В. В. Антюхов, А. Ф. Глова, О. Р. Качурин, Ф. В. Лебедев

 

 

МНОГОЛУЧЕВОЙ   ВОЛНОВОДНЫЙ   CO₂- ЛАЗЕР, ВОЗБУЖДАЕМЫЙ   РАЗРЯДОМ   ПЕРЕМЕННОГО   ТОКА

 

 

Сообщается о создании многолучевого лазера, возбуждаемого разрядом переменного тока с частотами ~ 10—70 кГц. Приводятся результаты исследования активной среды и выходных характеристик таких лазеров в зависимости от диаметра разрядных трубок, давления смеси и частоты тока накачки.

 

 

Наметившийся в последнее время интерес к исследованию стационарных волноводных СО₂- лазеров обусловлен высокими удельными характеристиками этих устройств [1], а также возможностью перестройки частоты излучения в пределах нескольких гигагерц [2], что открывает перспективы их практического применения в связи, локации, молекулярной спектроскопии и т. д. Достижение высоких абсолютных значений выходной мощности таких лазеров ограничено техническими трудностями, возникающими при создании разрядных капилляров большой длины, и невозможно при сохранении компактности устройства. Перспективы увеличения выходной мощности волноводных лазеров (ВЛ) открывает описанная в [3] конструкция, состоящая из набора параллельно расположенных газоразрядных трубок с общими зеркалами. Она позволила авторам [3] создать компактный лазер мощностью ~ 3 кВт и открыла пути использования ВЛ в технологических целях.
Поскольку предельная мощность, вкладываемая на единицу длины разрядной трубки лазера с диффузионным охлаждением, не зависит от ее диаметра, дальнейшее увеличение мощности лазера при сохранении его габаритов возможно в результате уменьшения диаметра разрядных трубок. Однако при использовании для накачки лазера разряда постоянного тока [1—4] уменьшение диаметра разрядных трубок и увеличение их числа в наборе сталкиваются с серьезными техническими трудностями, обусловленными необходимостью ввода в трубки и коммутации большого числа высоковольтных электродов. Эти трудности удается полностью устранить использованием для накачки рабочей среды емкостного разряда переменного тока. Он позволяет создать простую и компактную безэлектродную конструкцию многолучевого лазера, а также поднять его общий КПД устранением потерь энергии в активных балластных сопротивлениях.
Несмотря на интенсивное развитие техники ВЛ, до настоящего времени не существует однозначных результатов, позволяющих предсказать оптимальные режимы работы этих устройств. Большое число варьируемых параметров и необходимость учитывать такой плохо изученный процесс, как тушение колебательно-возбужденных молекул на стенках трубки, приводят к неопределенности в численных расчетах коэффициента усиления К₀ [5—7]. Измеренные значения К₀ сильно зависят от конкретных условий эксперимента (режима охлаждения, материала газоразрядной трубки, состава смеси, скорости ее прокачки и др.) и у различных авторов различны (см., например, [7, 8]). Численные расчеты и проведенные в аналогичных условиях измерения интенсивности насыщения /_s различаются приблизительно в два раза [6, 9].
Накачка среды разрядом переменного тока еще более затрудняет предсказание оптимальных режимов работы лазера и сопровождается модуляцией выходной мощности. Это приводит к необходимости экспериментального исследования эффективности указанного метода возбуждения.
В данной работе впервые приводятся результаты исследования оптических свойств активной среды волноводного СО₂- лазера, накачиваемого низкочастотным разрядом переменного тока, а также обсуждаются характеристики выходного излучения многолучевого лазера с данным методом возбуждения.
Схема экспериментальной установки представлена на рис. 1, а.

 

 

 

 

 

Рис. 1. Схема экспериментальной установки (а) и поперечное сечение сборки из семи трубок (б)

 

 

