Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Энергетические характеристики и усиление активных сред ЭИ-с02 лазеров 19
Глава 2. Расходимость излучения эи-с02 лазеров 38
Глава 3. Исследования спектров излучения с02 лазера 96
Глава 4. Исследование спектральных характеристик излучения лазерных диодов 114
Глава 5. Твердотельные лазеры с диодной накачкой 140
Глава 6. Пространственные и энергетические характеристики эксимерного лазера «Эклаз» 177
Заключение 192
Литература 196
- Энергетические характеристики и усиление активных сред ЭИ-с02 лазеров
- Расходимость излучения эи-с02 лазеров
- Исследования спектров излучения с02 лазера
- Исследование спектральных характеристик излучения лазерных диодов
Введение к работе
Актуальность темы. С момента открытия лазеров проблема формирования узконаправленного лазерного излучения всегда была самостоятельной и актуальной задачей. В большинстве фундаментальных задач взаимодействия мощного лазерного излучения с веществом, проблем лазерного термоядерного синтеза, специальных или технологических применений лазеров требуется либо доставка излучения на значительные расстояния, либо его фокусировка в пятно минимальных размеров. Для этого необходимо обеспечить максимальную яркость лазерного излучения, которая прямо пропорциональна мощности и обратно пропорциональна квадрату расходимости лазерного излучения.
Электроионизационные (ЭИ) СО2-лазеры импульсно-периодического действия являются наиболее распространенными среди мощных лазерных источников среднего ИК диапазона. Современные ЭИ СО2-лазеры имеют объем активной среды (АС), достигающий нескольких сот литров, а поперечные размеры лазерного пучка - нескольких десятков сантиметров. При длительности импульса генерации tимп»1040мкс энергия импульса излучения таких лазеров может достигать нескольких килоджоулей, а пиковая мощность - сотен мегаватт при КПД до 20%. Одной из важнейших характеристик лазерного пучка является расходимость излучения, на величину которой оказывают влияние тип и параметры применяемого в лазере резонатора и оптические неоднородности АС.
В настоящее время в подавляющем большинстве СО2-лазеров с большими поперечными размерами АС, в том числе и в ЭИ СО2-лазерах, применяются неустойчивые резонаторы (НР), способные в случае оптически однородной АС обеспечить генерацию излучения с предельно малой расходимостью, определяемой дифракцией излучения на выходной апертуре лазера.
Причинами появления оптических неоднородностей в АС ЭИ СО2-лазеров могут быть волны сжатия и разрежения, стримеры и токовые шнуры, формирующиеся в приэлектродных областях активной среды, а также газодинамические возмущения в объеме АС. В проточных импульсно-периодических ЭИ СО2-лазерах существенную роль могут играть акустические колебания резонансного характера, возникающие в газовом тракте при периодическом вкладе энергии и турбулентность газового потока.
С помощью современных технических средств эти возмущения могут быть значительно снижены, так что их влияние на качество выходного пучка будет незначительным. Например, для проточных лазеров однородность плотности газового потока Dr /r удалось уменьшить до величины ~10-3 %.
Однако расходимость излучения ЭИ СО2-лазеров оказалась далека от предельно достижимой даже при импульсном режиме работы, когда активная среда в исходном состоянии не имеет оптических неоднородностей. Одной из причин ухудшения расходимости излучения ЭИ СО2-лазера являются оптические неоднородности самовоздействия, вызванные зависимостью скорости V-T релаксации возбужденных молекул СО2 от локальной интенсивности светового поля. Поскольку причиной возникновения неоднородностей самовоздействия является само излучение, уменьшить его влияние на расходимость лазерного пучка техническими средствами не представлялось возможным. Поэтому потребовались систематические экспериментальные исследования пространственно-временных характеристик лазерного излучения в условиях, характерных для мощных ЭИ СО2-лазеров, которые влияют на развитие эффекта самовоздействия в АС.
Мощные твердотельные лазеры (ТТЛ) могут рассматриваться как альтернатива СО2 - лазерам в различных технологических процессах вследствие компактности и надежности конструкции, стабильности параметров и возможности применения гибких волокон для доставки излучения до объекта воздействия. Однако традиционные ТТЛ с ламповой накачкой обладают низкой эффективностью, а расходимость излучения таких лазеров в 20100 раз превышает дифракционный предел. Это обстоятельство не позволяет в полной мере реализовать преимущества технологических операций, требующих высокой степени концентрации излучения. В то же время лазеры ближнего ИК диапазона представляют значительный интерес в связи с более высоким поглощением лазерного излучения большинством материалов, применяемых в промышленности.
