Мощные импульсные СО2 лазеры.

Развитие мощных импульсных СО₂ лазеров началось после того, как в конце 1969 года двумя группами исследователей, одна – в Канаде, другая – во Франции, была реализована идея разделения процессов ионизации и возбуждения молекул в тлеющем разряде. В отличие от режима непрерывной генерации, в случае импульсных лазеров достаточным оказалось осуществить предионизацию разрядного промежутка, не заботясь о дальнейшем. Обе группы использовали для предионизации вспомогательный разряд, с некоторым опережением ионизующий разрядный промежуток перед тем, как в нем возникнет основной разряд. Но без такой предионизации основной разряд возникнуть не может, поскольку приложенного к электродам напряжения недостаточно для пробоя разрядного промежутка. Импульсные лазеры с вспомогательным разрядом получили в англоязычной литературе название TEA лазеров. Аббревиатура расшифровывается так: transversally excited at atmospheric pressure (поперечное возбуждение при атмосферном давлении).

Импульсные лазерные системы проще, чем непрерывные, решают проблему генерации высокоэнергичных импульсов излучения, поскольку длительность импульсов, как правило, намного короче времени развития тепловых процессов в активной среде. Все это вместе с высоким к.п.д., присущим СО₂ лазерам, позволило достичь в таких системах энергий в импульсе до нескольких сотен килоджоулей. Кроме газоразрядных, или ТЕА лазеров, создана и другая их разновидность – электроионизационные импульсные лазеры, в которых ионизация осуществляется электронным пучком, а разряд, соответственно, является несамостоятельным.

Системы газоразрядной предионизации. Главное требование к системам газоразрядной предионизации – возможность с их помощью создать в активной среде такую степень начальной ионизации, которая обеспечит последующее развитие основного разряда при значениях Е/р, наиболее благоприятных для избирательного возбуждения верхнего лазерного уровня 00^о1 молекулы СО₂. Концентрация электронов, удовлетворяющая такому условию, лежит в пределах от 10⁸ до 10¹¹ см^–3, но желательно сделать ее как можно ближе к верхнему значению. В процессе протекания основного разряда предионизатор участия не принимает. Наибольшее распространение получили предионизаторы, использующие вспомога-тельный разряд одного из следующих типов.

Коронный разряд обычно образуется между острием или тонкой проволокой, находящимися под высоким напряжением, и заземленным электродом. Коронный разряд неравновесен, при холодном газе электронная температура достигает нескольких электрон-вольт. Такой разряд интенсивно излучает в УФ области спектра, вызывая фотоионизацию газа. Упрощенно устройство лазера с предионизацией коронным разрядом показано на рис. 2.20. С обеих сторон разрядного промежутка параллельно основным электродам натянуты две тонкие проволочки, обозначенные на рисунке КР. К основным электродам подведено напряжение более низкое, чем необходимо для пробоя разрядного промежутка. Напряжение между проволочками и заземленным основным электродом достаточно для развития с каждой стороны промежутка коронного разряда. Создаваемое при этом УФ излучение ионизует разрядный промежуток, и в нем развивается основной разряд, обеспечивающий возникновение импульсной лазерной генерации. От системы предионизации требуют организации высокой однородности начальной концентрации электронов в разрядном промежутке. Это необходимо для получения стабильного и эффективного основного разряда при атмосферном давлении газовой смеси. Предионизационная система, использующая коронный разряд, создает однородную ионизацию только при относительно малых поперечных сечениях разрядного промежутка, поскольку ультрафиолетовое излучение активно поглощается в газе и при больших сечениях центральные области разрядного промежутка оказываются непроработанными. Это накладывает серьезные ограничения на применение таких систем.