Стационарный емкостной разряд переменного тока с частотой от 10 до 70 кГц осуществлялся в сменных трубках 1, погружаемых в кювету 2 с проточным хладоагентом 3. Безэлектродные разрядные трубки длиной до 25 см изготавливались из молибденового стекла с толщиной стенки ~1 мм. Диаметры трубок составляли 1,3; 2,5 и 5,5 мм. Рабочая смесь 6 (СО₂ : N₂ : Не =1:1:3 и 1:1:6) прокачивалась при статическом давлении на входе в трубку 5—120 мм рт. ст. со скоростью 1—10 м/с. Усредненный по сечению трубки коэффициент усиления слабого сигнала измерялся с помощью стабилизированного диагностического лазера 4.
Выходные характеристики многолучевого волноводного СО₂- лазера, возбуждаемого разрядом переменного тока, исследовались на неохлаждаемой сборке, состоящей из семи параллельных трубок с внутренним диаметром 2,5 мм и длиной 25 см (рис. 1, б). Резонатор лазера состоял из двух плоских зеркал: медного глухого и германиевого (без покрытия), располагаемых по торцам сборки. Внешний диаметр сборки составлял 17 мм. Лазер работал в квазистационарном режиме с длительностью импульса ~ 10 мс. Флуктуации выходной мощности излучения регистрировались Ge—Au-фотоприемником 5.
Коэффициент усиления активной среды К₀ и выходные характеристики лазера зависели от величины среднего тока разряда </>, давления смеси р и частоты тока разряда f. Изменение скорости прокачки в указанном диапазоне, соответствующем режиму диффузионного охлаждения, практически не сказывалось на экспериментальных результатах.
С ростом </> = 2f ∫^1/2f₀ |I |dt  , где / — мгновенное значение тока разряда, значения К₀  и выходной мощности лазера W проходили через максимум. Оптимальные значения тока </₀>, соответствующие максимальным W, практически не зависели от давления смеси и составляли ~ 8 мА при р = 20 мм рт. ст., ~ 10—11 мА при р ≈ З0—40 мм рт. ст. и 7—8 мА при  р ≈ 70—80 мм рт. ст.
Типичные зависимости максимальных К₀ и ω =W/L от р приведены на рис. 2. Зависимость К₀ от диаметра трубки d иллюстрируется рис. 3.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2. Зависимости максимального коэффициента усиления среды К₀ (1—4) и удельной выходной мощности ω (5) от давления рабочей среды для смесей СО₂: N₂ : Не = 1 : 1 : 3 (1,3, 4) и 1 : 1 : 6 (2, 5) при f = 10 (1) и 70 кГц (2—5)
d = 5,5 (1), 2,5 (2, 3, 5) и 1,3 мм (4), <I> = 8 мА.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 3. Зависимость коэффициента усиления среды К₀ от диаметра разрядной трубки для смесей СО₂ : N₂ : He = 1 : 1 : 3 (1, 2) и 1 : 1 : 6 (5) при f = 70 кГц; </> = 100 мА/см²; р = 20 (1, 3) и 40 мм рт. ст. (2).

 

 

На рис. 4 представлены экспериментальные зависимости глубины модуляции выходного излучения лазера δW/W от </>, р и f.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 4. Зависимость глубины модуляции выходного излучения лазера от среднего тока разряда </> (а), давления смеси (б) и частоты тока разряда (в):
а)     р = 40 мм рт. ст.; f = 10 кГц (1) и 40 кГц (2)
б)     </> = 9 мА, f = 40 кГц
в)    р = 40 мм рт. ст., </> = 4 мА.

 

 

 

Максимальные достигнутые в наших экспериментах значения К₀ составляли 1,5; 2,3 и 3,2 м^-1 при диаметрах трубок 5,5; 2,5 и 1,3 мм соответственно. Полная мощность излучения лазера достигала 30 Вт, что соответствует удельной мощности, снимаемой с единицы длины каждой трубки, ω ~ 17 Вт/м. Максимальные значения удельного объемного энерговклада <jE> составили при этом ~ 40 Вт/см³.
Сравним полученные экспериментальные результаты с имеющимися в литературе характеристиками волноводных лазеров.
Если воспользоваться полученными зависимостями К₀(р) и литературными данными о параметре насыщения I_s(p) [9], то максимальное значение выходной мощности в наших условиях следует ожидать при р ≈ 50— 60 мм рт. ст., что согласуется с зависимостью W (р) на рис. 2.
Ожидаемая в случае отсутствия релаксации молекул на стенке зависимость K₀(d) ~ d^-1 [2] выполнялась в наших условиях лишь для смеси СО₂ : N₂ : Не = 1:1:3 при р = 40 мм рт. ст. При меньших давлениях, как следует из кривых на рис. 3, К₀ возрастает с уменьшением d для той же смеси медленнее, а для смеси СО₂ : N_a : Не = 1:1:6 наблюдается оптимум К₀ при 2,5 мм. Такой характер зависимостей К₀(d) по всей вероятности связан с ускорением релаксации колебательно-возбужденных молекул на стенках трубки из-за уменьшения времени диффузии при обогащении смеси гелием и уменьшении р [10].
Характерной особенностью лазера, возбуждаемого разрядом переменного тока, является модуляция выходного излучения, вызванная периодическим характером выделения энергии в разряде и возбуждением частиц [11]. Воспользовавшись выражением для мощности выходного излучения [12]

 

W = ½ /_sθ {[K₀L/(x+θ)]-1} S_эф,    (1)

 

где I_s — интенсивность насыщения; θ — прозрачность резонатора; х — внутрирезонаторные потери.
Глубину модуляции можно приблизительно представить в виде

 

δW/W ≈ LK₀/[2/t_p(K₀L—х— θ)],    (2)

 