Использование диодной накачки решает многие проблемы при разработке мощных ТТЛ, позволяя создавать более эффективные лазерные комплексы. Для достижения мощности генерации киловаттного уровня используются различные оптические схемы накачки, в том числе поперечная накачка цилиндрического активного элемента сборками лазерных диодов. Однако возникновение тепловой линзы и наведенного двулучепреломления в активном элементе является препятствием при создании мощных ТТЛ с высоким качеством лазерного излучения. Кроме того, при использовании плоского резонатора генерация происходит на нескольких поперечных модах и расходимость излучения существенно превышает дифракционный предел.
Проблема уменьшения расходимости излучения также актуальна при создании эксимерных лазеров, которые применяются в качестве источника ультрафиолетового излучения для литографии, в установках модификации поверхности, микрообработки материалов и для научных исследований. Средняя мощность эксимерных лазеров лежит в диапазоне от единиц до нескольких сот ватт. Энергия в импульсе изменяется от единиц миллиджоулей до нескольких джоулей при длительности импульсов 10300нс и частоте следования от десятка до сотен герц.
Максимальные мощности излучения эксимерных лазеров обеспечивают плоские резонаторы. Однако при этом расходимость излучения составляет для сантиметровых апертур несколько миллирадиан, что почти на два порядка превышает дифракционный предел и не позволяет сфокусировать лазерный луч в пятно размерами в несколько микрон. Это обстоятельство является принципиальным ограничением в ряде задач микроэлектроники и требует проведения исследований.
Таким образом, для мощных газовых и твердотельных лазеров инфракрасного (ИК) и ультрафиолетового (УФ) диапазона длин волн задача достижения расходимости излучения, близкой к дифракционному пределу, является актуальной.
Помимо энергетических и пространственных характеристик лазерного излучения эффективность использования лазеров в таких областях, как лазерная химия, лазерный термоядерный синтез, нелинейная оптика и других, определяется спектральной шириной линии генерации и возможностью перестраивать длину волны излучения. Кроме того, спектральный состав линии генерации лазера имеет значение при прохождении лазерного луча через протяженные трассы в атмосфере. Поэтому также актуальной является задача управления спектром излучения ЭИ СО2-лазера с длительностью импульса накачки tн=1030мкс.
Применение полупроводниковых излучателей, вместо ламп накачки, излучающих в широком спектральном диапазоне и имеющих низкую надежность, позволяет создавать мощные, малогабаритные и надежные лазеры и лазерные системы с хорошим качеством излучения и высоким к.п.д. Для эффективной диодной накачки активных сред твердотельных лазеров требуется согласование спектра излучения лазерных диодов и спектра поглощения активной среды.
Если накачиваемая среда имеет узкую полосу поглощения, то на эффективность накачки существенное влияние оказывают ширина огибающей спектра излучения и положение ее максимума. Поэтому исследование спектрального состава излучения мощных лазерных диодов является актуальной задачей.
Согласование спектра излучения диодной накачки и спектра поглощения активной среды особенно важно для лазеров на парах щелочных металлов. Если для накачки твердотельных лазеров ширина спектральной линии излучения современных мощных диодных лазеров (~3нм) сравнима с шириной спектральной линии поглощения активного элемента, то для газовых лазеров на парах щелочных металлов ширина линии поглощения (D2) меньше более чем на порядок. Поэтому, непосредственное использование для накачки активных сред на парах щелочных металлов излучения традиционных мощных линеек и матриц диодных лазеров оказывается недостаточно эффективным. Создание диодных лазеров с более узкой шириной спектра генерации является также актуальной задачей.