Множественные искровые разряды. Предионизатор такого типа широко используется во многих лазерных системах средней мощности. Система множественных искровых разрядов создана Ричардсоном в 1973 году. На рис.2.21 приведена электрическая схема предио­низатора этого типа. Анод основного разрядного проме­жутка выполнен в виде сетки из нержавеющей стали, натянутой между изоляторами. Под сеткой расположены игольчатые электроды, на­пример, в 6 рядов по 100 иголок в каждом ряду. Основ­ной раз-ряд формируется с исполь-зованием высоко­вольтной импульсной сис­темы пита­ния, работающей на базе двухкаскадного генератора Маркса с удвоением напря­жения источника питания. Накопительные емкости С_s = 0,1 мкФ заряжаются от высоковольтного выпрями­теля до номинального напряжения. Триггерный разрядник Р₁ после подачи на его управляющий электрод запускающего импульса пробивается и переключает конденсаторы С_s из параллельного в последовательное соединение. В результате неуправляемые разрядники Р₂ и Р₃ оказываются под удвоенным напряжением, вызывающим их пробой и подведение напряжения к основным электродам и к вспомогательному разрядному промежутку между иголками и анодом. Подведенного напряжения недостаточно, чтобы пробить основной разрядный промежуток, но хватает для появления множественных искровых разрядов между иголками и анодом. Искровые разряды создают интенсивное УФ излучение, производящее фотоиониза­цию разрядного промежутка. Если уровень ионизации будет достаточно высоким, то в основном промежутке лавинообразно протекает импульс основного разряда между катодом и анодом. Тем самым создаются условия для проявления лазерного эффекта. При участии такой системы предионизации удается вложить в активную среду энергию, превышающую 300 Дж/л. А так как к.п.д. преобразования вложенной энергии в лазерное излучение в среднем составляет 10%, то активная среда генерирует излучение на уровне 30 Дж/л.

Предионизация барьерным разрядом. Барьерным называют разряд, который протекает через диэлектрик за счет токов смещения. Такая форма разряда может существовать только в режиме коротких импульсов. Один из вариантов схемы предионизации барьерным разрядом представлен на рис. 2.22 [8].

Основной разрядный промежуток расположен между катодом (К) и анодом (А). В устройстве, рассматриваемом на рисунке, анод и катод представляют собой дюралюминиевые пластины. В теле катода фрезеруются поперечные пазы, в которые уложен тонкий провод в надежной изоляции (пи).

Источник питания заря­жает накопительные емкости С₁ и С₂, которые первоначально соединены параллельно. Подача на триггерный разрядник Р₁ запускающего импульса напряжения вызы­вает пробой разрядника, что ведет к переключению емко­стей из параллельного в последовательное соединение. Это двухкаскадная схема Маркса. Напряжение на нако­пительной батарее удваивается, и это приводит к пробою неуправляемого разряд­ника Р₂. В результате между анодом и катодом появляется напряжение, но его вели­чина недостаточна для пробоя газа в разрядном промежутке. Однако через раздели­тельную емкость С₃ то же напряжение прикладывается между вспомогательным проводом (пи) и катодом. Через изоляцию провода проходит ток смещения и над катодом возникает диффузный разряд, создающий ультрафиолетовое излучение, способное осуществить фотоионизацию разрядного промежутка. Это и есть разряд барьерного типа, он как бы покрывает собой всю поверхность катода. Длительность такого разряда не превышает десятков наносекунд, но этого достаточно, чтобы создать необходимую начальную ионизацию. Тогда напряжение, приложенное к основным электродам, оказывается достаточным, чтобы вызвать протекание разрядного тока в ионизованном основном промежутке и произвести импульс накачки активной среды.

Описанная система предионизации оказалась эффективной, с ней получены съемы когерентного излучения от 30 до 50 Дж/см³ при к.п.д. до 15%. Для повышения эффективности предионизации в рабочую газовую смесь вводились в виде небольших добавок легкоионизуемые вещества [8,9]. Для предионизации активной среды импульсных СО₂ лазеров используются также и некоторые другие виды вспомогательных разрядов, например, поверхностные разряды на диэлектрике, но они не получили широкого распространения.

В импульсном разряде выделяются три стадии. Первую стадию назовем переходной стадией в развитии импульсного разряда, вторую – основной стадией, и ее перекрывает третья стадия, во время которой происходит генерация лазерного излучения. Рассмотрим особенности каждой стадии.

Переходная стадия в развитии импульсного разряда с предионизацией. Соз­даваемая вспомогательным разрядом начальная концентрация электронов достаточна для пропускания тока через пространство между основными электродами, но не достаточна для вложения в образовавшуюся плазму необходимой энергии накачки. Поэтому сразу после включения основного разряда проходит некоторое время, в течение которого процессы ионизации в основном разряде увеличивают электрон­ную концентрацию до величины, достаточной для эффективного образования инверсной населенности между верхним и нижним лазерными уровнями. Достижение этой цели требует несколько более высокого значения напря-женности электрического поля в разрядном промежутке Е/р, чем необходимо для эффектив-ного избиратель­ного возбуждения верхнего лазерного уровня.

