Недостатками плавленного квар ца 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 аргоно вых лазеров, составляющий в зависимости от плотности тока
10-100 часов; это заметно увеличивает эксплуатационные расходы при использовании таких лазеров.
Наивысшей термостойкостью (~) обладают керамичес кие 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 умень шения столкновений ионов Аr+со стенками, что повышает инверс ную населенность и, следовательно, коэффициент усиления, а также несколько уменьшает нагрев капилляра) срок службы в зави симости от рабочего режима достигает уже ч.
В некоторых лабораторных конструкциях используются секцио нированные металлические капилляры (обычно - из дюралюминия). При охлаждении такого "наборного" капилляра водой за счет очень высокой теплопроводности внутренняя стенка капилляра удовлетво рительно работает даже в условиях сильноточной аргонной плазмы. Длина каждой секции металлического капилляра определяется про бойным напряжением изоляционного слоя (в случае алюминия - диэлектрической прочностью оксидной пленки Аl2O3 ). Узким ме стом 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 ис пользуют 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 вольфрамо вую биспираль со специальным покрытием, содержащим окислы редко земельных элементов для уменьшения работы выхода электронов. Преимуществом катодов прямого накала является малая потребляе мая мощность и, следовательно, экономичность, быстрый выход на
рабочий режим ( ~ 10 с), малые габариты и масса. Основной недо статок катодов прямого накала связан с их малой тепловой инер цией, в результате чего пульсации питающего тока (накала) замет но изменяют эмиссионную способность и, следовательно, ток разря да, 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 исполь зовать их в лазерах с большими токами разряда (> 1 А).
Катод косвенного накала состоит из металлической тонкостен ной трубки (керна), в одном из торцев которой запрессована ок сидная таблетка; с другой стороны керна вставлен мощный вольфра мовый 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 вы ходной мощности лазера с этими частотами не наблюдается.
Полый катод является разновидностью холодных катодов, ис пользующих эффект автоэлектронной эмиссии; в силу этого плот ность 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 непосредст венного энергопотребления для подогрева катода и мгновенный вы ход на режим после включения разряда позволяют создавать мало габаритные мобильные лазерные приборы (например, He-Ne - лазер ные "гироскопы") с пониженным энергопотреблением и нагревом газа в прикатодной области.
Аноды являются наиболее простыми по конструкции электрод ными узлами газоразрядных лазеров. Они представляют собой метал лический 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 (химичес ком) вредных газов после отпайки готового изделия от вакуумного поста, а также перед первым включением после длительного хране ния. Геттеры газоразрядных лазеров с инертным газом обычно изго тавливаются изго тавливаются 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 темпера туре выше титан начинает связывать водород и тяжелые инертные газы, поэтому перегрев титанового геттера может приве сти к нарушению соотношения компонентов газовой смеси (например, в Не-Nе лазере).
Для подогрева геттера используют вольфрамовые подогревате ли, расположенные внутри титанового цилиндра, или высокочастот ный нагрев внешним индуктором; последнее осуществимо только в заводских условиях или в соответствующим образом оборудованных лабораториях. В некоторых газоразрядных кюветах геттерные ци линдрики (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 га зовом разряде.
3.3. Оптические элементы газоразрядных кювет
Для герметизации газоразрядных кювет на оптической оси ла зера 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 про хождении когерентного излучения от активной среды до отражате лей резонатора и обратно.
Брюстеровские окна используются в большинстве газоразряд ных кювет, что связано со сравнительно мягкими (~1°) допуска ми на установку этих оптических элементов в резонаторе, их ма лой стоимостью и высокой эксплуатационной надежностью. Брюсте ровские окна устанавливаются под строго определенным углом (не путать с углом полного внутреннего отраже ния!), что обеспечивает нулевой коэффициент отражения дня одной (линейной) поляризации излучения.
Существенно, что излучение со второй (перпендикулярной) поляри зацией 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 причи не все лазеры, имеющие хотя бы од ну брюстеровскую поверхность, ге нерируют линейно поляризованное излучение, причем плоскость поля ризации определяется ориентацией этой поверхности. Следовательно, чтобы изменить положение плоскости поляризации излучения газоразряд ного лазера, достаточно повернуть его брюстеровские окна вокруг опти ческой оси резонатора.
