C.В. Кухлевский, В.В. Патрин, А.С. Проворов, В.В. Салмин

ВОЛНОВОДНЫЙ   N₂- ЛАЗЕР

Исследованы пространственные характеристики волноводного N₂- лазера (N₂-BЛ) с различными типами резонатора и способами возбуждения. Показана высокая селективность резонаторной конфигурации «модовый фильтр» для N₂-ВЛ и реализован одномодовый режим генерации в нем. Исследованы временные характеристики N₂-ВЛ с возбуждением скользящим разрядом. Обнаружено присутствие двух временных пиков генерации, соответствующих двум стадиям скользящего разряда. Измерены зависимости средней мощности импульсно-периодического N₂-лазера от частоты следования импульсов (ЧСИ) для капилляров различного диаметра. Показана эффективность использования капилляров малого диаметра для увеличения предельной ЧСИ генерации.

В последнее время все большее внимание привлекают УФ волноводные газовые лазеры (ВГЛ) [1 —6]. Это обусловлено тем, что наряду с малыми размерами они обладают высокими удельными энергетическими характеристиками [1], хорошим модовым составом [2] и высокой частотой повторения импульсов генерации [3]. Благодаря перечисленным достоинствам УФ ВГЛ могут найти самые разнообразные применения, например в телеметрии или в качестве задающих генераторов в лазерных системах с усилителями. Широки возможности применения ВГЛ в биологии и медицине [4], в частности для воздействия на клетки и клеточные культуры, органоиды, а также для клеточной микрофлоуриметрии. Большой интерес для спектроскопии, локации, связи и других областей представляют УФ волноводные N₂- лазеры (N₂-ВЛ) [2, 5].
Обратная связь в волноводном резонаторе может осуществляться несколькими способами [7], причем наиболее часто для этой цели используются внешние зеркала. Свойства таких резонаторных конфигураций довольно хорошо изучены [8]. Одной из основных особенностей волноводного резонатора с внешним зеркалом является чувствительность пространственной структуры и потерь резонаторных мод (потерь связи) к расположению зеркала по отношению к волноводу. Волноводные УФ лазеры работают, как правило, в средах с высоким коэффициентом усиления при низких волноводных потерях и малом числе обходов резонатора. В этих условиях особенно важна для формирования пространственной структуры и энергетических характеристик излучения волноводного УФ лазера поперечная модовая селективность волноводного резонатора, однако излучение УФ лазеров с различными волноводными резонаторами не исследовалось, хотя некоторые волноводные конфигурации в них и применялись.
Электроразрядные газовые лазеры с высокой частотой следования импульсов (ЧСИ) генерации интенсивно исследуются в последние несколько лет. Использование схем быстрой прокачки газовой смеси с целью увеличения ЧСИ и соответственно выходной средней мощности газоразрядных лазеров оправданно лишь в мощных лазерных системах, что связано прежде всего с техническими сложностями быстрой прокачки. Поэтому для простых низкоэнергетических систем альтернативный путь — это увеличение ЧСИ без смены газовой смеси.
В последние годы высокая ЧСИ генерации на переходе С³П_u → B³П_g азота (λ = 337 нм) была реализована в продольной разрядной конфигурации [9— 14]. Было показано, что спад импульсной мощности генерации при увеличении ЧСИ происходит вследствие медленной релаксации колебательных состояний X¹∑⁺_g (v ≥ 1) [9] молекул N₂ на стенках разрядной трубки и повышения поступательной температуры газа [10]. В работах [11 -14] экспериментально и теоретически проанализировано влияние материала стенки разрядной трубки на инверсию населенности УФ лазера на N₂ в импульсно-периодическом режиме. Лучшими показателями по ЧСИ и средней мощности генерации обладала металлическая сегментированная разрядная трубка (МСРТ) со вставками из меди, покрытыми графитом. Использование МСРТ со вставками из дюралюминия [12] позволило достичь ЧСИ генерации 10 кГц без специального охлаждения активного элемента.
К сожалению, в настоящее время известно незначительное число работ по исследованию импульсно-периодических ВГЛ. В [5] исследовался импульсно-периодический N₂-ВЛ (337 нм) с накачкой емкостным разрядом. Отмечено, что использование волноводной ячейки позволяет охлаждать газовую смесь за очень короткое время, зависящее от диаметра ячейки и давления газа. Получена зависимость средней мощности от ЧСИ генерации до f = 100 Гц. Отмечено, что уменьшение энергии импульсов при f < 100 Гц не может быть связано с нагревом газовой смеси. Предполагается, что уменьшение энергии импульсов генерации с увеличением их ЧСИ скорее может быть связано с наличием остаточной ионизации газа и уменьшением эффективного падения напряжения на разрядном промежутке.
Недостаточность информации о физических причинах снижения энергии импульса генерации с ростом ЧСИ в N₂-ВЛ (337 нм) побудила нас провести более детальное исследование АЧХ N₂-лазера с различными типами накачки и разными диаметрами капилляра. В настоящей работе рассматривались также пространственные характеристики N₂-ВЛ с различными конфигурациями резонаторов и с накачкой скользящим разрядом в режиме сверхсветимости. Кроме того, в режиме генерации с плоскими зеркалами изучалось пространственное распределение излучения при разных типах накачки.