Цель и задачи работы
Основной целью данной работы является обоснование физических принципов формирования лазерного излучения высокой направленности мощных лазеров и разработка методов достижения максимальной яркости излучения мощных лазеров ИК и УФ диапазонов длин волн - СО2, твердотельных и эксимерных лазеров.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
Разработать методики исследования энергетических, пространственных и спектральных характеристик лазерного излучения ИК и УФ диапазонов длин волн
Исследовать механизмы, влияющие на расходимость излучения лазеров ИК и УФ диапазонов длин волн
Оптимизировать состав активной среды мощных электроразрядных СО2 – лазеров для подавления влияния эффекта самовоздействия на расходимость излучения
Исследовать динамику формирования спектрального состава излучения СО2 – лазеров для различных изотопов молекулы СО2
Провести расчеты, разработать и изготовить мощные модули диодной накачки для ТТЛ на основе теплоотводов с повышенной эффективностью отвода тепла на уровне 1кВт/см2
Разработать конструкцию и изготовить излучатели для ТТЛ мощностью 1001000Вт
Провести расчеты и экспериментально исследовать оптические схемы резонаторов ТТЛ и эксимерных лазеров для формирования излучения с предельно малой расходимостью
Научная новизна
Научная новизна работы состоит в следующем:
-
Впервые для ЭИ СО2-лазеров атмосферного давления проведена оптимизация состава смеси АС и экспериментально показано, что для характерных условий накачки ненасыщенный коэффициент усиления, который обеспечивают “легкие” смеси типа СО2:N2:He=1:1:6, на 20% выше, чем традиционные смеси 1:2:3, 1:5:2 или 1:6:3. Представлены экспериментальные результаты измерения распределения ненасыщенного коэффициента усиления по сечению АС, как для традиционных смесей, так и для смесей, содержащих добавки водорода и аргона.
2. Разработаны методики исследования энергетических и пространственных характеристик излучения мощных СО2, твердотельных и эксимерных лазеров для длин волн - 10мкм, 1064нм и 248нм.
3. Впервые проведены комплексные экспериментальные исследования зависимости расходимости излучения мощного импульсного ЭИ СО2-лазера атмосферного давления от мощности и длительности накачки, интенсивности вынужденного излучения, состава смеси и параметров резонатора, в том числе:
Проведено сравнение влияния на расходимость излучения катодной и анодной волн плотности и волны плотности, возникающей на границе лазерного пучка вследствие эффекта теплового самовоздействия. Показано, что только из-за эффекта самовоздействия расходимость излучения более чем в три раза превышает дифракционный предел.
Получена зависимость углового распределения интенсивности излучения мощного ЭИ СО2-лазера в течение импульса генерации, и показано, что при длительности импульса излучения 30мкс широкие и достаточно интенсивные крылья диаграммы направленности излучения образуются спустя 1015мкс после начала генерации даже при убывающей во времени мощности излучения.
Теоретически обосновано и экспериментально показано, что при длительности импульса накачки tн30мкс наименьшую расходимость излучения обеспечивают смеси с содержанием He на уровне 75% и отношением концентраций [CO2]:[N2]=12.
4. Экспериментально установлено, что генерация ЭИ СО2-лазера атмосферного давления с длительностью импульса накачки 30мкс протекает одновременно на нескольких вращательных переходах Р(14)Р(20) с выделением 7090% полной энергии на переходе Р(20).
5. Предложена методика расчета неустойчивого резонатора отрицательной ветви диаграммы устойчивости при наличии градиента показателя преломления по радиусу активного элемента. Для ТТЛ с диодной накачкой непрерывного действия экспериментально получена расходимость излучения лишь в 2 раза превышающую дифракционный предел.
Практическая значимость работы
1. Результаты исследования использованы для разработки мощных электроразрядных СО2 и эксимерных лазеров с высоким качеством выходного излучения.
2. В результате проведенных исследований найдены рабочие смеси, позволяющие получать расходимость излучения ЭИ СО2-лазера, близкую к дифракционной, при высоком удельном энергосъеме, характерном для традиционно используемых смесей. Для широкоапертурного резонатора с размерами апертуры 10х20см в импульсном режиме получена расходимость (23)10-4рад по уровню 0,8 полной энергии.
3. Применение редких изотопов СО2 в АС ЭИ СО2-лазера позволило получить генерацию излучения в спектральных диапазонах 9.39,6мкм и 11.211,6мкм.
4. На основе численных расчетов и экспериментов разработаны эффективные теплоотводы сборок лазерных линеек и матриц для систем накачки мощных твердотельных лазеров. Разработана базовая конструкция и изготовлена серия твердотельных Nd:Yag лазеров с диодной накачкой мощностью излучения 150, 300, 500 и 1000Вт и однородностью по сечению активного элемента на уровне 10%
5. Результаты исследования могут быть использованы для разработки мощных 10 кВт ТТЛ с диодной накачкой с улучшенным качеством излучения ближнего ИК диапазона длин волн.
6. На базе эксимерного KrF-лазера с неустойчивым телескопическим резонатором для микроэлектронной технологии создан лазерный комплекс, позволивший сфокусировать лазерный луч в пятно диаметром 2мкм.