Для определения допуска на точность установки брюстеровского окна по отношению к оптической оси можно воспользоваться частью кривой в области , по строенной 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.
Мож но решить задачу и аналитически, пользуясь приближенной зависимо стью
,
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 са мого угла Брюстера значительно мягче (~1°).
Угол искрутки готовой газоразрядной трубки с взаимно не параллельными 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 из меряется Δs; такую плоскость удобно выбирать вблизи места, со ответствующего пересечению отрадных пучков при идеальном поло жении 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 тех нологический 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 ми нимальное 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 изготов лено по крайней мере для выходного зеркала (,).
Рисунок 9. Узлы концевого отражателя серийного гелийнеонового ла зера ЛГН-201:
1 - выходное (плоское); 2 - "глухое" (сферическое)
Напомним, что в лазерах с брюстеровскими окнами паразитная генерация на мкм эффективно подавляется при исполь зовании окон из стекла и поглощающих ячеек с метаном; в послед нем случае требуется установка дополнительного кварцевого окна.
Следует} предостеречь начинающих экспериментаторов от попы ток необдуманного применения внутренних зеркал в макетных изде лиях. Необходимо очень тщательно прорабатывать конструкцию узла зеркала: возможности его юстировки и защиты от ультрафиолетово го 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 про пускание. Как известно [1] , при соответствующей настройке ко эффициент пропускания такого интерферометра , причем
,
где b - толщина эталона Фабри-Перо; n - его показатель прелом ления; φ - угол между преломленным лучом и нормалью, q - про дольный 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, практи чески не вносит потерь на отражение; собственные частоты резона тора обычно лежат вблизи , а ширина резонансного пика пропус кания "нормального" окна существенно превосходит ширину полосы генерации из-за малого коэффициента френелевского отраже ния 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 ла зеры, не содержащие брюстеровские окна или какие-либо другие по ляризующие элементы, генерируют линейно поляризованное излучение с хаотически меняющимся (через время порядка или ) поло жением плоскости поляризации. 3 результате при использовании та кого излучения в оптических приборах, содержащих наклонные пре ломляющие поверхности, сигнал может существенно меняться (см. рис.8).
Полезно напомнить, что поляризующим элементом в лазере мо гут 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 опре деляется 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 твердотель ных активных сред для лазеров: рубиновые стержни, активные эле менты 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 распространен ной 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 пила ми на заготовки, из которых алмазной шлифовкой получают стержни.
Размеры серийных рубиновых стержней лежат в следующих пре делах: 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 резуль тате получается волнистая полированная поверхность, эффективно перераспределяющая свет накачки по объему стержня, что обеспе чивает довольно равномерную накачку даже при заметно асиммет ричном 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 кри сталла) в пламя горелки чистой пудры Аl2O3 (без примеси Сr2O3). За счет отсутствия примесей такие наконечники обеспечивают по вышение порога поверхностного разрушения, т.е. лучшие эксплуа тационные характеристики стержня.
Таблица 6
|
Марка элемента |
Эскиз элемента |
|
Р РЛ РЛ1Б РЛ2Б РЛС |
|
|
РЛО РЛОЛ2Б |
Существенно, что стержни с лейкосапфировыми наконечниками обла дают и лучшими генерационными характеристиками, так как в них (в отличив от стержней марок Р и РЛО) не происходит экранирова ния торцевых участков кристалла от света накачки при механичес ком закреплении стержня в цанги и герметизации в случае жидкост ного 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 накач ки. 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 интенсив ной и равномерной накачки центральной ("рубиновой") части стерж ня. 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 тол стой рубиновой були можно по лучить 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 пре вышает 10", а скошенных - 2'. Для формирования диаграммы направленности лазерного из лучения существенное значение тлеет оптическая однородность стержня, которая.при плоско-параллельных торцах определяется в основном изменени ем показателя преломления (рис. 11а); допустимые значения возрастают по мере увеличения диаметра и концентра ции Cr+3 0,6 ( Ø8; 0,015% Cr) до 1,6 (Ø16; 0,03%Cr). Со ответственно растет и допустимое количество непроплавов и пузы рей (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 сферичес кой 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 кристал лов является практически полное отсутствие рассеивающих частиц размером более 0,5 мкм, в результате чего потери из-за светорас сеяния не превышает 10-4 см-1, т.е. меньше, чем даже у лучших неодимовых стекол.