где t_р— эффективное время релаксации колебательной энергии молекул. Полученное соотношение объясняет характер экспериментальных зависимостей δW/W от </>, р и f, представленных на рис. 4.
При работе лазера вдали от порога генерации (К₀L> x+ θ) δWIW не зависит от тока, а следовательно, и от интенсивности накачки. Наблюдаемое на рис. 4, а слабое возрастание δW/W при </> > 8 мА объясняется, вероятно, уменьшением t_р из-за роста температуры смеси. По мере приближения к порогу генерации K₀L—х— θ  стремится к нулю и δW/W должна возрасти в пределе до 100 %. Именно такой характер носит кривая 1 на рис. 4, а, полученная вблизи порога. Разрыв между кривыми 1 и 2 обусловлен изменением частоты тока разряда.
Возрастание δW/W при р > 40 мм рт. ст. (см. рис. 4, б) обусловлено уменьшением t_р ~ 1/р, а также снижением К₀. Увеличение δW/W в области малых давлений (р < 30 мм рт. ст.) вызвано, по всей вероятности, уменьшением эффективного времени релаксации из-за дополнительной гибели колебательно-возбужденных частиц на стенках разрядной трубки.
Как и следовало ожидать, δW/W падает с ростом f (см. рис. 4, в) и при f = 70 кГц, р = 40 мм рт. ст. и </> = 4 мА не превышает 1—1,5 %. Оценка δW/W по формуле (2) с использованием данных о скорости столкновительной релаксации из [13] дает δW/W ≈ 1,5 %. Наличие модуляции выходного излучения с частотой 2f не является препятствием для использования многолучевого лазера в технологии. Более того, возможность изменения δW/W в широких пределах (от 1 до 100 %) может представлять самостоятельный интерес.
Сравним выходные характеристик ВЛ с различными методами возбуждения. Максимальная мощность излучения с единицы активной длины разрядной трубки из ВеО при d =2,55 мм и полной длине разряда L= 94 мм была достигнута в [1] и составляет ω ≈ 41 Вт/м при полной мощности из­лучения W ≈  4 Вт и удельном объемном энерговкладе jE ≈ 90 Вт/см³. Пре­дельные значения ω, достижимые при оптимальном резонаторе, согласно оценкам авторов [1] составляют ~ 46 Вт/м. Максимальная выходная мощность ~ 3 кВт была достигнута в многолучевом ВЛ длиной 4 м, состоящем из ~ 40 трубок диаметром d~ 1 см при общем диаметре сборки ~ 25 см [3]. Значения jE при этом не превышали ~ 2 Вт/см³, а ω ≈ 20 Вт/м.
Измеренные в наших экспериментах значения ω ≈ 17 Вт/м были получены в условиях неоптимальной прозрачности резонатора и согласно нашим оценкам, а также данным работы [8] их можно увеличить в 2—3 раза. Получение генерации на сборке из семи трубок диаметром 2,5 мм, возбуждаемых разрядом переменного тока, продемонстрировало принципиальную возможность существенного уменьшения габаритов мощных многолучевых лазеров. Даже при уже достигнутых значениях ω  лазер мощностью 1 кВт при длине ~ 1 м можно представить состоящим из набора ~ 50 трубок диаметром 2,5 мм при внешнем диаметре сборки ~ 50 мм.
Использование разряда переменного тока снимает при этом основные технические трудности, которые предстояло бы решить при возбуждении такого лазера с помощью постоянного тока.

 

Проведенные экспериментальные исследования показали возможность эффективного использования низкочастотного разряда переменного тока (10—70 кГц) для накачки волноводных СО₂- лазеров. Созданный лазер обладает высокими удельными характеристиками и простотой в изготовлении. Использование безэлектродных разрядных трубок позволяет создать простую и компактную конструкцию многолучевого лазера с высокой общей мощностью излучения. Такой лазер может найти широкое применение в технологических процессах, например при лазерном термоупрочнении сплавов.

 

 

 

1. D.К. Hall , R.М. Jenkins, Е.E. Gorton P.Н. Cross. J. Phys. D., 10, I  (1977).

2. А.С. Проворов, В.П. Чеботаев. В кн.: «Газовые лазеры». —  Новосибирск: Наука, 1977.

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

4. J.J. Degnап. Appl. Phys., 11,1 (1976).

5. А. М. Синицын. Квантовая электроника, 5, 2179 (1978).

6. Н. Shiгahata, S. Nакао. Japan. J. Appl. Phys., 17, 1255 (1978).

7. Б.А. Кузяков. Квантовая электроника, 6, 114 (1979).

8. Е.G. Burkhardt, Т.J. Вгidgеs, P.W. Smith . Optics Comms, 6, 193   (1972).

9. K. Matsumofo, H. Shirahata, T. Fujioka . IEEE J. QE-14, 781 (1978).

10. T.J. Bridges, E.G. Burkhardt, P W. Smith. Appl. Phys. Letts, 20,  403 (1972)

11. В. Д. Гаврилюк, А.Ф. Глова, А.Б. Кузнецов, Ф.В. Лебедев, В.А. Феофилактов. Квантовая электроника, 6, 548 (1979).

12. А.В. Елецкий, Б.М. Смирнов. Газовые лазеры.— М.: Атомиздат, 1971.

13. R. Taylor, S. Wittermаn. Rev. Mod. Phys., 41, 26 (1969)