Положения, выносимые на защиту
1. Использование газовых смесей СО2:N2:He=1:1:6; 1:1:8 позволяет получить более высокий (по сравнению с традиционными смесями) ненасыщенный коэффициент усиления АС ЭИ СО2-лазера атмосферного давления с длительностью импульса накачки 1030мкс.
2. Наименьшую расходимость излучения ЭИ СО2-лазера атмосферного давления при длительности импульса накачки tн30мкс обеспечивают смеси СО2:N2:He с содержанием Не на уровне 75% и отношением [CO2]:[N2]=12.
3. Применение широкоапертурного резонатора с размерами апертуры 10х20см позволяет в импульсном режиме получить расходимость излучения ЭИ СО2-лазера (23)10-4 рад по уровню 0,8 полной энергии.
4. Генерация ЭИ СО2-лазера атмосферного давления с длительностью импульса накачки 30мкс протекает одновременно на нескольких вращательных переходах Р(14)Р(20) с выделением 7090% полной энергии на переходе Р(20).
5. Использование неустойчивого резонатора отрицательной ветви диаграммы устойчивости для ТТЛ с диодной накачкой непрерывного действия позволяет получить расходимость излучения только в 2 раза превышающую дифракционный предел.
6. Применение неустойчивого телескопического резонатора с большим увеличением М=10 для эксимерного KrF-лазера позволяет в 10 раз уменьшить расходимость излучения при незначительной потере выходной мощности.
Результаты выполненной работы представляют собой решение научной проблемы формирования лазерного излучения высокой направленности мощных лазеров ИК и УФ диапазонов длин волн и следующих задач:
-
Подавление влияния эффекта самовоздействия в объеме АС на качество излучения ЭИ СО2-лазера для достижения минимальной расходимости излучения среднего ИК диапазона (длина волны =10мкм).
-
Достижение близкой к дифракционной расходимости излучения ближнего ИК диапазона (=1,06мкм) ТТЛ с диодной накачкой.
-
Уменьшение расходимости излучения УФ диапазона (=0,248нм) эксимерного KrF-лазера до уровня (24)10-4, что позволило сфокусировать лазерный луч в пятно диаметром 2мкм и использовать лазер в микроэлектронной технологии.
Личный вклад автора
Личный вклад автора заключается в постановке задач, разработке методик и проведении исследований энергетических, спектральных и пространственных характеристик мощных лазеров ИК и УФ диапазонов длин волн. Личное участие автора является определяющим в получении, анализе и представлении экспериментальных результатов исследования расходимости излучения мощных СО2, твердотельных и эксимерных лазеров.
Апробация результатов работы
Основные результаты работы докладывались на 12 международных конференциях “Оптика лазеров1987,2000,2003,2006,2008”, CLEO Europe-2005,2007, Photonics West-2008, Europhoton-2006, ALT-07, Харитоновские чтения-2008, HPLB-2006, 1st Topical Meeting on Lasers-2009.
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 43 печатные работы в научных журналах, докладах и тезисах конференций. Из них 19 – в ведущих рецензируемых научных изданиях из перечня ВАК.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, 6 глав и заключения, содержит 209 страниц машинописного текста, 90 рисунков, 8 таблиц и список литературы, включающий 140 наименований.
Энергетические характеристики и усиление активных сред ЭИ-с02 лазеров
Как уже упоминалось выше, традиционно используемыми в крупномасштабных электроионизационных (ЭИ) импульсно-периодических (РШ) С02-лазерах атмосферного давления являются рабочие смеси типа C02:N2:He=l:5:2,1:6:3, которые позволяют экономить дорогостоящий Не и обеспечить устойчивость разряда. При длительности генерации 4(Н5 Омкс, о такие смеси обеспечивают съемы энергии более ЮкДж. / /. Однако, как установлено в работах /V, /50/, в таких смесях эффективно протекает самовоздействие, приводящее к ухудшению оптического качества активной среды (АС) во время генерации. В частности на лазерном стенде на смеси C02:N2:He= 1:5:2 в импульсном режиме и при использовании неустойчивого телескопического резонатора (НТР) была получена расходимость излучения, составляющая по уровню 0,5 полной энергии 2x10" рад при дифракционном пределе 7x10" рад / /. Как будет показано в гл.2 существенное улучшение расходимости излучения ЭИ С02-лазеров (ЭИЛ) обеспечивают смеси с 5не 65%, типа C02:N2:He=l:l:6, ослабляющие самовоздействие. Особенностью смесей с (5 е 65%, названных "легкими" из-за их сравнительно малой плотности, является меньшая электрическая прочность по сравнению со смесями, в которых е 50% / /. Из-за этого при работе на "легких" смесях приходится снижать напряженность электрического поля (Е).