Техника  эксперимента

Для исследования пространственных характеристик N₂-ВЛ использовался волновод диаметром 300 мкм и длиной 20 см. Накачка осуществлялась скользящим разрядом (рис. 1,6), что позволяло заметно улучшить удельные энергетические характеристики N₂- лазера. Использовались наиболее распространенные для ВГЛ резонаторные конфигурации (обозначим их А, Б, В), обладающие наименьшими потерями связи: плоское зеркало (R = ∞) вблизи торца волновода на расстоянии z = 8 мм от него (А), сферическое зеркало с радиусом кривизны R на расстоянии R от торца волновода (R = 22 см; Б) и сферическое зеркало с радиусом кривизны R на расстоянии z от торца волновода (R = 48 см; В), причем в этом случае для волновода радиусом а

z = R - b²/z,         (1)

где

b = πw²₀/λ   w₀ = 0,645а.      (2)

Расчетные потери на проход для основных волноводных мод низшего порядка без учета кривизны и шероховатости внутренней поверхности волновода не превышали 0,5 %. Во всех резонаторных конфигурациях использовались глухие зеркала с алюминиевым покрытием. Разряд формировался при подаче на электрод А (рис. 1) одиночных импульсов отрицательной полярности с напряжением 50 - 70 кВ и временем нарастания 15 нс.

Рис. 1. Схема накачки N₂-ВЛ со скользящим разрядом

Импульс формировался с помощью импульсного трансформатора, при этом наблюдалась сверхсветимость на переходе  молекул N₂ (λ = 337 нм). При накачке емкостным и продольным разрядами (рис. 2, а, б) исследовалась резонаторная конфигурация с плоскими зеркалами, размещенными у торцов волновода, для трубок различного диаметра.

Рис. 2. Схемы накачки N₂-ВЛ с продольным (а)  и емкостным (б) разрядами

Амплитудно-частотные характеристики N₂- лазера исследовались при накачке емкостным, скользящим и продольным разрядами. Использовались трубки диаметром d = 0,4 ; 0,65 и 1,5 мм и длиной 13 см. Генератор повторяющихся высоковольтных импульсов был собран по схеме удвоения напряжения с использованием тиратрона ТГИ 1000/25, управляемого генератором импульсов прямоугольной формы. При работе с большой ЧСИ применялось водяное охлаждение разрядной рубки. Резонатор был образован плоским глухим зеркалом и кварцевой пластинкой, помещенными у торцов разрядной трубки. Излучение регистрировалось с помощью калиброванного фотодиода ФЭК-22.

Экспериментальные  результаты

Исследование пространственных характеристик        

Зависимость пространственного распределения излучения N₂-ВЛ от резонаторной конфигурации изучалась по фотографиям пучков в дальней зоне дифракции для резонаторных конфигураций А, Б, В. Распределение интенсивности в сечении лазерного пучка показано на рис. 3, где приведены также относительные интенсивности излучения в зависимости от безразмерного параметра kax/l (к — постоянная распространения излучения в свободном пространстве, х — поперечная координата в плоскости наблюдения и l — расстояние от конца волновода до плоскости наблюдения).

