Н. А. Лябин, В. В. Зубов, А. Д. Чурсин

АКТИВНЫЙ   ЭЛЕМЕНТ   НА   ПАРАХ   МЕДИ  ДЛЯ   МОЩНЫХ ЛАЗЕРНЫХ  СИСТЕМ   ТИПА   ГЕНЕРАТОР-УСИЛИТЕЛЬ

Исследованы основные характеристики экспериментального лазерного активного элемента на парах меди с объемом активной среды 350 см³, созданного на элементной базе промышленного прибора ГЛ-201 (250 см³). В режиме генератора полная средняя мощность излучения лазера с плоским резонатором составила 30 Вт, с плоскосферическим — 35 Вт при КПД  0,8— 0,9 %. В режиме усилителя (в лазерной системе задающий генератор — пространственный фильтр - коллиматор — усилитель мощности) с использованием прибора ГЛ-201 в качестве генератора достигнут съем мощности 54 Вт при КПД  1,3 %. Полная выходная мощность системы составила 60 Вт при КПД  0,8 % и расходимости пучка, близкой к дифракционной.

Активная среда лазеров на парах меди наиболее эффективно используется в системах, построенных по схеме задающий генератор — усилитель мощности [1—3]. Повышение выходной мощности таких систем может быть достигнуто как наращиванием числа усилителей, так и увеличением их активного объема. Представляет интерес оценить технико-экономическую целесообразность этих методов.
В настоящей работе представлены основные результаты исследований лазерного активного элемента (ЛАЭ) с объемом активной среды 350 см³, созданного на базе промышленного ЛАЭ типа ГЛ-201 с разрядным каналом диаметром 2 см (250 см³) [1—5]. Увеличение активного объема экспериментального ЛАЭ, условно названного ГЛ-201Д, достигнуто удлинением разрядного канала (межэлектродного расстояния) с 93 (ГЛ-201) до 123 см.
Длина активной части канала ГЛ-201 80 см, ГЛ-201Д - 110 см. В конструкции экспериментального прибора использованы только унифицированные узлы и детали серийного прибора. Габаритные размеры ГЛ-201Д  Ø 14 х 160 см.

1 Экспериментальная установка  

Схема экспериментальной установки показана на рис. 1.

Рис. 1. Схема экспериментальной установки

ЛАЭ 1 с целью снижения волнового сопротивления помещен в экран 2, изготовленный из восьми медных полос размером 1,5 х 120 см. Диаметр экрана у анодного электрода 14 см, а у катодного — 20 см. Разогрев и возбуждение ЛАЭ осуществлялись от импульсного источника питания на базе тиратрона 3 типа ТГИ1—2500/50 с подмодулятором 14 (тиратрон ТГИ1 2000/35 при коммутируемых мощностях более 4 кВт работает неустойчиво). Высоковольтное питание на анод тиратрона подавалось от выпрямителя 4 через зарядный дроссель 5. Для повышения эффективности возбуждения ЛАЭ использовалась схема питания с повышающим автотрансформатором 6 (коэффициент трансформации 1:2) и нелинейным сжимающим дросселем 7 [1—5].
Дроссель представлял собой водоохлаждаемую медную трубку с плотно нанизанными на нее ферритовыми кольцами К20 х 12 х 6 марки M1000 НМ. Конденсаторы 8 и 9 имели емкости 2,2 и 0,5 нФ соответственно. Емкость обострительного конденсатора 10, подобранная экспериментально, составляла 0,16 пФ. Частота следования импульсов 8,6 кГц. Через патрубки 15 и 16 осуществлялись соответственно напуск и откачка буферного газа неона.
Характеристики излучения ЛАЭ ГЛ-201Д исследовались в трех режимах работы: в режиме генератора с плоским и плоскосферическим (радиус кривизны «глухого» зеркала 11 был равен 3 м) резонаторами, в режиме сверхсветимости с одним выпуклым зеркалом (радиус 0,6; 1; 2; 3 или 5 см) и в режиме усилителя. Длина резонатора составляла около 170 см. Выпуклое зеркало устанавливалось на расстоянии 10 см от окна ЛАЭ.
В качестве выходного зеркала в резонаторах использовалась прозрачная плоскопараллельная пластина 12. Покрытие глухих зеркал резонаторов и выпуклых зеркал — многослойное диэлектрическое с коэффициентом отражения 0,98—0,99.
Мощность излучения измерялась термоэлектрическим приемником 13 типа ТИ-3.