Для сохранения мощности накачки при уменьшении Е необходимо повышать разрядный ток, что в ЗИЛ осуществляется путем увеличения плотности тока электронного пучка в устройстве ионизации. В ИП режиме работы средняя плотность тока пучка ( je ) не может, как известно, превышать некоторого значения, определяемого стойкостью фольги. Согласно /30/, разрушение фольги за счет выделяющегося в ней тепла происходит при величине je за фольгой, равной 500мкА/см2.
Представление о величине je , необходимой для работы на "легкой" смеси, дает следующая оценка. В /1/ в импульсном режиме удельная энергия накачки qн=240Дж/л достигалась на смеси 1:1:6 при начальной напряженности электрического поля Е0=4,4кВ/см и плотности тока пучка на фольге ]е=42мА/см . После прохождения фольгового узла и катодной решетки je= 16мА/см . При тн=30мкс и частоте следования импульсов ґ=200Гц, величина je , соответствующая J6=16MA/CM , равна: je je !„= 16-10 3-30-10"б-200 =96-10"6 А/см2=96мкА/см2 Ускорители, в которых после прохождения фольгового узла ] е =70-ь90мкА/см2, разработаны и используются в НИИЭФА и ГОИ. Другой особенностью "легких" смесей является меньшая, чем на смесях с 5 е 50%, длительность генерации, составляющая около 20мкс /V. Выше отмечалось, что такая величина тген целесообразна для улучшения расходимости излучения ЭИЛ. Имеются основания считать, что и для ОВФ излучения ЭИ ССЬ-лазеров с помощью метода ЧВС необходимо, чтобы тген была около 20мкс / /. Зависимости удельной энергии генерации от удельной энергии и длительности импульса накачки. Измерение удельной энергии накачки.
Рассеяние электронов пучка в фольге, на антистриммерной решетке и молекулах газа приводит к тому, что ширина несамостоятельного разряда оказывается больше ширины выпускного окна ускорителя электронов и анода, а степень ионизации газа в центре разряда выше, чем на его периферии. Из-за отсутствия резких границ разряда и неоднородности распределения вводимой энергии приходится проводить специальные измерения для определения qH. Обычно, для этого используются методы, основанные на измерении распределений интенсивности свечения и тока.
На стенде "Модуль-2" для определения qH был применен способ, заключающийся в измерении полного тока разряда (1п) и тока, текущего через выделенную область разряда (1в). При постоянной в этой области напряженности электрического поля IB/In=QB/Qm где Qun - соответственно полная и выделившаяся в фиксированной области энергия. В разрядных контурах с малыми активными потерями Qn=C(UH -UK )/2 , где С- емкость конденсаторной батареи, a UH;K - начальное и конечное напряжение на емкости.
Измерить ток, протекающий через определенную область разряда, позволяет секционный анод. Электрическая схема эксперимента и геометрия разрядного промежутка приведены на Рис. 3. Выпускное окно ускорителя имело размеры 120x1000мм . Высота разрядного промежутка равнялась 100мм. Полная ширина анода составляла 240мм. Представление о конструкции анода дает Рис. 3 (Б). Пять рядов медных круглых шашек, выступающих на 20мм над поверхностью разделяющего их изолятора, были электрически объединены в две секции: центральную, шириной 120 мм (3 ряда) и периферийную (по одному ряду с каждой стороны), которая включала также металлический короб анода (крайние элементы на Рис. 3 (Б)). Каждая секция подключалась к батарее конденсаторов своим кабелем.
Расходимость излучения эи-с02 лазеров
Оптические неоднородности, определяющие расходимость излучения импульсного ЭИ СОг-лазера атмосферного давления с длительностью импульса в несколько десятков микросекунд, образуются в результате неоднородного энерговклада в разряд и в процессе теплового самовоздействия. В областях повышенного энерговклада (вблизи поверхностей катода и анода) возникают газодинамические волны плотности и разрежения / /, проникающие в активную среду (АС) за время генерации на значительную глубину.
Сильное ухудшение оптического качества лазерного пучка в течение импульса генерации, обусловленное самовоздействием, наблюдалось экспериментально /1б/. По данным численного исследования /43/, основанного на самосогласованном решении системы уравнений колебательной кинетики и газодинамики, только граничные волны самовоздействия (ВСВ) могут вызывать значительное ухудшение расходимости излучения. При измерениях, выполненных с использованием неустойчивых телескопических резонаторов (НТР), в сходных условиях получены расходимости излучения ЭИ С02-лазера от близкой к дифракционной /44/, /45/, /46/ до превышающей дифракционный предел в несколько раз / /.