Расчеты, подтверждаемые экспериментальными данными, показывают, что для достижения за время импульса нужной концентрации элек­тронов, их начальная концентрация n_eo должна быть не ниже определенного критического уровня, равного примерно 10⁸ см^-3. На практике чем выше это значение, то есть чем мощнее предионизация, тем эффективнее работает им­пульсный лазер. Следовательно, к системе пре­дионизации предъявляются очень жест­кие тре­бования. В устойчиво работающих импульсных лазерах предионизационный разряд создает начальную концентрацию электронов не ниже 10⁹ см^-3. Для развития последующей ионизации и для эффективной накачки верхнего лазерного уровня молекул СО₂ в смеси СО₂ – N₂ – He необ­ходимо, чтобы значение параметра Е/р у основ­ного разряда превышало 45 В./см×Тор. Например, в лазерах, работающих при атмосферном давлении наполняющих газов, напряженность электрического поля Е лежит в пределах от 5 до 10 кВ/см.

Превышение этого уровня порождает не­устойчивость разряда. Параметры, обеспе­чивающие эффективную генерацию лазер­ного излучения электроразрядным импульс­ным СО₂ лазером при атмосферном давле­нии газов, ограничены узкими рамками при­емлемых значений.

Особенности развития основного разряда в системе с предионизацией вспомога­тель­ным разрядом рассмотрим на конкретном примере [8]. На рис.2.23 приведены осцилло­граммы напряжения, тока и плотности мощности выходного излучения ТЕА лазера с предионизацией барьерным разрядом по схеме рис. 2.22. Расстояние между анодом и катодом 10 см, соответственно выходная апертура (и сечение лазерного луча на выходе) 10см на 10см. Соотношение парциальных давлений газов СО₂ – N₂ – He равнялось 1:4:5 при общем давлении 1 атм.

Как видно из осциллограмм, разрядный ток появляется через 4 мкс после сраба­тывания триггерного разрядника и подачи напряжения на разрядный промежуток. Задержка определяется временем формирования вспомогательного барьерного разряда и создания им начальной ионизации среды. За это время рост напряжения на основном разрядном промежутке должен обеспечить достижение такого его зна­чения, которое создаст ускорение электронов в среде, достаточное для развития необходимого уровня ионизационного процесса в самом разряде. Ток возникает после того, как напряженность электрического поля в разрядном промежутке достигнет значения Е = U/d» 8 кВ/см. Здесь d – расстояние между электродами. Временной интервал между включением напряжения и появлением тока условимся называть предварительной стадией развития импульсного разряда.

С момента появления разрядного тока начинается основная стадия разряда. Она завершается с прекращением тока. Из осциллограммы тока на рис. 2.23 в данном примере она заканчивается на 9-й микросекунде, ее продолжительность – 5 микросекунд. Прекращение тока вызвано снижением напряженности электрического поля до предельного значения порядка 5 кВ/см. Плотность разрядного тока определяется соотношением:

J = e n_e µ_e E

где µ_е – подвижность электронов в газовой смеси. Снижение Е сопровождается снижением как подвижности, так и концентрации электронов. Протекание тока становится невозможным, как только обе эти величины снижаются вместе с напряженностью поля до критического уровня.

На основной стадии разряда в каждый момент времени концентрация электронов определяется из уравнения непрерывности:

(2.67)

где соответственно коэффициенты ионизации, прилипания и рекомбинации; v_d – скорость дрейфа электронов в электрическом поле (v_d = µ_eE). Из (2.67) следует:

n_e = ( - a) и j = e n_e v_d = (2.68)

Величины v_d, a, называют коэффициентами переноса, расчетные методы их определения рассматриваются в курсе физики плазмы.

К соотношениям (2.67) и (2.68) добавляют соотношение, определяющее среднюю энергию электронов:

где D_e – коэффициент диффузии электронов. Совместное решение всех записанных уравнений позволяет определить из соотношения (2.68) вольтамперную характеристику разряда, а при известном законе зависимости Е/р от времени описать форму импульса тока, энергию накачки и некоторые другие характери­стики импульсного разряда.

Из осциллограмм рис.2.23 видно, что генерация лазерного импульса начина­ется не вместе с токовым импульсом, а с некоторым запозданием. Конкретно в приводившемся примере это запаздыва­ние составляло 2 мкс. Возникшая гене­рация продолжается и некоторое время спустя после завершения токового им­пульса. На осциллограмме последейст­вие составляет примерно 1 мкс. Период протекания лазерного излучения можно считать третьей стадией развития разряда, причем она перекрывается с основной стадией и характеризуется распадом плазмы в результате прекращения поступления энергии извне.

Основные элементы ТЕА лазера. Типичный импульсный электроразряд-ный (ТЕА) СО₂ лазер состоит из элементов, показанных на блок-схеме рис. 2.24. При всем разнообразии в устройстве каждого такого элемента, общая схема остается практически неизменной. В качестве примера продолжу рассмотрение описанного выше ТЕА лазера, обладающего высокими выходными характеристиками [8]. Так, при дли­тельности импульса генерации от 2-х до 4-х мкс энергия в импульсе достигает 800 Дж.