2   Выбор  давления  буферного  газа  в  ЛАЭ и  оптимизация    схемы  возбуждения

На рис. 2 показана экспериментальная зависимость средней мощности излучения (кривая 1) от давления неона в оптимальном температурном режиме работы ЛАЭ с плоскосферическим резонатором (число ферритовых колец дросселя составляло 80 шт.).

Рис. 2. Зависимости средней мощности излучения ЛАЭ Р_изл (1) и мощности выпрямителя источника питания Р_п (2) от давления буферного газа неона

Из хода кривой 1 следует, что изменение давления неона от 120 до 600 мм рт. ст. приводило к снижению мощности излучения с 31 до 23 Вт. При давлении 120 мм рт. ст. в оптимальном температурном режиме ЛАЭ от выпрямителя потреблялась мощность около 4,3 кВт (кривая 2), а при 600 мм рт. ст. 3,9 кВт, т. е. на 10 % меньше.
Снижение потребляемой мощности связано с уменьшением потерь в тиратроне при повышении давления неона. Для достижения приемлемой долговечности прибора рабочее давление неона в ЛАЭ было выбрано равным 180 мм рт. ст. При этом принималось во внимание то обстоятельство, что ресурс ЛАЭ ГЛ-201, работающего при давлении 250 мм рт. ст., составляет 1000—1500 ч.
Оптимизация схемы возбуждения проводилась по емкости обострительного конденсатора и количеству ферритовых колец нелинейного дросселя. В качестве обострительного конденсатора использовался набор последовательно соединенных малоиндуктивных конденсаторов типа КВИ-3. Характеристики излучения измерялись при емкостях 120, 160, 235 и 500 пФ. При емкости 160 пФ мощность излучения достигала максимума, и обострительный конденсатор такой емкостью был принят за рабочий.
При оптимизации нелинейного дросселя количество ферритовых колец изменяли от 80 до 230 (рис. 3, а).

Рис. 3. Зависимости средней мощности излучения ЛАЭ с плоскосферическим резонатором (1), мощности выпрямителя (2), мощности, вкладываемой в разряд, (3) и потерь мощности в тиратроне (4) (а), а также светового КПД ЛАЭ по вкладываемой в разряд мощности (1) и по мощности выпрямителя источника питания (2) (б) от числа ферритовых колец нелинейного сжимающего дросселя

При этом потери мощности на тиратроне и дросселе определялись калориметрически и составляли соответственно 20—25 и 7—10 % мощности выпрямителя. Как видно из рис. 3 (а), с увеличением числа ферритовых колец мощность излучения возрастает и, начиная с n = 180 — 200, наблюдается тенденция к насыщению. При n = 230 была достигнута максимальная мощность излучения 37,5 Вт. Мощность выпрямителя для этой точки составляла 5 кВт, напряжение на аноде тиратрона 24,5 кВ. На основании данных рис. 3, а были построены кривые (рис. 3, б), характеризующие световой КПД ЛАЭ по вкладываемой в разряд мощности (1) и по мощности выпрямителя (2). Максимум КПД как в первом (1,1 %), так и во втором случае (0,8 %) достигался при n = 150. В режиме, соответствующем этой точке, мощность излучения составляла 35 Вт при мощности выпрямителя 4,3 кВт и напряжении на аноде тиратрона 23 кВ. В этом случае длительности (по основанию) и амплитуды импульсов разрядного тока и напряжения на ЛАЭ были соответственно 140 нс и 0,4 кА, 70 нс и 28 кВ. Указанный режим питания был принят за номинальный, и дальнейшие исследования (и испытания в течение 160 ч) проводились именно в нем.

3.   Работа  ЛАЭ  в  режимах  генератора и  сверхсветимости  с одним  выпуклым  зеркалом

