А.Е. Бакарев, Л.С. Василенко, В.Г. Гольдорт, А.Э. Ом, О.М. Схимников
ВОЛНОВОДНЫЙ CO2- ЛA3EP С ИМПУЛЬСНЫМ ВЫСОКОЧАСТОТНЫМ РАЗРЯДОМ
Создан СО2- лазер с волноводным резонатором при давлении рабочей смеси до 3 атм, Для поддержания объемного разряда использовалась последовательность безэлектродных импульсов напряжения высокой частоты (около 30 МГц) при частоте повторения импульсов до 250 Гц. Обсуждается возможность получения непрерывной генерации.
Для решения ряда научных и технических задач в таких областях, как нелинейная спектроскопия, лазерная локация, анализ атмосферных загрязнений, оптоэлектроника и другие, необходимы лазеры ИК диапазона с широкой непрерывной перестройкой частоты излучения. Волноводные СО2- лазеры с настоящее время имеют интервал перестройки около 1 ГГц и мощность непрерывного излучения более 1 Вт [1, 2]. Для накачки рабочей среды в лазерах такого типа используется продольный разряд постоянного тока в капилляре диаметром 1—3 мм в смеси СО2—N2—Не при общем давлении около 0,5 атм [3].
Получение большего диапазона перестройки наталкивается на трудности создания однородного устойчивого разряда при давлениях смеси выше атмосферного, так как уменьшение диаметра капилляра, ограничивающего разряд, становится невозможным из-за быстрого возрастания потерь в резонаторе (волноводные потери) [4]. Кроме того, для поддержания продольного разряда при высоком давлении смеси необходимо большое напряжение, приложенное к разрядной трубке (десятки киловольт).
В данной работе сообщается об использовании импульсного высокочастотного (ВЧ) безэлектродного разряда емкостного типа для возбуждения рабочей смеси волноводного СО2- лазера высокого давления ( ≥ 1 атм). Для того чтобы уменьшить необходимое для поддержания разряда ВЧ напряжение, использовалась поперечная геометрия разряда. При этом использование резонатора волноводного типа позволило получить достаточную активную длину при небольшом напряжении.
Схема экспериментальной установки показана на рис. 1.
Рис. 1. Схема экспериментальной установки
Генератор высокой частоты (ГВЧ) давал прямоугольные импульсы ВЧ напряжения амплитудой 5 кВ, частотой около 30 МГц с частотой повторения импульсов до 250 Гц. Для запуска ГВЧ использовался стандартный генератор прямоугольных импульсов ЗГ типа Г5-15. Напряжение на выходе источника постоянного напряжения (ИПН), который использовался для питания ГВЧ, изменялось в пределах 0—15 кВ.
Разрядная ячейка 1 (волновод) склеивалась эпоксидной смолой из четырех пластин из окиси бериллия (ВеО) длиной 20 см. Канал ячейки имел квадратное сечение 1,5 х 1,5 мм. На верхней и нижней стенках разрядной ячейки крепились медные электроды 2 длиной 17 см и рубашки охлаждения 3 из органического стекла. Стенки разрядной ячейки и электроды охлаждались проточной водой. На концы ячейки наклеивались фланцы из стеклотекстолита с окнами из ZnSe, расположенными под углом Брюстера. Фланцы имели отверстия для прокачки рабочей смеси. Разрядная ячейка подключалась параллельно емкости колебательного контура ГВЧ. Для охлаждения рабочей смеси за время между импульсами ВЧ напряжения использовалась медленная продольная прокачка.
Резонатор лазера был образован двумя сферическими зеркалами (R = 25 см) с плотными золотыми покрытиями, установленными на расстоянии 24 см от концов волновода. Излучение, отраженное от окна разрядной ячейки, регистрировалось фото-приемником ФСГ-22. Типичная форма импульса мощности излучения лазера и ВЧ напряжения на электродах разрядной ячейки показана на рис. 2.
Рис. 2. Осциллограммы мощности излучения лазера Р и огибающей ВЧ напряжения V на электродах разрядной ячейки. Смесь СО2 : N2 : Не = 1 : 1 : 8, общее давление 1,51 атм. Частота ВЧ напряжения 30 МГц.
Всплеск в начале импульса излучения характерен для лазеров с поперечной накачкой и электроионизационных импульсных лазеров и объясняется тем, что населенность верхнего лазерного уровня, необходимая для инверсии, достигается раньше, чем устанавливается лазерное поле в резонаторе. В дальнейшем форма импульса генерации повторяет форму импульса накачки ( квазистационарный режим генерации ). Длительность квазистационарной генерации определяется временем нагрева рабочей смеси до температуры, при которой происходит значительное заселение нижнего лазерного уровня, что приводит к уменьшению усиления ниже порогового значения.
