CC BY
141
УДК 535:621.373.8
А. П. Минеев, С. М. Нефедов, П. П. Пашинин,
П. А. Гончаров, В. В. Киселев, А. П. Дроздов
ПРИМЕНЕНИЕ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО РАЗРЯДА
ДЛЯ НАКАЧКИ ПЛАНАРНЫХ ИНФРАКРАСНЫХ ЛАЗЕРОВ
Ключевые слова: планарных с диффузным охлаждением лазер, ВЧ-разряд, одномодовый режим.
Исследованы характеристики излучения планарных с диффузным охлаждением СО2-, СОи Хе-лазеров, созданных на основе одной конструкции и возбуждаемых ВЧ-разрядом на частоте 40 МГц. Для СО2-лазера достигнута непрерывная мощность генерации ~ 100 Вт с КПД ~10% в одномодовом режиме при расходимости излучения, близкой к дифракционной. Для СО-лазера достигнута непрерывная мощность генерации ~ 70 Вт с КПД ~10% в спектральном диапазоне 5,36,0 мкм при температуре электродов -800C. Для Хе-лазера достигнута мощность генерации ~100 мВт на длинах волн 1,73, 2,03, 2,63, 2,65 мкм при давлении газовой смеси 30-100 Тор.
Keywords: planar diffusion-cooled, RF discharge, single-mode.
Radiation characteristics of planar diffusion-cooled CO2-, CO-, Xe-lasers created using the same design and excited by a RF-discharge at a frequency of 40 MHz have been studied. A single-mode cw lasing power of ~ 100 W has been achieved with an efficiency of ~10% for a CO2-laser with diffraction-limited radiation divergence. For a CO-laser with electrode at a temperature of -800C, a cw output power of 70 W with an efficiency of ~10 % has been achieved in the wavelength range 5.3 - 6.0 jim. For a Xe-laser a cw output power of ~100 mW has been achieved in the wavelength 1.73, 2.03, 2.63, 2.65 jim.
В последние годы быстрыми темпами развиваются инфракрасные (ИК) лазерные системы, создаваемые на базе нового поколения мощных компактных газоразрядных молекулярных СО2- и СО-лазеров, как непрерывного, так и импульсно-периодического действия, имеющих повышенные удельные выходные характеристики и высокое качество когерентного излучения в диапазоне длин волн 5 - 10 мкм. К их числу, в первую очередь, относятся планарные волноводные ИК лазеры, возбуждаемые высокочастотным (ВЧ) разрядом с диффузионным охлаждением и использующие гибридный волноводнонеустойчивый резонатор. Это связано с тем, что однородное возбуждение широкоапертурных областей таких лазеров решается благодаря особенностям пространственной структуры поперечного ВЧ-разряда, который в диапазоне частот 10-150 МГц обладает повышенной устойчивостью относительно перехода разряда из объемного в контрагированное состояние при увеличении, как давления рабочего газа (более 100 Тор), так и удельного энерговклада в плазму разряда (более 100 Вт/см3). Здесь следует также отметить многообразие конструкторских решений поперечного ВЧ разряда и открывающуюся возможность, как непрерывного, так и импульсно-периодического режима работы лазеров с частотами повторения в десятки килогерц [1-4].
В исследованиях газоразрядных лазеров следует также отметить интерес к лазеру на атомарном ксеноне (Хе), излучающему на нескольких переходах в области длин волн 2 - 3 мкм. При переходе от возбуждения продольным разрядом постоянного тока низкого давления к возбуждению ВЧ-разрядом при средних давлениях (—100 Тор) мощность Хе-лазеров увеличилась в сотни раз и он был отнесен к классу мощных лазеров. Наилучшие результаты были получены в системах с планарной геометрией активной среды [5-7].
В данной работе исследованы выходные характеристики излучения и газоразрядные параметры активной среды - низкотемпературной плазмы ВЧ-разряда, планарных СО2-, СОи Хе-лазеров, созданных на основе одной конструкции и возбуждаемых широкоапертурным (3х40х400 мм) ВЧ-разрядом на частоте 40 МГц. Схема лазерного излучателя представлена на рис. 1.
Рис. 1 - Схема лазерного излучателя. 1, 2 - зеркала, 3 - кварцевая труба, 4, 5-индуктивности устройства согласования, б - электроды, 7 - разрядный промежуток
Экспериментально изучена зависимость плотности вкладываемой ВЧ-мощности от давления рабочего газа CO2:N2:He:Xe=l:l:3:0,25 в диапазоне 50- 110 Тор. Определены значения плотности мощности 1 - 4 Вт/см2 в режиме нормальной плотности тока разряда -важные для оптимизации и масштабирования генерационных характеристик мощных планарных СО2-лазеров. Исследована зависимость выходной мощности лазера с ВЧ-накачкой от температуры электродов в диапазоне от -30 С до +30 С. На основе экспериментальных данных можно утверждать, что происходит удвоение выходной мощности лазера при понижении температуры на 45 С (рис. 2). Достигнута непрерывная мощность излучения СО2-лазера -100 Вт при КПД -10%.
СО-лазер имеет много существенных преимуществ, связанных с потенциально большим КПД преобразования, вдвое меньшей длиной волны (5-б мкм) и большей плотностью мощности в сфокусированном пучке. Показано, что основные конструктивные решения планарного СО2-лазера можно прямо перенести на конструкцию СО-лазера. Охлаждение электродов разряда в СО-лазере производилось хладоном при температуре от -80 до -200С и получена выходная средняя мощность излучения более 70 Вт с КПД 10% на длинах волн 5,3 - б,0 мкм, как в непрерывном, так и в импульсно-периодическом режиме работы с частотой повторения - 1000 Гц, скважностью 50%, средней мощностью накачки -700 Вт для лазерной смеси газов C0:N2:He:Xe:02 = 2:2:15:1:0,3 при давлении -50 Тор (рис. 3). Расходимость излучения составляла 5,2 мрад. Установлено, что добавка ксенона в рабочую смесь газов и понижение температуры электродов разряда на 10 градусов приводит к существенному увеличению выходной мощности лазера.
