П. А. Бохан, В. Н. Николаев, В. И. Соломонов

ОТПАЯННЫЙ   ЛАЗЕР   НА  ПАРАХ   МЕДИ

В последнее время в связи с развитием лазерного зондирования атмосферы и широким применением лазеров в других областях науки и техники возникла необходимость в мощных импульсных лазерах, работающих в видимом диапазоне оптического спектра с большой частотой следования импульсов. Подходящими для этой цели параметрами обладает лазер на парах меди [1], который может работать с очень большой частотой следования импульсов [2]. Трудности, связанные с использованием высокотемпературной техники, необходимой для достижения рабочей температуры (более 1500° С), при этом частично снимаются, так как разогрев рабочей среды можно осуществлять за счет диссипации энергии, вводимой в разряд [1].
Для зондирования атмосферы нами разработан импульсный саморазогревный оптический квантовый генератор на парах меди, работающий на зеленой (λ = 510, 6 нм) и желтой (λ = 578,2 нм) линиях, со средней мощностью излучения около 2 Вт и регулируемой в пределах 6... 15 кГц частотой следования импульсов.

Газоразрядная трубка. Конструкция газоразрядной трубки представ­лена на рис. 1.

Рис. 1. Конструкция газоразрядной трубки:
1 — основная газоразрядная трубка
2 — цилиндрические коваровые переходы
3 — патрубки
4 — выходные окна
5 — вкладыш
6 — рабочие электроды
7 — цилиндрический теплоизолятор
8 — асбоцементные фланцы.

К торцам основной высокотемпературной газоразрядной трубки, изготовленной из бериллиевой керамики высокой чистоты (длина трубки 600 мм, внутренний и внешний диаметры 11 и 14,5 мм соответственно), вакуумно-плотно припаяны цилиндрические коваровые переходы со стеклянными патрубками, к которым приклеены под углом Брюстера выходные окна. Для предохранения основной трубки от тепловых ударов, возникающих при включении лазера, в нее вставлен вкладыш из той же керамики с внутренним диаметром 7 мм. Рабочие электроды, выполненные в виде цилиндров из тонкой ниобиевой фольги, размещены непосредственно во вкладыше, в «горячей» зоне трубки. Таким образом, создан разрядный промежуток длиной 400 и диаметром 7 мм. Длина разрядного промежутка ограничена величиной применяемого рабочего напряжения.
Основная трубка помещена в цилиндрический теплоизолятор. Его внутренней стенкой служит газоразрядная трубка, наружной — фарфоровая трубка с внешним диаметром 80 и длиной 600 мм. Пространство между ними заполнено порошком двуокиси циркония. Такая система теплоизоляции при рабочей температуре газоразрядной трубки 1500° С рассеивает ~ 1 квт мощности, и ее несомненным преимуществом перед теплоизолятором, объединенным с разрядным объемом, является простота изготовления, высокая чистота рабочей смеси лазера и возможность работы с любыми буферными газами, включая гелий, в которых реализуется наибольшая температура электронов.
Резонатором служит система двух плоских зеркал. Роль выходного зеркала выполняет плоскопараллельная стеклянная пластина, второе зеркало с диэлектрическим покрытием имеет коэффициент отражения 0,99 в зеленой области оптического спектра.
Перед работой газоразрядная трубка обезгаживается, загружается медью, заполняется гелием до давления 20 мм рт. ст. и отпаивается.

Блок питания. Для достижения высокой эффективности медного лазера его необходимо возбуждать короткими и мощными импульсами тока с крутым передним фронтом. Промышленные коммутаторы, работающие с указанной выше частотой (тиратроны), не обеспечивают ни крутой фронт, ни малую длительность импульса коммутируемого тока. Поэтому коммутатор желательно вынести из цепи газоразрядной трубки таким образом, чтобы возбуждающий импульс практически целиком определялся параметрами ее разрядной цепи и самой трубкой, а не тиратроном.
С другой стороны, во всех газоразрядных приборах на передний фронт импульса тока существенное влияние оказывает задержка развития разряда. Время задержки уменьшается с увеличением крутизны прилагаемого импульса напряжения, однако это ведет, в свою очередь, к увеличению амплитуды пробивного напряжения [3]. Таким образом, возникает необходимость работы с высоким напряжением.
В силу указанных причин при конструировании блока питания медного лазера была разработана схема (рис. 2), использующая принцип удвоения напряжения Блюмляйна, нашедший широкое применение в азотных лазерах с поперечным разрядом [4].