Активный элемент ГЛ-201 Д в режиме генератора испытывался с плоским и плоскосферическим резонаторами. Суммарная средняя мощность излучения с плоским резонатором составляла ~ 30 Вт, с плоскосферическим — 35 Вт, длительность импульсов излучения по основанию 30 нс. Около 70 % мощности в обоих случаях было сосредоточено в пучках, сформированных резонатором, а остальные 30 % — в двух (всегда присутствующих) пучках сверхсветимости [1]. Первый пучок сверхсветимости формируется только суммарной геометрической апертурой разрядного канала, второй — глухим зеркалом резонатора и выходной апертурой канала, при этом в первом пучке сосредоточено лишь 1—2 % мощности. Углы распространения а этих пучков составляют соответственно окаю 40 и 15 мрад.
При использовании плоского резонатора расходимость излучения, сформированного непосредственно резонатором, не превышает 3 мрад, что примерно в 3,5 раза меньше, чем в плоскосферическом случае, и в 45 раз больше дифракционного предела (0,07 мрад). Обычно для формирования пучков с малой расходимостью применяют неустойчивый резонатор телескопического типа [1, 2, 6]. В этом случае, как и с устойчивым резонатором, выходное излучение имеет многопучковую структуру [2]. Для получения на выходе лазера лишь одного узконаправленного пучка в [3, 4] предложено работать с одним выпуклым зеркалом.
В режиме с одним зеркалом в выходном излучении присутствуют всего два пучка сверхсветимости: с α = 40 и 15 мрад. Характеристиками излучения второго пучка (15 мрад), в отличие от первого, можно управлять в широких пределах, изменяя радиус кривизны выпуклого зеркала. При радиусах, на 2—3 порядка меньших расстояния от зеркала до выходной апертуры канала, пучок излучения обладает высокой когерентностью (хорошим качеством), благодаря чему его можно легко сколлимировать в узконаправленный пучок, сфокусировать в пятно малого диаметра с высокой плотностью средней мощности (1 — 10 МВт/см²), а также отделить с по­мощью пространственного фильтра от фонового пучка с низкой когерентностью (с α = 40 мрад). Расходимость сколлимированного качественного пучка может быть рассчитана по формуле [3, 4]

θ = RD_к /l [R+(D/D_K) (R + 2l ]+ θ_д   ,      (1)

где R — радиус выпуклого зеркала

 D_K — диаметр выходной апертуры разрядного канала

 l — расстояние от зеркала до выходной апертуры канала

 D — диаметр сколлимированного пучка

θ_д = 2,44 λ / D  — дифракционная расходимость излучения длиной волны λ. Если D = D_к, фор­мула (1) принимает упрощенный вид:

θ = RD_к / 2 l ( R + l) + θ_д           (2)

На рис. 4 показаны зависимости суммарной средней мощности излучения ЛАЭ ГЛ-201Д (кривая 1), мощностей излучения в фоновом (2) и качественном (3) пучках, а также расходимости качественного пучка (4), рассчитанной по формуле (2), хорошо согласующейся с экспериментальными данными, от радиуса выпуклого зеркала.

Рис. 4 Зависимости суммарной средней мощности излучения ЛАЭ (1), мощности излучения в фоновом (2) и качественном (5) пучках, а также расчетной расходимости качественного пучка (4) от радиуса выпуклого зеркала

Из рисунка видно, что изменение радиуса зеркала от 0,6 до 5 см приводит к изменению мощности в качественном пучке от 3 до 13 Вт, а расходимости — от 0,1 до 0,3 мрад.
С промышленным ЛАЭ ГЛ-201 из-за меньшего расстояния l такие же расходимости достигаются при меньших радиусах кривизны зеркала. Так, с ГЛ-201Д пучок расходимостью 0,3 мрад формируется при R = 5 см (см. рис. 4), а с ГЛ-201 — при R = 3 см, но в последнем случае мощность излучения примерно в 2 раза меньше, чем в первом. С уменьшением радиуса зеркала эффективность ГЛ-201Д по отношению к ГЛ-201 возрастает, достигая превышения по мощности излучения на дифракционном уровне расходимости (~ 0,1 мрад) в 5—10 раз. Поэтому для формирования мощного узконаправленного однопучкового излучения экономически более выгодно применять длинные ЛАЭ.

4. Работа  ЛАЭ  в режиме  усилителя

При исследовании характеристик ЛАЭ ГЛ-201Д в режиме усилителя в качестве задающего генератора использовался ГЛ-201 с одним выпуклым зеркалом. Между генератором и усилителем был установлен пространственный фильтр-коллиматор, предназначенный, как и в [1—3], для выделения узконаправленного пучка генератора и его согласования с апертурой разрядного канала усилителя. Питание ГЛ-201 осуществлялось от источника, идентичного приведенному на рис. 1 (число ферритовых колец дросселя составляло 80 шт., емкость обострительного конденсатора 235 пФ). Синхронизация запуска каналов генератора и усилителя проводилась с помощью регулируемой в пределах ±50 нс линии задержки [2, 3].
На рис. 5 показана зависимость средней мощности излучения на выходе системы генератор усилитель от временной расстройки запуска каналов при радиусе зеркала генератора 5 см.