Высокие генерационные характеристи ки рубина определяются в значительной степени его высокой теплопроводностью, составляющей при комнатной температуре 20 Вт/м К. В результате при наличии эф фективной системы жидкостного охлажде ния рубиновые стержни способны работать в герцовом режиме, несмотря на сравни тельно 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 умень шается (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 свя зана с существенным уширением спектральной линии рабочего перехода {). Естественное уширение спектральной линии Сr+3 составляет 0,07 см-1 (~2 ГГц) и яв ляется следствием заметного искаже ния параметров кристаллической ре шетки 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 ли нии 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 собст венных 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 руби на (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) поверхност ная лучевая стойкость рубина составляет ~106 Вт/см2 и
~10 Дж/см2. В соответствии с рис. 14 граница между пороговой плот ностью мощности и пороговой плотно стью энергии (когда не срабатывает механизм теплоотвода и теплопроводность не играет существенной роли) лежит в об ласти длительной генерации I0-5 с, что не типично для рубиновых лазеров. Объемная лучевая стойкость существен но выше (~3*1010 Вт/см2 [3]) и поэто му может не приниматься во внимание в лазерах с резонаторами без точки кон центричности.
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 вы сокая оптическая однородность, в результате длина активных эле ментов может достигать 2 м, а расходимость излучения еще незна чительно превосходит фракционный предел. Кроме того, неодимо-вые лазеры имеют несколько больший КПД (1...3% в стандартных лазерах, предел ~ 10%) по сравнению с рубиновым, гораздо мень шую стоимость (стеклянные активные элементы лазеров получают обычными для производства и обработки оптического стекла техно логическими приемами) и несколько большую удельную энергию (1...10 Дж/см3) генерации. Последняя достигается за счет сущест венно 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 низ кая 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 участ ках 35...93°С. Использование жидкостного охлаждения оказывается неэффективным.
Повысить ресурс работы стеклянных активных элементов можно фильтрацией ультрафиолетового излучения ламп-вспышек, использу емых в системах оптической накачки; в противном случае генери руемая 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 низ кой теплопроводности приводит к резкому увеличению расходимости излучения после первой вспышки из-за неравномерного нагрева ак тивного 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 от личается 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 диамет ром 8 мм и длиной 100 мм с нормальными торцами обозначается ЭНЦ-90 (Ø8x100). Круглые стержни из неодимового стекла выпуска ются 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 сравни тельно высоком пороге поверхностного разрушения (~102 Дж/см2 для гигантского импульса, ~10 МВт/см2 в режиме свободной ге нерации) используются специально изготовленные стержни –
"пли ты" 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 объем ного разрушения велик (~103 Дж/см2) и его следует учитывать лишь из-за возможного возникновения "самофокусировки" при плот ности энергии
~102 Дж/см2.
При использовании длинных активных элементов из неодимового стекла надо иметь в виду потери из-за поглощения и светорас сеяния. 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 |
0,02 |
0,05 |
0,04 |
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 ме сте. Это приводит к неравномерности проявления эффекта Штарка и, как следствие, к сильному неоднородному уширению. Однако отрица тельную роль это уширение играет лишь при генерации гигантских одночастотных импульсов, но оно весьма благоприятно для генера ции сверхкоротких пикосекундных импульсов.
4.3. Стержни из иттрий-алюминиевого граната
Иттрий-алюминиевый гранат Y3Al5O12 как активная среда се рийных лазеров используется сравнительно недавно. Этому препятст вовали 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 грана та 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 при меси 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 че тырехуровневой схемой генерации иона Nd3+ это обеспечивает воз можность непрерывной генерации при комнатной температуре (с жид костным 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 ре жиме генерации гигантских импульсов с высокой частотой повторе ния (до 104 Гц), что обеспечивается только при непрерывной на качке 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 теп ловые 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 воз буждаться. Длина же стержня ограничивается его оптической неод нородностью (кристаллы выращиваются методом Чохральского из раст вора 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 за метно увеличить (примерно на 1%) за счет более эффективного ис пользования 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 со ставляет 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 лам пы-вспышки (~1 мс).