Кювета и электроды. Герметичная газоразрядная кювета (1) изготовлена из стеклопластика. Кювета может быть изготовлена и из других диэлектрических материалов, например, из специальных пластмасс, в некоторых случаях ее изготавливают из металла. Но металлическая кювета требует создания на ее внутренних стен­ках прочного изоляционного покрытия, способного противостоять напряжениям порядка сотни кВ. Кроме того, металли­ческая кювета требует применения гро­моздких проход­ных изоляторов, обеспе­чивающих подачу высоковольтного напряжения от источника питания на элек­троды. Диэлектрическая кювета снимает эти усложняющие конструк­тивные проблемы.

В рассматриваемом лазере размеры кюветы: поперечное сечение квадрат­ное, размер сторон 30см; длина 2,3 м. Внутри кюветы на ее верхней и нижней стенках закрепляется секционированная электродная система. Электроды разде­лены на 4 секции, каждая секция состоит из катода в виде дюралюминиевой пластины разме­ром по ширине 150 мм и по длине 400мм, и противостоящего анода также в виде дюралюминиевой пластины несколько большего размера, чем катод. Вспомогатель­ный электрод для предионизации, обес­печивающий протекание разряда барьерного типа, представляет собой провод в электрически прочной, но тонкой изоляции, он уложен зигзагообразно в поперечных пазах, выфрезерованных в катодной пластине. Диаметр металлической жилы про­вода 0,5 мм, диаметр провода с изоляцией 2,5 мм. Секции расположены последова­тельно внутри кюветы и отделены друг от друга небольшими промежутками, исклю­чающими пробой между ними. Питающее напря­жение подводится к каждому элек­троду через компактные проходные изоляторы.

При работе в режиме одиночных импульсов нет необходимости в прокачке газа через разрядный промежуток, поскольку тепловые процессы развиваются уже после того, как завершен разрядный импульс. Активная часть объема кюветы состоит из суммы объемов разрядных зон каждой секции, она составляет 16 л. Общий объем внутренней полости кюветы, заполняемый газовой смесью, в 3-4 раза превышает активный объем. Это позволяет длительное время компенсировать протекающий в разряде процесс диссоциации молекул СО₂, восполняя потери за счет запаса свежего газа. В результате удается осуществить около сотни импульсов генерации, прежде чем выходная мощность излучения снизится более чем на 10% от исходных значений. После этого производится смена газовой смеси в кювете. При желании работать в частотно-импульсном режиме, необходимо осуществлять прокачку газа. Для этого на боковых стенках кюветы имеются широкие окна, к которым пристыковывается газодинамический прокачной тракт. Торцы кюветы герметично закрываются юстиро­вочными блоками, внутри которых установлены зеркала оптического резонатора.

Оптический резонатор. В описываемом лазере применен устойчивый оптический резонатор. Зеркала резонатора установлены в торцевых юстируемых фланцах. Выбран резонатор полуфокального типа, одно из зеркал имеет отражающую поверх­ность сферической формы, второе зеркало – плоскопараллельное. Медное сфериче­ское зеркало диаметром 180 мм имеет радиус кривизны от 20 до 40 м. Оно изготав­ливается алмазным точением, после которого нет необходимости производить поли­ровку поверхности. На противоположном конце располагается полупрозрачное выходное зеркало, изготовляемое из монокристалла германия. Диаметр зеркала 160 мм при толщине 25 мм. Обе рабочие поверхности германиевой пластины подвергаются обработке по специальной технологии, обеспечивающей их высокое оптическое качество. Наружная грань пластины имеет напыленное просветляющее покрытие. На длине волны 10,6 мкм коэффициент отражения зеркала равен 0,36, соответственно коэффициент пропускания равен 0,64. Германиевая пластина выдерживает поверх­ностные лучевые нагрузки, не превышающие примерно 10 Дж/см². Поскольку сечение генерируемого луча представляет собой квадрат со стороной 100 мм, то зеркало позволяет выводить лазерное излучение с общей энергией в импульсе не более 1 кДж.

Источник электропитания. Первичный источник электропитания – стандартная сеть напряжением 220 или 380 В. Далее следуют такие элементы:

1) регулятор напряжения; 2) высоковольтный трансформатор; 3) высоковольтный выпрямитель; 4) блок формирования и коммутирования импульса электропитания (БФИ); 5) элементы цепи питания.

