В.В. Антюхов,  А.И. Бондаренко,  А.Ф. Глова,  В.С. Голубев,  О.Р. Качурин,  Л.Л. Колесов,  Е.А. Лебедев,  Ф.В. Лебедев,  Ю.Ф. Суслов,  В.А. Тимофеев

МОЩНЫЙ   МНОГОЛУЧЕВОЙ   СО₂ - ЛАЗЕР,   ВОЗБУЖДАЕМЫЙ РАЗРЯДОМ   ПЕРЕМЕННОГО   ТОКА

Сообщается о создании мощного (Р~ 1 кВт) многолучевого СО₂-лазера непрерывного действия с диффузионным охлаждением газа, возбуждаемого разрядом переменного тока частотой 10 кГц. Приводятся описание конструкции и результаты экспериментов по измерению основных характеристик лазера, включающих измерение угловой расходимости излучения и исследование влияния давления, состава смеси и скорости ее прокачки на мощности выходного излучения лазера. На основании полученных экспериментальных данных и сравнения параметров данного устройства с известными установками обсуждаются его преимущества и перспективы использования в технологических целях.

Предложенная в [1] конструкция многолучевого СО₂- лазера открыла реальные перспективы увеличения мощности и уменьшения габаритов лазерных систем с диффузионным охлаждением рабочей среды, сохранив при этом их основные преимущества; простоту, надежность и экономичность. Если мощность традиционных СО₂- лазеров с диффузионным охлаждением не превышает обычно 1 кВт [2], то уже в пер­вом многолучевом СО₂- лазере [3] нам удалось поднять мощность выходного излучения до 3 кВт при общей длине конструкции ~ 4 м. Дальнейшее увеличение мощности и уменьшение габаритов лазерных устройств данного типа возможно при использовании для возбуждения активной среды разряда переменного тока (РПТ). В [4] сообщалось о параметрах активной среды при таком методе возбуждения, а также приводились результаты макетных экспериментов, подтверждающих целесообразность его использования при разработке малогабаритных лазерных устройств. В данной работе сообщается о создании стационарного многолучевого СО₂- лазера с накачкой РПТ, приводятся основные характеристики устройства и обсуждаются перспективы его использования в технологии.
Схема лазерной установки представлена на рис. 1.

Рис. 1. Схема многолучевого лазера

Лазерная головка 1 состоит из 61 стеклянной трубки 2 длиной ~ 1,2 м и внутренним диаметром 5,5 мм, расположенных параллельно оптической оси резонатора, образованного двумя плоскими зеркалами 3 и 4. Внешний диаметр пучка трубок D = 80 мм. Рабочая смесь СО₂—N₂—Не прокачивалась через набор трубок со скоростью 0,1— 4 м/с. Возбуждение среды осуществлялось емкостным РПТ с частотой 10 кГц. Разрядный ток протекал вдоль осей трубок между специальными металлическими токовводами 5, расположенными с внешней стороны трубок.
Источником питания лазера служил мотор-генератор 6 с повышающим трансформатором 7. Выделяющееся в разряде тепло отводилось прокачиваемым между трубками маслом, циркулирующим по замкнутому контуру с водяным холодильником 8. Глухое зеркало 3 резонатора изготавливалось из меди. В качестве выходного зеркала 4 использовались плоскопараллельные пластины из монокристаллического германия и селенида цинка без покрытий, а также пластина из арсеннда галлия с покрытиями, обеспечивающими прозрачность 65 %.
Выходная мощность излучения лазера измерялась калориметрически по изменению температуры теплоизолированного конуса, а также с помощью стандартного измерителя, на вход которого подавалась часть излучения, отраженного от пластины из КСl. Расходимость излучения лазера определялась из измерений распределения интенсивности в фокальном пятне длиннофокусной (F = 2 м) линзы, фокусирующей часть излучения, отраженного от пластины из КСl. С помощью вращающегося зеркала исследуемый лазерный пучок сканировался по расположенной в фокальной плоскости линзы диафрагме, за которой располагался приемник излучения. Скорость прокачки смеси определялась по измерению перепада статического давления на трубке известной длины.
Выходная мощность излучения лазера зависела от давления и состава рабочей смеси, прозрачности резонатора θ и вкладываемой в разряд электрической мощности W. Зависимости выходной мощности Р от давления рабочей среды имели слабовыраженный максимум. Оптимальное давление возрастало с увеличением относительного содержания Не в смеси и изменялось от 20 мм рт. ст. для смеси СО₂ : N₂ : Не = 1 : 1 : 3 до 40 мм рт. ст. для смеси СО₂ : N₂ : Не =1:1:8. При фиксированных значениях вкладываемой электрической мощности с увеличением содержания гелия возрастало и максимальное значение Р. Для указанных смесей это возрастание составляло 30—40 %. Максимальная мощность излучения лазера для одинаковых значений вкладываемой мощности, давления и состава смеси достигалась на выходном зеркале из германия (θ = 45 %). Увеличение прозрачности до 65 % (пластины из селенида цинка и арсенида галлия) сопровождалось уменьшением Р в 1,3 раза.
Типичная зависимость Р от W представлена на рис. 2.