§ 5. ИСТОЧНИКИ ОПТИЧЕСКОЙ НАКАЧКИ
Оптическая накачка является одним из наиболее распростра ненных 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 высо кого и сверхвысокого давления) или импульсном (лампы-вспышки) режимах. При этом из-за высокой температуры разряда излучение, этих источников в первом приближении может быть охарактеризова но 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 чер ное тело) легко установить ряд тре бований и ограничений на возможности систем оптической накачки. Наиболее существенным ограничением является ширина полос поглощения рабочего ве щества лазера. Действительно, в ко ротковолновой части спектра излуче ния 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 на качки позволяет также достигнуть высокоинтенсивного возбуждения активной среды (поскольку светимость пропорциональна четвертой степени цветовой температуры ), что благоприятно сказывает ся 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 тем пературы и в зависимости от требуемого срока службы не превышает 2800...3400 К, а спектральное распределение практически соответ ствует 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 прихо дилось изготавливать из плавленного кварца, что значительно по вышало 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 об ратно 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 темпера туры (3000...3400 К) составляет 2000...30 ч.
Основным недостатком ламп накаливания как источников опти ческой накачки является сравнительно низкая цветовая температу ра, что обусловлено температурой плавления вольфрама; в резуль тате этого приемлемая эффективность накачки обеспечивается эти ми 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. Внутрен ний 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 со ответствии с [2, табл. 26.1].
Таблица 8
|
Расстояние между электродами l, мм |
45 |
60 |
75 |
90 |
120 |
250 |
580 |
850 |
1000 |
|
Внутренний диаметр d, мм |
3 5 |
5 7 |
5 7 |
7 10 |
7 10 13 |
10 13 16 |
16 |
16 18 |
16 18 24 |
|
Номинальная энергия, кДж |
0,4 |
0,8 |
1,2 2 |
5 8 |
20 |
25 |
40 |
В некоторых случаях используются полостные и спиральные лампы накачки, однако в связи с низкими эксплуатационными пара метрами и повышенной стоимостью они применяются все реже.
Лампы-вспышки наполнены инертным газом под избыточным дав лением 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 составля ют около 40%
(для Kr - 50%, для Ar - 60%, Ne - 65...70% соот ветственно) . По мере роста вкладываемой в разряд мощности (до 1 МВт/см3) и укорочения длительности импульса до 70 мкс тепло вые потери дополнительно возрастают на 10...20%. В типовых режи мах спектр излучения ламп-вспышек в первом приближении определя ется температурой в разряде, и лишь при уменьшении удельной мощ ности 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 одиноч ных импульсов до разрушения составляет
[2], где а - постоянный множитель, зависящий от конструктивных осо бенностей; Дж/(см2с1/2);
здесь - площадь внутренней поверхности разрядного проме жутка диаметром
4...20 мм; мс - длительность апериоди ческого разряда на уровне 1/е. Формула дает удовлетворительную точность для диапазона при длительности разряда 0,1-10 мс (табл. 9).
Таблица 9
|
Коэффициент нагрузки |
1 |
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 токо вом 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 лам пе возникает ударная волна и кварцевый балкон разрушается за од ну вспышку.
Отрицательно сказывается на ресурс работы и усложнение конфигурации лампы: спиральная и, особенно, коаксиальные полост ные лампы имеют заметно меньший ресурс из-за значительной неод нородности 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 |
40 |
300 |
Для лазеров, эксплуатируемых в частотном режиме 0,1...10 Гц, разработана специальная серия ламп-вспышек ИСП со средней мощно стью 200...104 Вт (l = 40...250 мм), параметры которых приведе ны в [ 2, табл. 26.2].
Удельное сопротивление (в омах на сантиметр) импульсной ксеноновой лампы в пробитом состоянии (после воздействия поджи гающего 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 конст рукции и режима работы составляет 2...15 мс, после чего пробой ное 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 импуль сов (102 Гц), используются дуговые газоразрядные лампы двух типов: капиллярные и шаровые, - в зависимости от того, какой эф фект используется для стабилизации положения дуги.