Центральный элемент схемы – БФИ. Поскольку электродная система разделена на четыре независимые секции, то и БФИ разделен на такое же число секций, каждая из которых собрана по схеме, представленной на рис.2.22. Каждая секция питания подключена к одной электродной секции. Секционированное электропитание вместе с секционированной электродной системой позволяет, во-первых, существенно снизить токовые нагрузки на элементы БФИ; во-вторых, использовать различные вари­анты совместного или раздельного запуска секций, что расширяет возможности ис­пользования лазера. Например, при работе на пониженных энергиях в импульсе нет необходимости использовать все секции лазера, можно включить только одну, или две, или три секции в соответствии с потребностью. Запуская секции не совместно, а поодиночке с некоторым интервалом, можно создавать пакеты импульсов от 2-х до 4-х. Конечно, при этом энергия в каждом импульсе существенно ниже, чем при син­хронном запуске всех секций. Серьезная проблема, возникающая при проектирова­нии БФИ, состоит в возможностях комплектования схемы накопительными конденса­торами и высоковольтными разрядниками. В рассматриваемой схеме, в частности, использованы малоиндуктивные конденсаторы на напряжение 100 кВ, емкость кото­рых С₁ = С₂ = 0,5 мкФ. Конденсаторы такого типа стоят дорого и создают трудности, связанные с их габаритами и весами. Дополнительная проблема возникает при необ­ходимости работы в частотно-импульсном режиме, так как возможности конденсато­ров работать при частотах повторения импульсов ограничены. При частотах, превы­шающих несколько герц, накопительные батареи заменяются специальными модули­рующими устройствами, что усложняет источник питания. Подробно эти вопросы рассматриваются в литературе, посвященной мощным импульсным источникам пита­ния. Что же касается управляемого (Р₁) и неуправляемого (Р₂) разрядников, то при работе в режиме одиночных импульсов успешно используются открытые воздушные разрядники специальной конструкции. При этом обеспечивается точность синхрон­ного срабатывания разрядников всех четырех секций на уровне наносекунд. Более надежными считают разрядники закрытого типа, наполняемые азотом до давлений в несколько атмосфер.

Газоснабжение кюветы включает: 1) блок откачки отработанной газовой смеси: с этой задачей успешно справляется производительный форвакуумный насос;

2) баллоны, наполненные газами, необходимыми для создания рабочей смеси (СО₂, N₂, He); 3) специальную емкость для приготовления смеси газов с заданными парциаль­ными давлениями компонентов, откуда смесь вводится в кювету. В лабораторных условиях напуск газов с нужными парциальными давлениями может производиться прямо в кювету из баллонов; 4) блок ввода в кювету органической присадки при парциальном давлении на уровне 1 тор; 5) газовые магистрали, дистанционно управляемые клапаны, точные манометры.

После откачки отработанной газовой смеси и перед наполнением свежей смесью, кювету необходимо промыть азотом.

Измерение выходных параметров лазерного луча. Необходимо обеспечить измерение энергии излучения и формы лазерного импульса в каждом генерируемом импульсе. Для этого применяют схему, изображенную на рис. 2.25. Луч лазера по выходе из оптического резонатора проходит через оптический клин (2), прозрачный для излучения в области длин волн 9 ¸ 11 мкм. Для этого клин изготавливается, например, из монокристалла NaCl. Около 4% энергии отражается от передней грани клина и попадает в калориметрический измеритель энергии (3). Энергия, отражающаяся от задней грани клина, попадает на вход германиевого фотоприемника (5), временное разрешение которого не хуже, чем 10^{- 9}с. Развернутый во времени сигнал приемника фиксируется на экране осциллографа (6), он представляет ход изменения интенсивности луча во времени. В случае необходимости с применением стандартной процедуры измеряется расходимость лазерного луча. При создании лазерного станка данные о параметрах луча поступают в блок управления и автоматически учитываются при обеспечении заданного режима генерации.

Электроионизационные импульсные и частотно-импульсные лазеры. По внешнему виду импульсные электроионизационные лазеры не отличаются от непрерывных лазеров соответствующего уровня мощности. Но некоторые их элементы существенно различаются. Электронная пушка импульсного лазера должна обеспе­чивать образование очень мощных кратковременных электронных пучков с энергиями 100 – 300 кэВ. Для этого катод такой пушки должен обладать способностью почти мгновенного создания мощного токового импульса. Термоэмиссионный катод не способен работать в таком режиме, поэтому используется либо катод с автоэлек­тронной эмиссией, либо катод с эмиссией взрывного типа, выдерживающие подобные нагрузки. Катод и электронная пушка в целом остаются одним из наименее надежных элементов системы.