Рис. 2. Зависимость мощности излучения лазера от вкладываемой в разряд электрической мощности для смеси СО₂ : N₂ : Не = 1 : 1 : 6, р = 30 мм рт. ст. при использовании в качестве выходного зеркала германиевой пластины (●) и пластины из селенида цинка (о).

Максимальная мощность излучения 1,2 кВт была получена на смеси 1:1:8 при использовании германиевого выходного зеркала и W = 9 кВт. Удельный съем излучения с единицы длины разрядной трубки составил при этом 17 Вт/м, а электрооптический КПД лазера 13 %. Полагая КПД мотор-генератора равным 0,8 % и КПД трансформатора ~ 0,95 %, а также учитывая энергозатраты на прокачку смеси и охлаждающего масла, можно оценить полный КПД лазера η ≈ 9 %. Такие значения η в 1,5—2 раза превышают типичные КПД для быстропроточных лазеров [5]. Выходная мощность излучения в наших экспериментах ограничивалась возможностями источника питания. Согласно оценкам [4,6] ее значение можно увеличить в 1,5—2 раза.
Влияние скорости прокачки газа на мощность излучения лазера исследовалось на смеси 1:1:6 при давлении 30 мм рт. ст. и W = 9 кВт. Усредненная по сечению эффективная плотность тока в разрядной трубке <J> ≈ 30 мА/см², а удельный вклад мощности <JE> ≈ 6 Вт/см³ (Е — электрическое поле). Изменение средней скорости прокачки газа <v> от 0,1 до 4 м/с практически не сказывалось на Р. При < v> ≤ 0,1 м/с наблюдалось изменение режима горения разряда и ухудшение его стабильности.
Причины этого эффекта в данной работе не исследовались. Независимость Р от <v> при ее изменении в указанном диапазоне можно объяснить, используя данные [7]. Согласно им степень диссоциации СО₂ в смеси вначале возрастает, а затем насыщается, причем в условиях, близких к нашим, время насыщения составляет ~ 0,2 с. В условиях эксперимента минимальное время прокачки смеси через зону разряда составляло ~ 0,3 с, поэтому изменение <v> могло не сопровождаться изменением степени диссоциации СО₂. Увеличение скорости прокачки до <v> ≥ 6 м/с, возможно, приведет к росту выходной мощности лазера, однако целесообразность такого увеличения требует дополнительного обоснования, ибо оно будет сопровождаться возрастанием энергозатрат на прокачку смеси и появлением неоднородности параметров среды по длине лазера.
Проанализируем эффективность использования рабочей среды W_g=PlG, где G — расход газа в описываемом лазере. При <у> ≈ 0,1 м/с и 1 кВт W_g для рабочей смеси 1:1:6 при р = 30 мм рт. ст. составляет ≈ 0,3 МДж/г, что в 10—100 раз превышает соответствующие W_g для быстропроточных лазеров замкнутого цикла в отсутствие систем регенерации, когда для поддержания активных свойств среды ее необходимо обновлять с расходом 0,1 — 1 % [5] от расхода смеси через газоразрядную камеру.
Поскольку генерация в отдельных разрядных трубках многолучевого лазера происходит независимо, можно ожидать, что расходимость излучения такой лазерной системы γ не будет лучше дифракционной расходимости излучения одной трубки γ₁. Непараллельность трубок, а также дефекты в оптических элементах устройства могут лишь ухудшить величину γ, и с практической точки зрения необходимо знать, насколько различаются γ и γ₁. Типичное распределение интенсивности излучения лазера в фокальной плоскости линзы приведено на рис. 3.