Рис. 5. Зависимость суммарной средней мощности излучения системы генератор (ГЛ-201) усилитель (ГЛ-201Д) от временной расстройки запуска каналов

Мощность пучка генератора на входе в усилитель составляла 5,3 Вт, на выходе (при отключенном усилителе) — 3,7 Вт. Снижение мощности связано в основном с потерями на окнах усилителя.
При оптимальной настройке системы суммарная выходная мощность излучения составляла 55 Вт, из них 51,3 Вт — съем мощности с усилителя. В таких же условиях съем мощности с ГЛ-201 составлял примерно 30 Вт. Таким образом, увеличение длины активной части канала в 1,4 раза позволило повысить энергосъем в 1,7 раза. Дополнительное приращение мощности связано с улучшением согласования источника возбуждения с удлиненным ЛАЭ и более равномерным распределением температуры вдоль разрядного канала. Из рис. 5 видно, что мощность излучения очень чувствительна к временной расстройке. Например, при расстройке на 3- 4 нс она снижалась на 10—15 %. Поэтому для поддержания системы в оптимальном режиме источник питания должен обладать высокостабильными пара­метрами.

Рис. 6. Зависимости суммарной средней мощности излучения системы (1), съема мощности с усилителя (2) и коэффициента усиления (3) от мощности на входе усилителя; 4 - коэффициент усиления ЛАЭ ГЛ-201

На рис. 6 приведены зависимости мощности излучения системы (кривая 1), съема мощности с усилителя (2) и коэффициента усиления (3) от мощности на входе усилителя. Для сравнения приведен коэффициент усиления ГЛ-201 (4).
Варьирование мощности на входе усилителя осуществлялось изменением радиуса выпуклого зеркала генератора от 0,6 до 10 см. Следует отметить, что расходимость выходного пучка при этом изменялась в пределах 0,2—1 мрад. Из хода кривых 1 и 2 видно, что изменение мощности на входе усилителя от 0,6 до 8,5 Вт привело к увеличению суммарной мощности на выходе системы от 50 до 60 Вт, а съема мощности с усилителя — от 49,5 до 54 Вт. При максимальной мощности излучения световой КПД усилителя по мощности, вкладываемой в разряд, составил ~ 1,7 %, по мощности выпрямителя  ~ 1,3 %. В режиме работы генератора с неустойчивым резонатором (М = 200) при входной мощности 8 Вт выходная мощность излучения составляла около 60 Вт, а расходимость ~ 0,2 мрад. Световой КПД всей системы по мощности выпрямителя 0,8 %. В тех же условиях система из двух ГЛ-201 имеет выходную мощность окаю 35 Вт и КПД 0,5 % [1]. Из сопоставления этих данных следует, что увеличение выходной мощности системы в 1,7 раза достигнуто ценой всего 10 %-ного повышения энергетических затрат.
Дальнейшее повышение энергетических параметров путем удлинения активной зоны изделия ГЛ-201 потребует введения в его конструкцию дополнительных функциональных узлов, предотвращающих разрушение канала из-за тепловых и механических нагрузок при длительной работе в циклическом режиме.

1. В.П. Беляев, В.В. Зубов, А.Д. Чурсин, А. А. Исаев, Н.А. Лябин, Ю.Ф. Соболев. Квантовая электроника, 12, 74 (1985).

2. В.В. Зубов, Н.А. Лябин, А.Д. Чурсин. Квантовая электро­ника, 13, 2431 (1986).

3. В.В. Зубов, Н.А. Лябин, А.Д. Чурсин. Квантовая электро­ника, 15. 1947 (1988)

4. М.А. Лябин. Квантовая электроника. 16,652 (1989).

5. В.В Зубов, Н. А. Лябин, В.И. Мишин, М.Л. Мучник, Г.Д. Паршин, П.Я Черняк, А.Д. Чурсин. Квантовая электроника. 10, 1908 (1983).

6. К.И Земсков, Л. А. Исаев, М.Л. Казарян, Г.Г. Петраш, С.Г. Раутиан, А.М. Шалагин. Квантовая электроника, 4. 863 (1974).