Электронный пучок, вводимый в разрядный объем кюветы, ионизует молекулы газа, а приложенное к основным электродам напряжение от модулятора создает в ионизованной среде импульсный разряд несамостоятельного типа. Успешная работа лазера зависит от того, способна ли активная среда воспринять необходимую энергию накачки за короткий промежуток времени.

Поскольку импульсные электроионизационные лазеры обладают теми же недостатками, что и непрерывные лазеры такого типа, их использование в лазерных стан­ках, как правило, оказывается неприемлемым. Прежде всего по причине необходимо­сти создания мощной биологической защиты от сильного рентгеновского излучения, сопровождающего их функционирование. В производственных условиях это недопус­тимо.

Емкость конденсаторной батареи. Энергия W_k, запасаемая конденсаторной батареей, равна:

W_k = (2.69)

где С – емкость конденсаторной батареи, Е₀ – начальная напряженность электрического поля при зарядке батареи, d – расстояние между основными электродами ла­зера. После предионизационной подготовки в разрядном промежутке появляется исходная концентрация электронов, что ведет к пробою промежутка и введению в него энергии от разряжающейся конденсаторной батареи. Используя уравнение Кирхгофа для малоиндуктивного контура с включенной в него батареей конденсаторов, получают выражение для энергии W_p, передаваемой в разрядный промежуток:

W_p = , R = (2.70)

здесь S – площадь электродных пластин, t_n – длительность разрядного импульса, - электро­проводность плазмы, R – сопротивление плазмы электрическому току, - подвиж­ность электронов, е – заряд электрона.

Введем в (2.70) обозначение:

(2.71)

Число (1 - К) определяет введенную в разряд долю энергии, запасенной в конденсатор­ной батарее. Если число К близко к единице, то в разряд переходит незначительная часть запасенной энергии и к.п.д. лазера будет низким. Если же К очень мало, то есть батарея почти полностью разряжается, то в процессе протекания разряда будет существенно ме­няться напряженность электрического поля Е, в результате на значительном протяжении токового импульса напряженность поля оказывается далекой от оптимального значения с точки зрения возбуждения молекул азота и СО₂. Соответственно упадет энергия в излучае­мом импульсе и снизится к.п.д. лазера. Наиболее выгодными для эффективной работы лазера считаются значения К в интервале от 0,5 до 0,7. Емкость конденсаторной батареи, необходимой для введения в разряд оптимальной энергии, можно определить из соотноше­ния (2.70), если учесть оптимальное значение К, начальную концентрацию электронов в разрядном промежутке n_e2, и коэффициент рекомбинации молекул с электронами :

(2.72)

При бесконечном увеличении емкости количество вводимой в разряд энергии достигает конечного предела:

(2.73)

2.12 ИК-ОПТИКА МОЩНЫХ СО₂ ЛАЗЕРОВ

Оптические элементы мощных лазеров. Непременной частью любого лазера и свя­занных с ним устройств являются оптические элементы. Когда рассматриваются СО₂ лазеры, генерирующие излучение на длинах волн от 9 до 11 мкм, непременным требованием к опти­ческим элементам выступает их совместимость с этим диапазоном. Кроме того, поскольку речь идет о мощных лазерах, то появляется еще одно требование к оптическим элементам – высокая лучевая стойкость.

Различные оптические элементы, используемые в лазерных установках, можно разделить на четыре группы: 1) элементы резонатора; 2) выходные окна генераторов или усилителей; 3) оптические элементы внешней схемы лазерной установки; 4) нелинейные оптические эле­менты (затворы, модуляторы, преобразователи длины волны и другие). Последнюю группу здесь рассматривать не будем, она занимает особое положение.

Элементы оптического резонатора - это зеркала. Они бывают либо полностью непрозрачными («глухие»), либо частично прозрачными (выходное зеркало). Глухие зеркала изготавливаются из металла, чаще всего это медь, или из специаль­ной подложки, на которую напыляется слой, отражающий не менее 95% падающего излучения. Подложка в этом случае выбирается такой, чтобы она способствовала интенсивному охлаждению отражающего слоя. Выходные зеркала для СО₂ лазеров изготавливаются из монокристаллов, пропускающих определенную часть излучения на длине волны этого лазера и отражающих почти всю остальную часть излучения. Как правило, для задания нужных коэффициентов пропускания и отражения, на по­верхности пластины из монокристалла напыляют либо просветляющие, либо отра­жающие интерференционные покрытия.