Рис.2   Схема блока питания

Как видно, здесь коммутатор (Л₂) вынесен за разрядный контур лазерной трубки, а потенциал относительно земли любого элемента схемы почти вдвое меньше разности потенциалов, возникающей на газоразрядной трубке (~ 24 кВ). Это существенно уменьшает габаритные размеры прибора, так как снижаются требования к электрической прочности всей схемы, и облегчает условия работы коммутатора, в качестве которого использован водородный металлокерамический тиратрон ТГИ1-500/16.
Для обеспечения длительной устойчивой работы тиратрона на его сетку подается постоянное отрицательное смещение (V_С = 300 В, /_С = 150 мА) и поджигающий импульс напряжения положительной полярности с амплитудой 2 кВ и длительностью 300 нс. При таком режиме поджига с помощью тиратрона можно формировать импульсы тока амплитудой 300 А и длительностью 180 нс без заметного удлинения переднего фронта с частотой посылок импульсов до 15 кГц.
Регулировочная индуктивность L, необходимая для согласования импульса коммутации с задержкой развития разряда, подстраивается на данную активную среду только один раз, обеспечивая согласование во всех температурных режимах газоразрядной трубки.
Использование вместо обычно применяемых зарядных резисторов дросселя Д_р и вакуумных диодов Д₁ и Д₂ позволило резонансно заряжать рабочие емкости C₁ и С₂, значительно уменьшило потери мощности при протекании зарядного тока и практически устранило токи утечки во время возникновения на электродах трубки разности потенциалов, поскольку вакуумные диоды обладают большой электрической прочностью.
С помощью описанной схемы удалось сформировать импульсы возбуждающего тока амплитудой более 500 А и длительностью по полувысоте около 40 нс (рис. 3), которые могут следовать с частотой до 15 кГц. Осциллограммы тока сняты с помощью поясов Роговского ПР₁ и ПР₂.

Рис. 3. Осциллограммы импульсов тока: а — суммарный импульс коммутационного и возбуждающего тока (пояс ПР₂, рис. 2); б — возбуждающий импульс тока (пояс ПР₁ рис. 2).

В конструктивном выполнении вся схема питания (рабочие конденсаторы С₁ и С₂, регулировочная индуктивность L и тиратрон Л₂) вместе с газоразрядной трубкой Л₁  размещена в корпусе головки лазера ЛГ-36. Остальная часть схемы собрана в отдельном блоке.

Параметры ОКГ. Средняя выходная мощность излучения регистрировалась измерителем мощности ИМО- 2 и составляла 0,25 Вт/кГц, что соответствует двум ваттам при частоте следования импульсов 8 кГц. Форма импульса снималась фотоприемником ФК-2 и осциллографом CI-II. Амплитудная мощность излучения составляла 25 кВт при длительности по полувысоте 10 нс, время достижения полной мощности — 30 мин (после включения ОКГ в работу из холодного состояния).
Из-за сравнительно низкой эффективности теплоизолятора при указанных частотах следования импульсов и напряжениях для достижениях приемлемых рабочих температур оказалось необходимым применить емкости C₁ и С₂, заведомо большие оптимальных. По этой причине полный КПД лазера составил около 0,2 %, а удельная выходная энергия 16 мкДж/см³ .
Для увеличения КПД необходимо повышать эффективность теплоизоляции. В нашем случае уменьшение тепловых потерь возможно за счет герметизации теплоизолятора с последующим вакуумированием его или заполнением газом с малой теплопроводностью (Аr, Хе, Кr), так как при прочих одинаковых условиях тепловые лагери определяются теплопроводностью заполняющего теплоизолятор газа.
Измерение рабочей температуры Т_P трубки показало, что она не превышает 1500° С. Эксперименты, проведенные с помощью высокотемпературной техники, описанной в работе [5], показали, что при увеличении Т_P свыше 1500° С мощность и энергия лазерного излучения продолжают расти без заметного насыщения (рис. 4). Следовательно, для увеличения удельной энергии медного лазера необходимо увеличивать его рабочую температуру. В наших условиях последняя была ограничена мощностью блока питания.
В заключение следует отметить, что данный прибор может использовать в качестве активной среды не только пары меди, но и пары целого ряда металлов (Рb, Au, Еu и др.), на которых возможна генерация на самоограничивающихся переходах.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. А.А. Исаев, М.А. Казарян, Г.Г. Петраш. «Письма в ЖЭТФ», 16, 1  (1972).

2. П.А. Бохан, В.И. Соломонов. «Квантовая электроника», под ред. Н.Г. Басова, № 6 (18), 53 (1973).

3. В.W. Woodward, V.J. Ehlers, W.С. Lineberger. Rev. Sci. Instrum.,  44, 7 (1973).

4. J.D. Shipman. Appl Phys. Letts, 10, 3 (1967).

5. П.А. Бохан, E.С. Букова, Г.С. Кияшкина, В.М. Климкин, В.И.Соломонов.   «Приборы и техника эксперимента», № 2 (1974).