При увеличении уровня накачки мощность генерации растет, а длительность генерации уменьшается, что объясняется большим нагревом рабочей смеси за время импульса ВЧ напряжения. Оптимальная плотность вкладываемой в разряд ВЧ мощности 10 кВт/см3 (смесь СО2 : N2 : Не = 1 : 1 : 8, давление 1,1 атм).
В зависимости от юстировки зеркал резонатора генерация происходила либо на одной из сильных линий переходов 00° 1 — 10°0 и 00° 1 —02°0 молекулы СО2, либо поочередно на нескольких линиях. В случае, показанном на рис. 2, генерация происходит на линии Р (18) перехода 00° 1—02°0.
При увеличении давления от 1 до 3 атм время запаздывания импульса генерации относительно импульса накачки увеличивалось от 3 до 7 мкс, а длительность генерации уменьшалась от 10 до 6 мкс при постоянной длительности импульса накачки 12 мкс.
Максимальное давление, при котором были получены однородный устойчивый разряд и генерация, определялось максимальным значением ВЧ напряжения и составляло 3 атм для смеси СО2 : N2 : Не = 1:1:8.
Метод возбуждения лазерных сред высокого давления импульсным разрядом через диэлектрик исследован в работе [5], где обсуждается также возможность колебательного ввода энергии в разряд для получения непрерывного режима генерации. Безэлектродный ВЧ разряд, в отличие от предложенных ранее различных импульсных способов возбуждения с использованием внутренних электродов [6—8], позволяет получить генерацию в волноводном СО2- лазере высокого давления в непрерывном режиме. По оценкам, для получения непрерывной генерации при атмосферном давлении необходимы быстрая поперечная прокачка смеси со скоростью 50—100 м/с (для ячейки сечением 1,5 х 1,5 мм) и ВЧ генератор, работающий в непрерывном режиме с выходным напряжением 5 кВ и мощностью 10 кВт. Интервал перестройки частоты излучения (оценивался по превышению усиления над потерями в резонаторе лазера) составляет 2—4 ГГц.
Подобный лазер наряду с такими присущими лазерам высокого давления свойствами, как большая мощность излучения и широкий диапазон перестройки частоты, должен иметь достаточно узкую линию излучения, высокую стабильность мощности и частоты, что делает удобным его использование при решении задач молекулярной спектроскопии высокого разрешения и лазерной доплеровской локации. Хорошие параметры импульса излучения (большая длительность, стабильность мощности излучения) позволяют использовать такой лазер в импульсной локации, при анализе атмосферных загрязнении, в фотохимии и т. д. Аналогичными параметрами обладают только лазеры с ионизацией разрядного объема электронным пучком и поперечным разрядом постоянного тока [9], которые являются гораздо более сложными и дорогостоящими приборами. Необходимо отметить, что полностью преимущества безэлектродного ВЧ разряда в газе высокого давления могут быть реализованы только при возбуждении небольших объемов активной среды, например, в волноводном канале, как в нашем случае.
После выполнения данной работы была опубликована статья [10], в которой сообщается об использовании ВЧ безэлектродного разряда в СО2- волноводном лазере, работающем при давлении смеси ниже 1 атм. В области давлений около атмосферного результаты нашей работы согласуются с полученными в [10].
1. I.М. Beterov, V.P. Chebotayev, A.S. Provorov. IEEE J. QE-10, 245 (1974).
2. A.L. Abгams. Appl. Phys. Letts, 25, 304 (1974).
3. А.С. Провopов, В.П. Чеботаев. ДАН СССР, 208, 318 (1973).
4. E. A. Marcatilli, R. A. Schmeltzer. Bell Syst. Techn., J., 43, 1783 (1964).
5. В.H. Ищeнко, В.H. Лисицын , A.P. Сорокин. Квантовая электроника, 5, 788 (1978).
6. P.W. Smith, P.J. Maloney, О.R. Wood II. Appl. Phys. Letts, 31. 738 (1977).
7. А. Раpауоаnоu. Appl. Phys. Letts, 31, 736 (1977).
8. A.F. Gibson, R.R. Rickwood, A.C. Walker. Appl. Phys. Letts, 31, 176 (1977).
9. В.А. Данилычев, О.M. Керимов, И.Б. Ковш. Труды ФИАН, 85, 49 (1976).
10. J.L. Lachambre, J. Маc Fаrlanе, G. Otis, P. Lawigne. Appl Phys. Letts, 32, 652 (1978).