Различают оптические резонаторы устойчивой и неустойчивой конфигураций. Схематично они изображены на рис.2.26. Выходное зеркало устойчивого резонатора частично прозрачно для излучения на длине волны лазера. Отражающая поверхность и материал зеркала должны обладать минимальными потерями на поглощение. Сечение выходящего луча зависит от конфигурации разрядного промежутка и от формы выходной апер­туры. На рисунке, в частности, изобра­жено квадратное сечение луча. Квадрат при хорошем качестве зеркал и одно­родности разряда равномерно заполнен излучением, за исключением краев, где происходит спад интенсивности.

В случае неустойчивого резонатора (Б) оба зеркала «глухие». Заднее зеркало обычно имеет вогнутую сферическую отражающую поверхность, а переднее выходное зеркало – выпуклую поверхность. Выходное зеркало затеняет всю центральную часть луча и его сечение имеет форму «бублика». Несмотря на неудобства, связанные с особой формой сечения луча, неустойчивые резонаторы широко применяются в мощных лазерах. Одна из причин – высокая лучевая стойкость металлических зер­кал.

В мою задачу не входит изложение теории и практики исполнения оптических резонаторов, этим вопросам посвящены многочисленные специальные учебники и монографии. Ограничусь рассмотрением тех кристаллических материалов, которые используются для создания зеркал, частично прозрачных в инфракрасном диапазоне длин волн.

Выходные окна лазеров и усилителей. Их назначение – герметично закрывать торцы кюветы и при этом пропускать излучение на лазерной длине волны. Выходные окна - обязательный элемент усилителей. В лазерных генераторах их используют в двух случаях: когда по каким-то причинам устанавливается оптический резонатор с выносными зеркалами, или когда применен неустойчивый оптический резонатор. Торцы кюветы лазера с устойчивым резонатором герметично закрываются фланцами, в которых установлены с одного конца глухое, а с противоположного – выход­ное зеркала.

Оптические элементы внешней схемы. Такие элементы предназначаются для формирования лазерного луча, для его расщепления (при необходимости), для направления на нужный объект и частично на измерительные приборы. В качестве примера небольшого участка внешней схемы можно рассмотреть рис.2.28, где с помощью оптического клина и глухих поворотных зеркал небольшая часть излучения направляется на измеритель мощности и измеритель интенсивности луча. В общем случае добавляются линзы, призмы, поляризаторы и другие необходимые оптические элементы.

Материалы для элементов ИК-оптики. Все оптические элементы по своему назначению разделяются на три группы. Первую группу составляют элементы, назначение которых – отражать излучение при минимальном его поглощении и рассеянии. Назначение элементов второй группы – частично отражать и частично пропускать излучение заданной длины волны опять же при минимальном поглощении. Предна­значение элементов третьей группы – пропускать излучение заданной длины волны при минимальных значениях отражения и поглощения.

Отражающие элементы. К этой группе относятся «глухие» зеркала. Чаще всего для их изготовления используют медь, специальные бронзы, реже алюминий. Отражающие поверхности обрабатываются на оптических станках, где поверхности при­дается точная заданная форма – плоскость, сфера заданного радиуса кривизны, эллиптическая или параболическая поверхность. После механической обработки отражающая поверхность подвергается шлифовке и полировке. В последние годы начали широко применять чистовую обработку поверхностей с применением алмазного инструмента (алмазное точение). Такая обработка делает ненужными процессы шлифования и полирования. Для повышения отражательной способности поверхно­сти и защиты ее от окисления иногда напыляется тончайший слой золота. Кроме металлов зеркала изготовляют на основе пористых диэлектриков или композитных материалов с напылением на рабочую поверхность диэлектрических отражающих покрытий. Такие зеркала эффективно охлаждаются водой (с тыльной стороны). Тем самым удается существенно повысить предельные лучевые нагрузки на отражающую поверхность. Удается достигнуть у высококачественных зеркал коэффициента отра­жения на длине волны лазерного излучения от 0,99 до 0,999.

Прозрачные и частично прозрачные оптические элементы для ИК области спектра изготавливаются на основе аморфных или кристаллических диэлектриков. Для длины волны СО₂ лазеров непригодны оптические стекла и ситаллы, они поглощают такое излучение в тонком поверхностном слое. Нужными свойствами обладают материалы, принадлежащие к одной из следующих трех групп: 1) ионные монокри­сталлы; 2) полупроводниковые кристаллы; 3) халькогенидные стекла и оптическая керамика. Данные о некоторых представителях таких материалов приведены в таб­лицах 2.6 – 2.8.