Время образования оптических неоднородностей, их пространственный масштаб и степень влияния на расходимость излучения определяются мощностью и длительностью накачки, интенсивностью вынужденного излучения, составом рабочей смеси и параметрами резонатора. Целью настоящей работы являлось исследование зависимости расходимости излучения ЭИ С02-лазеров от перечисленных параметров.
Измерение расходимости излучения лазеров при использовании традиционных смесей газов. В связи с хорошей воспроизводимостью характеристик разряда и лазера в течение по меньшей мере 30 вспышек при одном напуске смеси в камеру зависимость углового распределения энергии снималась в серии импульсов. Расходимость излучения определялась путем регистрации энергии излучения, прошедшей через калиброванную диафрагму, расположенную в плоскости фокусировки пучка.
Излучение, отраженное от передней грани клина 3, фокусировалось сферическим зеркалом 4 на диафрагму 5, за которой располагался калориметр 6. Оптическое качество окна 2 разрядной камеры 1 и оптических элементов этого плеча схемы было таким (известные оптические параметры N 2-3 и AN 1 на t=0,63 мкм), что их влиянием на расходимость излучения в условиях экспериментов можно было пренебречь. Опорное плечо схемы включало вторую грань клина 3, сферическое зеркало 7 и калориметр 8. Излучение, прошедшее через клин и подфокусированное линзой 9, ослаблялось фильтром 10 и попадало на фото приемник 11, регистрировавший форму импульса генерации. Резонатор, размещавшийся в разрядной камере, юстировался с помощью He-Ne лазера, луч которого вводился в НТР через малое отверстие в вогнутом зеркале. Выходящий из резонатора красный пучок, совпадавший в измерительном плече с инфракрасным, использовался для юстировки диафрагм при смене их в процессе измерений. В отдельных экспериментах снималась картина поля излучения в дальней зоне, развернутая во времени. При этом пучок, отраженный от передней грани клина 3, фокусировался зеркалом 4 на фокальную рамку скоростного фоторегистратора СФР-Л. Для регистрации ИК излучения применялась графитизированная фотопленка /48/. Рассеяние электронов в фольге, на антистриммерной решетке и молекулах газа приводит к тому, что ширина несамостоятельного разряда оказывается больше ширины выпускного окна ускорителя электронов и анода, а степень ионизации газа в центре разряда выше, чем на его периферии. В отсутствие резких границ разряда, а также при неоднородном распределении вводимой энергии удельный энерговклад qH (параметр, важный как для анализа результатов, так и для сравнения данных, получаемых на разных установках) был найден только в результате специальных измерений, описанных в гл.1.
Исследования спектров излучения с02 лазера
Как отмечалось во введении эффективность использования С02-лазеров для различных приложений в таких областях, как лазерная химия, нелинейная оптика, лазерная локация и других требуется иметь возможность генерации излучения в узком спектральном интервале и перестраивать длину волны излучения. В то же время спектральный интервал линии генерации лазера имеет значение при прохождении лазерного луча через протяженные трассы в атмосфере . Применение редких изотопов двуокиси углерода в С02-лазерах позволяет обогатить спектр излучения и уменьшить потери на поглощение при прохождении лазерного луча через атмосферу.
Исследования проводились на ЭИЛ "Модуль-2". Схема измерений спектра и ширины линии излучения приведена на Рис. 40 . Лазерный пучок с сечением, двукратно уменьшенным телескопом 1, 2, совмещался на зеркале 3, имевшем отверстие в центре, с лучом He-Ne-лазера, расположенного за зеркалом. Оба пучка после отражения от передней грани клина 4 попадали на дифракционную решетку 5. ИК спектр наблюдался в фокальной плоскости сферического зеркала 6, при этом вращательные линии Р- и R-ветвей колебательной полосы 00 1—(100,020)i располагались между 16-м и 17-м дифракционными максимумами красного излучения (А,=0,6328мкм). Регистрировался ИК спектр на термочувствительной бумаге. При измерениях энергии, излучаемой в отдельных вращательных линиях, на месте экрана 22 размещались калориметры 7, 8 (ИМО-2Н). ИК пучок, отраженный от второй грани клина 4 и подфокусированный сферическим зеркалом 9, попадал в калориметр 10 (ТПИ-5-2).