Рис. 3. Угловое распределение интенсивности (1) и мощности (2) излучения лазера в дальней зоне

В пределах точности измерений это распределение совпадает с распределением излучения от одной трубки, а угол расходимости, соответствующий полувысоте интенсивности, составляет 0,8 ± 0,1 мрад, что близко к расходимости каждого отдельного луча. Вид распределения свидетельствует об одномодовом режиме работы многолучевого лазера. Угловое распределение интенсивности с хорошей точностью соответствует волноводной моде ЕН₁₁ [6]. Как следует из рис. 3, половина мощности сосредоточена в конусе с половинным углом раствора α_1/2 ≈ 0,8 мрад. Полагая минимально допустимое фокусное расстояние безаберрационной линзы F_min ≈ 5 D, нетрудно видеть, что усредненная по углу α_1/2 плотность мощности в фокальном пятне достигает ~ 0,1 МВт/см², что делает описанный лазер пригодным для многих технологических операций.
Одной из отличительных особенностей многолучевых лазеров является их компактность и простота конструкции. Эти преимущества наглядно иллюстрируются приведенными в таблице данными о типичных габаритных размерах лазерных головок, определяемых в основном длиной разрядных трубок /_тр, а также числом зеркал резонатора N₃ (/V_TP — число разрядных трубок, СРПТ — самостоятельный разряд постоянного тока).

Как видно из приведенных данных, многолучевая конструкция позволяет, во-первых, существенно сократить число зеркал и юстировочных узлов, а следовательно, упростить эксплуатацию лазеров и, во-вторых, даже при неоптимальных значениях удельного съема излучения с единицы длины разрядной трубки в несколько раз поднять величину мощности излучения, снимаемого с единицы длины конструкции.
Подводя итоги, можно сказать, что использование РПТ для возбуждения многолучевых СО₂- лазеров позволяет существенно упростить их конструкцию, уменьшить габариты лазерной головки и открывает перспективы создания простых и надежных малогабаритных лазерных устройств для технологии.

1  J.Р. Сrаnсоn, В. Lavаriri. Патенты Франции № 2092912 и 2108912  кл. H01S 3/ 00, 1972.

2  М.Ф. Стельмах. В кн.: Лазеры в технологии / Под ред. М.Ф. Стельмаха. — М.: Энергия, 1975.

3  Г.И. Козлов, В.А. Кузнецов, В.А. Масюков. Письма в ЖТФ  4, 129 (1978).

4  В.В. Антюхов, А.Ф. Глова, О.Р. Качурин, Ф.В. Лебедев.  Квантовая электроника 7, 425 (1980).

5  Г. Абильсиитов, Л.И. Антонова, А.В.Артамонов и др. Квантовая электроника, 6, 204 (1979).

6  J.J. Degnan.Appl. Phys., 11, 1 (1976).

7  Н.И. Очкин.  Труды ФИАН, 78, 3 (1974).

8  J.J. Spalding. Optics and laser technology, Jsfc  1, 29 (1978).

9  E.V. Locke. Optics engineering, 17, № 3, 192 (1978).