А. В капиллярных дуговых лампах стабилизация положения ду ги 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 дли ны 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 позна комимся только с отечественными криптоновыми капиллярными лампа ми (для непрерывной накачки иттрий-алюминиевого граната с ), основные параметры которых приведены в табл. 11; срок службы та ких 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, В |
Мощность, кВт |
Габариты DxL, мм |
|
ДНП-6/60 ДНП-6/75 ДНП-6/90 |
6x60 6x75 6x90 |
35 |
85 105 125 |
3 4 5 |
8x210 8x225 8x240 |
|
ДНП-4/45 ДНП-4/60 ДНП-4/75 |
4x45 4x60 4x75 |
15 |
75 95 118 |
1 1,5 2 |
6x150 6x165 6x180 |
Среди новейших источников оптической накачки следует упомя нуть капиллярные лампы с парами щелочных металлов (калия, нат рия, рубидия и цезия). Если для обычного освещения наиболее при емлемы натриевые лампы высокого давления, дающие приятный розо вато-оранжевый свет с рекордной светоотдачей ( ~100 лм/Вт), то для накачки иттрий-алюминиевого граната наиболее подходит калие вая 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 внеш него 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 метал лов могут заметно изменяться при изменении рабочего давления в лампе (см. [2, рис. 25.5]) и наполнения, что позволяет исполь зовать их для эффективной накачки разных малогабаритных твердо тельных стержней за счет подбора спектров излучения лампы и спектра поглощения рабочего иона (и сенсибилизатора).
Б. Шаровые дуговые лампы с ртутным и ксеноновым наполнени ем являются серийными высокоинтенсивными источниками света, ис пользуемыми для уличного освещения (серия ДРШ) и в кинопроекто рах (серия ДКсШ). В них стабилизация положения дуги в простран стве осуществляется за счет малого расстояния между электродами
(I...5 мм); в результате при умеренном сроке службы (порядка де сятков 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 электропи тания и в ряде случаев могут использоваться для возбуждения не прерывных лазеров во всей видалой области спектра, так как цве товая 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 ви димой области и, кроме того, срезает УФ-часть и излучение вбли зи 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. Эффек тивная плотность мощности в солнеч ном излучении составляет 102 Вт/м2, что вполне достаточно для работы малогабаритного твердотельного ла зера 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 без аберрационным 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 согласо ваны 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 грана та с неодимом. Однако яркость этих источников света несопоста вима с яркостью лазерного излучения, которое позволяет сущест венно увеличить интенсивность оптической накачки.
С другой стороны, низкий КПД подавляющего большинства ла зеров не позволяет надеяться на широкое применение лазерной на качки из-за плохих энергетических показателей, такой системы в целом.
Остановимся на двух практически реализованных в коммерчес ких лазерах системах лазерной накачки. Первая из них обладает удовлетворительным КПД за счет использования в системе оптичес кой накачки линеек полупроводниковых лазеров из арсенида галия GaAs с двойной гетероструктурой. Такие структуры генерируют при комнатной температуре излучение с мкм при КПД в не сколько процентов (не путать с КПД в несколько десятков процен тов 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 со ставляет 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 красите лях. В непрерывных лазерах обычно используется излучение ионно го аргонового лазера. Основное преимущество такой накачки - не обычно высокая плотность мощности голубого излучения, достаточ ная 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 из лучение неодимовых (вторая гармоника с нм и четвертая с нм) и рубиновых (и нм) лазеров при КПД накачки 1...75%, а также УФ-излучение азотных импульс ных лазеров (нм), обеспечивающее КПД 10...40%.
Заканчивая рассмотрение источников оптической накачки се рийных лазеров, следует подчеркнуть, что подавляющее большинст во таких лазеров возбуждается светом ксеноновых ламп-вспышек и дуговых криптоновых капиллярных ламп.
§ 6. ОТРАЖАТЕЛИ СИСТЕМ ОПТИЧЕСКОЙ НАКАЧКИ
Для повышения эффективности оптической накачки лампы, ак тивное тело (обычно - твердотельный стержень из рубина, неодимового стекла или ИАГ) размещают в специальном осветителе, по тери света в котором составляют 1/3...2/3, что существенно влия ет 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 про стотой изготовления.
А. Наиболее эффективным является осветитель в виде эллиптического цилиндра
(рис. 19), в фокальных ли ниях 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 эксцентриси тета эллипса и при использовании толстых (по сравнению с диаметром разряда в лампе) стержней. Это показано на рис. 20; кривые получены в результате интегрирова ния 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]
уни версально-фрезерном станке пальцевой фрезой или штамповкой из алюминия) и возможность значительного (на расстояние (рис. 19) разнесения лампы и активного стержня; последнее су щественно упрощает возможность фильтрации вредных составляющих спектра лампы и конструкцию системы охлаждения.