Пучок, прошедший клин 4 и отраженный от дифракционной решетки 11 в нулевом порядке дифракции, делился клином 7 J на две части, одна из которых, отраженная от передней грани клина 15, направлялась на фотоприемник 16 («Свод»), регистрировавший форму импульса излучения, а другая, прошедшая клин 15, зеркалом 17 направлялась в схему измерения ширины линии излучения, включавшую сферическое зеркало 18, интерферометр Фабри-Перо 19, линзу 20 и фотоаппарат 21. Для регистрации интерференционной картины использовалась графитизированная фотопленка и О / /. Импульсы излучения вращательных линий, выделенных дифракционной решеткой 11, регистрировались фотоприемниками 13, 14 («Свод»), располагавшимися в фокальной плоскости сферического зеркала 12. Дифракционная решетка J (150штрих./мм) и сферическое зеркало б с фокусным расстоянием 4м обеспечивали надежное разрешение вращательных линий спектра. Ошибка идентификации отдельной вращательной линии, определявшаяся, как К=(У\ уэ)1(У\ ут)- гДе vi,2 -известные волновые числа вращательных линий /97, ближайших к измеренной в эксперименте (уэ), составляла не более 14%. Спектральное разрешение интерферометра Фабри Перо определяется соотношением / / Д„ =(\-Я)/2Тл:л1Я, где Т- база. интерферометра; -коэффициент отражения его зеркал. При использовавшихся в эксперименте значениях Г=3см и R=0,96, Ду я -Ю см"1.
При удельной энергии накачки порядка 100Дж/л-атм в спектре присутствуют не более трех вращательных линий Діб), Р(18), Р(20) указанной выше полосы, причем большая часть энергии излучается на переходе Р(18). С увеличением удельной энергии накачки в спектре появляется линия Р(14) и преобладающим по энергии становится переход Р(20). В отдельных экспериментах при одинаковых условиях наблюдалось слабое излучение на ряде вращательных линий R-ветви той же колебательной полосы. По количеству генерирующих вращательных линий спектр оказался менее богатым, чем в случае быстрой накачки / /. Это обусловлено тем, что при относительно длительной и не очень мощной накачке устанавливается больцмановское распределение молекул по вращательным уровням и из-за быстрой (при атмосферном давлении) R-R-реяаксации генерация протекает только на переходах, соответствующих области максимума больцмановского распределения колебательного уровня 001. При температурах газа 300н-500К, характерных для экспериментов, наиболее заселенными являются вращательные уровни с квантовыми числами J=14-e-22. С увеличением температуры газа Jmax, соответствующее уровню с максимальной населенностью, растет по формуле Jmax «0,95л/Г-1/2, где Г-температура газа.
Этим объясняются наблюдаемый спектр и перераспределение энергии излучения по вращательным линиям с увеличением удельной энергии накачки. Согласно оценке ненасыщенного коэффициента усиления для линий P(14)-hP(20) полосы 00 1 - ( 100,020)i генерация на начальной стадии накачки (г 10мкс) возможна на всех этих линиях. К десятой микросекунде разогрев среды приводит к подавлению генерации на линиях Р(14), Р(16). С учетом порога генерации время излучения на линиях PQ4), Р(16) составляет всего не 102 сколько микросекунд, что и определяет малость энергии, выводимой из среды на этих линиях. В области относительно малой удельной энергии накачки ( 100Дж/л-атм) максимальная инверсия населенностей реализуется в течение импульса накачки на переходе Р(18). С повышением мощности накачки увеличивается скорость нагрева газа, в результате чего максимум в распределении энергии по вращательным линиям смещается на линию Р(20). Следует отметить, что ни в одном эксперименте не была зарегистрирована генерация на линии Р(22), что связано, по-видимому, с особенностями кинетики лазера в исследовавшихся условиях. Спектральный состав излучения и относительное распределение его энергии по вращательным линиям, определяемые по степени прогорания термобумаги (порог чувствительности бумаги был равен 0,2Дж/см ), практически не изменялись при варьировании состава рабочей смеси (CO2:N2:He=l:3:0; 1:2:3; 1:5:2) и уменьшении длительности импульса накачки до 15мкс.