Список материалов, прозрачных в области спектра от 9 до 11 мкм, можно расширить. Но прозрачность – это только первая составляющая в комплекте условий, опре­деляющих пригодность материала для изготовления из него оптических элементов, особенно когда речь идет о мощных СО₂ лазерах. Так, специалисты признают, что по всем своим характеристикам алмаз – самый лучший материал для выходных окон. Но изготовить алмазные пластины необходимых для этих целей размеров, не говоря уж об их стоимости, если бы такое стало возможным, в обозримом будущем нереально. Другой пример. На протяжении многих лет велись работы по получению КРС нужных размеров и кондиции. На эти исследования возлагались серьезные надежды и были достигнуты значительные успехи. Однако, КРС слишком мягок и пластичен, его по­верхность трудно довести до нужного оптического качества. Со временем изготов­ленный из КРС элемент пластически деформируется. Ко всему сказанному добавляется еще одна неприятность – в основе материала заложены мышьяковистые соеди­нения, что делает его чрезвычайно токсичным. Отсюда видно, что конструктивные и экологические требования к материалу накладывают серьезные ограничения на возможности его применения в лазерных установках.

Окно закрывает торец разрядной камеры и выполняет при этом не только оптические, но и конструкционные функции, что вносит дополнительные требования к прочности материала, к выбираемой толщине окна.

ТАБЛИЦА 2.6 Ионные монокристаллы

Материал	Область прозрачно-сти мкм	Коэффициент пгоглощения см^-1	Показатель преломления l = 10,6 мкм	,(С^о)^- 1	Примечания
NaCl	0,21 ¸ 26	1,3×10^- 3	1,49	-3,65
KCl	0,21 ¸ 30	4,8×10^-4	1,45	- 3,4
KBr	0,23 ¸ 40	5×10^-5	1,52	-4,0
KI	0,38 ¸ 42	-	1,62	- 5,0
CsBr	0,22 ¸ 52	4,4×10^-3	1,66	- 6,3
CsI	0,24 ¸ 70	1,3×10^-3	1,74	- 10,0
TlCl	0,45 ¸ 35	-	2,17	-
KРС-5	0,44 ¸ 40	-	2,35	-	TlBr – TlI
КРС-6	0,5 ¸ 40	2,37×10^-3	2,37	- 23,5	TlCl – TlBr
BaF2	0,21 ¸ 34	-	2,17	-

ТАБЛИЦА 2.7 Полупроводниковые кристаллы

Алмаз (С)	0,25 ¸80	-	2,33	+ 0,99
Ge	1,8 ¸ 23	0,017	4,0	+ 26,8
GaAs	1,0 ¸ 15	2×10^-3	3,28	+ 18,7
ZnS	0,35 ¸ 14,5	-	2,2	+ 7,5
ZnSe	0,5 ¸ 20	3×10^- 3	2,43	+ 4,8
CdS	0,52 ¸ 16	0,03 ¸ 0,003	2,3	-
CdSe	0,71 ¸ 25	(3¸9)×10^- 3	2,42	-
CdTe	0,86 ¸ 28	1,2×10^- 3	2,67	-

ТАБЛИЦА 2.8 Халькогенидные стекла и оптическая керамика

Иртран-4	-	0,12 ¸ 0,14	-	-	ZnSe
Иртран-6	-	0,12 ¸ 0,04	-	-	CdTe
As2S3	0,6 ¸ 12	1,1	2,38	- 0,86	стекло

Основная проблема зеркал и выходных окон мощных лазеров определяется неизбежным взаимодействием интенсивного когерентного излучения с поверхностями и объемом этих оптических элементов. В этой связи выбираемые для их изготовления материалы должны удовлетворять дополнительным требованиям:

§ обладать как можно лучшими теплофизическими свойствами, а именно, иметь высокий коэффициент теплопроводности, высокую температуру плавления и низкий коэффициент линейного расширения;

§ оптические свойства материала не должны зависеть от рабочей температуры;

§ обладать минимальным коэффициентом поглощения на лазерной длине волны

§ в объеме и на поверхности материала не должны присутствовать непрозрачные включе­ния;

§ иметь низкие значения фотоупругих констант.

К этим требованиям добавляют: устойчивость к воздействию внешней среды и рабочего вещества лазера; малый показатель преломления. Желательна прозрачность материала в видимой области спектра, что облегчает юстировку, и по возможности, дешевизна и техноло­гическая простота изготовления и оптической обработки.

Материалов с перечисленными свойствами в природе не существует. Поэтому выбор под­ходящего материала – это всегда разумный компромисс между идеальными требованиями и реальными возможностями при детальном учете условий, в которых изделие должно рабо­тать.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА

Дата добавления: 2015-10-16