В работе проведены исследования выходных характеристик излучения планарного Хе-лазера, возбуждаемого ВЧ-разрядом на частоте 40 МГц в зависимости от состава и давления смеси газов. Применялись смеси газов: Ar:He:Xe = 40:59:1; Ar:He:Xe = 59:40:1; Ar:He:Xe = 59:40:1; Ar:He:Xe = 40:59,5:0,5 при давлениях 30-70 Тор.
В Хе-лазере на рабочей смеси Ar:He:Xe = 40:59:1 при давлении газа 50 Тор в непрерывном режиме достигнута выходная мощность излучения -10 мВт -100 мВт на длинах волн 2,б3 и 2,б5 мкм соответственно (рис.4). Отражение глухого зеркала составляло 99,7%, пропускание выходного зеркала - 2% на длине волны 2,б-2,7 мкм, диаметр зеркал - 50 мм.
«
н
о
а
<ц
со
сЗ
«
Л
н
о
о
Я
а
о
!3
я
ч
о
X
3
М
Температура электродов, 0С
Рис. 2 - Зависимость выходной мощности С02-лазера (относительные единицы) от температуры электродов
Т
м
,а
р
е
со
а
л
Л
т
о
о
Я
а
о
%
я
д
о
X
з
М
Вкладываемая ВЧ-мощность, Вт
Рис. 3 - Зависимость выходной мощности СО-лазера, от вкладываемой ВЧ-мощности при непрерывной накачке. Температура электродов: 1 - (-80°С), 2 - (-70°С)
т
В
а
р
е
со
а
л
ь
т
с
о
н
щ
о
ая
н
д
о
X
ы
В
Вкладываемая ВЧ-мощность, Вт
Рис. 4 - Зависимость выходной мощности Хе-лазера, от вкладываемой мощности ВЧ-генератора при непрерывной накачке
Кроме того, при применении узкополосных зеркал для излучения на длинах волн 1,73 мкм и 2,03 мкм получена выходная мощность 50 мВт и 100 мВт соответственно.
Оптимизация всех параметров Хе-лазера, в частности, параметров оптического резонатора и газоразрядных параметров активной среды, позволит повысить его выходные характеристики (КПД, мощность), до значений, соответствующих лучшим образцам таких лазеров.
Литература
1. Jackon, P.E. CO2 large-area discharge laser using an unstable waveguide hybrid resonator / P.E. Jackon, H. J. Baker, D. R. Hall. // Appl. Phys. Lett. - 1989. - V. 54. - № 20. - P. 1950.
2. Минеев, А.П. Влияние частоты возбуждающего поля на работу волноводного СО2 лазера с ВЧ накачкой / А.Г. Акимов, А.В. Коба, Н.И. Липатов, А.П. Минеев, П.П. Пашинин, А.М. Прохоров // Квантовая электроника. - 1989. - Т. 16.- №5.- С. 938-944.
3. Mineev, A.P. RF-excited planar CO2 laser with hybrid waveguide-unstable resonator cavities / Mineev A.P., Nefedov S.M., Pashinin P.P. // Proc. of SPIE - 1999. - V. 3686. - P. 35.
4. Минеев, А.П. Высокочастотный планарный СО2-лазер с полностью металлической электродноволноводной структурой и неустойчивым резонатором / А.П. Минеев, С.М. Нефедов, П.П. Пашинин // Квантовая электроника. - 2006. - Т. 36.- №7. - С. 656-663.
5. Кузнецов, А.А. Хе-лазер щелевого типа, возбуждаемый несамостоятельным разрядом / А.А.
Кузнецов, М.З. Новгородов, В.Н. Очкин, В.М. Тихонов, Ф.Я. Блок, В.Я. Виттеман // Квантовая
электроника. - 2000. - Т. 30.- №5. - С. 399-400.
6. Tskhai, S.N. Spectral investigation of cw rf-pumped atomic Xe laser with a slab geometry / S.N. Tskhai, Y.B. Udalov, P.J.M. Peters // Appl. Phys.B. - 1996. - V. 62. - № 1. - P. 11-14.
7. Vitruk, P.P. High power continuous wave atomic Xe laser with radio frequency excitation / P.P. Vitruk, A.J. Morley, H.J. Baker, D R. Hall. // Appl. Phys. Lett. - 1995. - V. 67. - № 10. - P. 1366.
© А. П. Минеев - канд. физ.-мат. наук, зав. лаб., зам. дир. института общей физики им. А.М. Прохорова РАН; С. М. Нефедов - ст. науч. сотр. института общей физики им. А.М. Прохорова РАН; П. П. Пашинин - д-р физ.-мат наук, проф., чл.-корр. РАН, гл. науч. сотр. института общей физики им. А.М. Прохорова РАН; П. А. Гончаров - канд. техн. наук, ст. науч. сотр. института общей физики им. А.М. Прохорова РАН; В. В. Киселев - канд. физ.-мат. наук, ст. науч. сотр. института общей физики им. А.М. Прохорова РАН, kiselev@kapella.gpi.ru; А. П. Дроздов - вед. инж. института общей физики им. А.М. Прохорова РАН.