Б. Цилиндрический осветитель является частным случаем осве тителя с эллиптическим отражателем при е=0 и в соответствии с рис. 20 должен обладать 100% КПД. Однако на практике из-за ко нечных размеров лампы и активного стержня их не удается разме стить на оси цилиндрического осветителя, что снижает его эффек тивность (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 моно блока с двумя расположенными вблизи его геометрической оси поли рованными отверстиями - для лампы и активного стержня. По этим отверстиям в случае необходимости пропускается охлаждающая жид кость. Внешняя полированная поверхность цилиндрического отража теля-моноблока покрывается алюминиевым, серебрящим или диэлек трическим зеркалом. Последнее способно обеспечить требуемый спектральный состав света накачки за счет подбора толщины слоев [4; 2, гл. 24] , что уменьшает нагрев лазерного стержня и за медляет его фотохимическое старение.
В. Наиболее компактными осветителями являются системы, по казанные на рис. 22 и получившие название "тесной камеры" или "плотной упаковки" (,
- см. рис. 19). Конструк тивно такой осветитель часто образуется путем обертывания алю миниевой или серебряной фольгой сложенных вместе лампы накачки и активного стержня. При высоком коэффициенте отражения или рас сеяния в первом приближении независимо от формы получен ного цилиндра такой отражатель обладает высокой эффективностью, - где - средний радиус кривизны отражателя. Такая высокая эффективность при простоте конструкции и компактности обеспечивается за счет многократного взаимодейст вия света накачки с веществом активного стержня, что существенно при малом коэффициенте поглощения света накачки (тонкие или сла болегированные активные среды).
Однако тепловой режим ла зера с таким осветителем явля ется наиболее тяжелым; затруд нительна также фильтрация све та накачки.
Г. Для значительного по вышения равномерности накачки, что важно для лазеров с малой расходимостью, и для некоторо го повышения степени возбужде ния 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 таки ми сложными осветителями плотность энергии накачки может превышать возбуж дение, даваемое одной лампой, лишь при размере активного стержня , что хорошо видно из рис. 24. При ис пользовании толстых активных стержней () существует оптимальное значе ние эксцентриситета эллипса, при котором накачка наиболее эффек тивна -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 осве тителя 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 исполь зовании толстых (по сравнению с внутренним диаметром лампы на качки) 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 ак тивной 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 ко торых между фокусом и вершиной расположены активный стержень и разрядный промежуток лампы-вспышки. Эффективность осветителя с эллипсоидальным отражателем растет при увеличении малой оси эл липсоида (b или уменьшении диаметра разряда) и эксцентриситета, что приводит к более простому в изготовлении сферическому отра жателю.
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 эф фективностью (>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 полост ной лампы-вспышки, связанного с ее взрывоопасностью из-за наличия концентраторов напря жения 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, магнези ей), 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 исполь зован 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 меньше го 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 освети теля, 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 равно мерность 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 полуцилинд ров 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 полуцилинд ра-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 штампован ными полуцилиндрами, оси которых перпендикулярны оси лазера (рис. 276). В этом случае длина дуги лампы-вспышки должна соот ветствовать ширине плиты, а количество ламп - требуемой энергии накачки.
В данном типе осветителя иногда применяют U-образные лампы-вспышки, охватывающие плиту не только вдоль длинной сто роны поперечного сечения, но и по одной короткой. Для большего симметрирования света накачки U-образные лампы вставляют пооче редно с разных сторон плиты. Преимуществом длинных U-образных ламп является большее напряжение самопробоя и, следовательно, большая энергия которую можно запасти в накопитель ном конденсаторе емкостью Сн при напряжении .
Лазера и усилители с осветителями данного типа обычно охлаждаются за счет продувки воздухом и работают в режиме оди ночных 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 пе риферии 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 лам пами, диаметр которых не сколько превышает диаметр диска. Такие лампы (рис. 28а) устанавливаются в фокальную линию эллипти ческого тора, переходящего по мере приближения к кра ям диска в полый зеркаль ный усеченный конус. Осве титель 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-элек тронные 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.: Машино строение, 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