Исследование спектральных характеристик излучения лазерных диодов
Для получения высокой выходной мощности генерации, КПД, расходимости лазерного излучения близкой к дифракционной, необходимо обеспечить однородную накачку активных сред с селекцией излучения в области линии поглощения активаторов. Применение узкополосных полупроводниковых источников накачки для возбуждения активных сред приводит к существенному увеличению эффективности накачки твердотельных лазеров. В НИИЭФА были разработаны системы накачки на базе лазерных линеек и лазеры с диодной накачкой для научных исследований высокотемпературной плазмы и лазерных технологий /шз/, /104/, /105/, /10 7. Для повышения эффективности накачки и снижения требований к термостабилизации активной среды необходимо использовать полупроводниковые излучатели с шириной спектра генерации, совпадающей с шириной линии поглощения активного элемента. Для кристаллов Nd:YAG ширина линии поглощения на длине волны 808нм имеет значение Знм. Спектральная ширина линии генерации особенно важна для возбуждения активных сред на парах щелочных металлов, с линией поглощения менее ОДнм /107/. Кроме того, проблема обеспечения однородности спектральных характеристик и стабильной выходной мощности излучения в заданном спектральном интервале в модулях диодной накачки мощных лазеров, является актуальной, поскольку в этих модулях используется большое количество лазерных линеек и матриц плотной упаковки. При этом необходимо обеспечить эффективный теплоотвод и термостабилизацию сборок лазерных диодов. Практика показывает, что для надежной работы системы накачки, необходимо выбирать линейки лазерных диодов (ЛЛД) с близкими выходными характеристиками, что позволит обеспечить стабильность параметров излучения. Параметрами, определяющими возможность эффективного использования лазерных линеек и матриц для накачки лазерных сред, являются такие характеристики, как положение и ширина огибающей спектра излучения и количество продольных мод, которые формируются в результате суперпозиции спектров излучения отдельных эмиттеров лазерных линеек.
Эксперимент Для исследования характеристик излучения ЛЛД была разработана методика, основанная на регистрации интегральных во времени спектров генерации, энергетических и спектральных характеристик отдельных эмиттеров линейки со спектральным разрешением 0,5А. Другая методика позволяла исследовать динамику спектров генерации с временным разрешением 1,5 мкс. Проведены эксперименты по исследованию динамики спектров излучения в зависимости от температуры и тока накачки. 116 Однородность энергии генерации по всей ширине излучающей полоски ЛЛД является важной характеристикой, определяющей равномерность накачки активных элементов. Оптическая схема регистрации распределения интенсивности излучения в ближней зоне состоит из двух объективов (Гелиос 40 и Гелиос-44), набора светофильтров и обеспечивает коэффициент передачи пространственной координаты К=23,237мкм/рх1 (lpxl CCD-камеры Ібхібмкм).
Для исследования распределения интенсивности излучения в пределах одной линейки предложена методика, которая позволяет определить спектральные характеристики отдельных эмиттеров. При проведении таких измерений лазерная линейка устанавливается горизонтально входной вертикальной щели спектрального прибора. Фокусировка излучения осуществляется однолинзовым конденсором с некоторым увеличением изображения. Перемещением изображения лазерной линейки вдоль щели монохроматора на нее последовательно фокусируется излучение каждой отдельной изолированной ИО. Предложенная оптическая схема реализована на двух автоматизированных спектральных комплексах, созданных на базе монохроматора МДР-23 (для регистрации спектров непрерывных ЛЛД) и монохроматора МДР-2 (для импульсно-периодических линеек). Исследования спектральных характеристик диодных лазерных линеек были проведены с помощью двух измерительных комплексов /108/,/109/,/110/,/п1/: 1) Спектрального прибора КСВУ-23, обеспечивающего высокое спектральное разрешение (0,5 А) с регистрации интегральных во времени спектров генерации лазерных линеек. Интегрированный пакет программ SpLab обеспечивает работу спектрального прибора КСВУ-23 под управлением IBM-PC. 2) Монохроматора МДР-2, сопряженного с ПЗС-линейкой с временным разрешением 1,5-2мкс и длительностью импульса считывания, равной длительности накачки. Спектр регистрируется с помощью CCD Linear Sensor (фирма Sony ILX -526) размерами 30x0,2мм с количеством элементов 3000, временным затвором (Provided with shutter function), позволяющим получать минимальную экспозицию 1,5 мкс. Сигнал с выхода Linear Sensor усиливается и оцифровывается с помощью АЦП (A/D convrter) CXD 2310 AR и заносится в память CMOS ASYNCHRONOUS FIFO IDT 7204 со скоростью 1МГц. Из памяти данные передаются в компьютер для дальнейшей обработки и визуализации спектров лазерных линеек и отдельных излучающих областей.