Рис. 3. Распределения интенсивности по сечению в лазерном луче для резонаторных конфигураций А (1), Б (2), В (3) в режиме сверхсветимости и расчетная зависимость для ЕН₁₁ (4)

Сопоставление распределений интенсивности с результатами теоретического расчета [8] обнаруживает существенное отличие экспериментальных кривых от теоретической зависимости для моды ЕН₁₁ и указывает на более высокий поперечный модовый состав излучения. Расходимость лазерного излучения по уровню 0,5 в дальней зоне составляет 14 (конфигурация А), 18 (конфигурация Б) и 6 мрад (конфигурация В), а расчетная расходимость для ЕН₁₁ равна 1,3 мрад. Характерный для режима сверхсветимости высокий коэффициент усиления не позволял получать генерацию на низшей волноводной моде ЕН₁₁. В резонаторной конфигурации Б энергия генерации была на 20 % выше, чем в конфигурации А, на 60 % выше, чем в конфигурации с «модовым фильтром» В, и составляла (при р = 75 мм рт. ст. и напряжении разряда U = 70 кВ) E_r = 1 мкДж.
Наблюдаемое изменение мощности излучения в различных резонаторных конфигурациях может быть связано как с изменением потерь связи для различных резонаторных конфигураций, так и с изменением модового состава излучения (интеграл перекрытия поля с профилем коэффициента усиления может возрастать). Распределение интенсивности излучения N₂- лазера в режиме генерации при накачке емкостным разрядом для трубки диаметром 1,5 мм обнаруживает пространственную локализацию усиления (рис. 4) у стенок капилляра (рис. 4, кривая 2).

Рис. 4. Пространственное распределение интенсивности генерации по сечению при использовании и качестве резонатора плоских зеркал у торцов волновода для продольного (1) и емкостного (2, 3) разрядов с d = 0,65 (3) и 1,5 мм (1,2)

В случае использования трубок меньшего диаметра (менее 0,65 мм) происходит перекрытие областей с высоким усилением, что приводит к переходу на генерацию с распределением интенсивности, близким к гауссову.
При использовании волноводной ячейки для улучшения пространственной структуры пучка генерации нами был реализован одномодовый режим. В этом случае применялась разрядная трубка диаметром 0,65 мм и длиной 20 см. Сферические глухое и выходное зеркала образовывали конфигурацию «модовый фильтр», описанную выше. Накачка проводилась продольным разрядом, дающим наиболее однородное распределение усиления по сечению капилляра. Введение с помощью выходного 4 % - ного зеркала обратной связи позволило, во-первых, снизить необходимый энерговклад и тем самым уменьшить коэффициент усиления, а во-вторых, более полно использовать селективные свойства резонатора, что в свою очередь улучшило пространственные характеристики генерации (рис. 5).

Рис. 5. Пространственное распределение интенсивности генерации N₂-ВЛ с резонатором «модовый фильтр» в дальней зоне

Исследование энергетических характеристик N₂-ВЛ

Нами были сняты зависимости энергии импульса генерации N₂-лазера от давления газа. Измерения проводились при накачке продольным, емкостным и скользящим разрядами (рис. 6).

Рис. 6. Зависимость энергии импульса генерации от давления газа для продольного (1, 2) и емкостного разрядов (3), а также скользящего разряда в продольной (4) и емкостной (5) стадиях при d = 0,65 (1, 3-5) и 0,45 мм (2)

Как видно из приведенной зависимости, для продольного разряда оптимальное давление составляло 6,7 мм рт. ст. для d = 0,65 и 8,3 мм рт. ст. для d = 0,45 мм. Увеличение оптимального давления, по-видимому, связано с влиянием прилипания электронов к стенкам разрядной трубки. Для емкостного разряда характерны повышение оптимального давления до 17 мм рт. ст. и более пологий оптимум по давлению газа в сравнении с продольным разрядом (кривая 3). При накачке N₂-BЛ скользящим разрядом в импульсе генерации наблюдались два временных пика, обусловленных емкостным (пик /) и продольным (пик II) разрядами (рис. 7).

Рис. 7. Временная зависимость мощности генерации N₂-ВЛ с d = 0,65 мм, накачиваемого скользящим разрядом, при давлении р = 7 (1) и 17 мм рт. ст. (2)

Временная раздвижка этих импульсов объясняется тем, что длительности импульсов генерации при емкостном и продольном разрядах различны и составляют соответственно 2 и 4 нс. Характерным является поведение амплитуд импульсов I и II от давления газа. При более низких давлениях наблюдается оптимум для пика //, соответствующего (рис. 6, кривая 4; рис. 7, кривая 1) продольной фазе, а при более высоких давлениях — оптимум для пика / (рис. 6, кривая 1; рис. 7, кривая 2), соответствующего емкостной фазе разряда. При этом общая длительность генерации на полувысоте составляла 8 нс.

Исследование АЧХ N₂- лазера

 В [14] проанализирована зависимость средней мощности генерации N₂- лазера, накачиваемого продольным разрядом, от ЧСИ. Следуя [14], условие максимума АЧХ для N₂-лазера запишем в виде

А (1 + v_акc/2af_max) = ехр (v_акc/2af_max), (3)

где А — константа, определяемая условиями эксперимента; v_ак — коэффициент аккомодации; f_max — частота, соответствующая максимуму АЧХ; с — тепловая скорость молекул, которую можно оценить, зная вводимую в разряд среднюю мощность и радиус капилляра.
Константа А, зависящая от удельного энерговклада, вообще говоря, также зависит от радиуса капилляра. В общем случае зависимость А от радиуса не установлена, поэтому поведение АЧХ при изменении радиуса на основании (3) определить затруднительно.
Нами была измерена зависимость средней мощности генерации Р_ср от ЧСИ f для продольного и емкостного разрядов в разрядных трубках различного диаметра при разных энерговкладах (рис. 8).

Рис. 8. Зависимость средней мощности генерации от ЧСИ для капилляров с d = 1,5 (1), 0,65 (2, 3, 5) и 0,45 мм (4) при С = 200 (1, 2) и 40 пФ (3—5); накачка продольным (1—4) и емкостным (5) разрядами

Давление газа составляло 7 мм рт. ст. при накачке продольным и 17 мм рт. ст.— при накачке емкостным разрядом, что соответствовало максимуму энергии генерации при напряжении на разряде 30 кВ.
Значения ЧСИ генерации, соответствующие максимумам АЧХ для трубок различного диаметра при накачке продольным разрядом, приведены в таблице.

Видно, что полученные данные хорошо соответствуют критерию подобия 2af_max = const, который следует из уравнения (3). Сравнение кривых 2 и 3 (рис. 8) показывает, что f_max слабо зависит от удельного энерговклада. Сопоставление кривых 2 и 5 показывает более высокую эффективность емкостного разряда по сравнению с продольным для достижения высокой ЧСИ генерации в N₂- лазере. Рассчитанный коэффициент аккомодации для ВеО- керамики v_ak = 1,87*10^-2.
На основании проделанных экспериментов можно заключить, что применение капиллярных разрядных ячеек в импульсно-периодическом лазере позволяет получать достаточно мощное излучение с малой расходимостью. Применение «модового фильтра» достаточно эффективно даже при высоком усилении, соответствующем сверхсветимости на N₂ (λ = 337 нм). Показано, что N₂-BЛ могут работать с высокой (до 7 кГц) ЧСИ без прокачки газа, причем использование трубок меньшего диаметра позволяет повысить предельно достижимую ЧСИ генерации.

1. L.A. Newman. Appl. Phys. Letts, 33, 501 (1978).

2. С.В. Кухлевский, А.С. Проворов, М.Ю. Реушев. Тез. докл. V  Всес. конф. «Оптика лазеров»,—Л. , 1986, с. 57.

3. С.P. Christensen, С. Gordon III, С. Mountoulas, В.J. Feldman, Optics  Letts, 12, No. 3 (1987).

4. S.V. Kukhlevsky, A.S. Provorov, V.V. Salmin, M.J. Reushev. Proc . 2-nd ICLSSBO. Pecs, Hungary, 1988, p. 268—272 .

5. R. Buffa. J. Phys. D, 16, 67 (1983).

6. L.A. Newman. IEEE / QE-17, No. 7 (1981).

7. J.J. Degnan. Appl. Phys, 11, № 1 (1976).

8. R.L. Abrams. Laser Handbook / Ed. Stich.—Amsterdam : North-Holland Publishing Company, 1979, v. 3, p. 43—88.

9. A.H. Свиридов, Ю.Д. Трошкин. Квантовая электроника, 3, 2448  (1976).

10. В.М. Каслин, Г.Г. Петраш . ЖЭТФ, 54, 1051 (1968).

11. А.Н. Свиридов, Ю.Д. Трошкин. Квантовая электроника, 5, 2015  (1978).

12. В.Г. Ильюшко, В.Ф. Кравченко, В.С. Михайлевский. ПТЭ, № 1, 178 (1984).

13. В.Ф. Кравченко, В.Г. Ильюшко, В.С. Михайлевский, В.А. Покунин.  Изв. Северо-Кавказ. научн. центра высшей школы. Сер. Естеств.  науки, 3, 34 (1977).

14. В.Г. Ильюшко, В.Ф. Кравченко. Квантовая электроника, 14, 2209  (1987).