КВАНТОВАЯ И ОПТИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА-1. Г. С. Евтушенко, Ф. А. Губарев квантовая и оптическая электроника
 Скачать 1.85 Mb.
|
Лазеры на парах металлов являются одним из наиболее эффектив- ных источников когерентного излучения видимого диапазона спектра [24–27]. Наибольшее распространение получили лазеры на самоограни- ченных атомных переходах меди (ЛПМ). Это импульсно-периодические лазеры с длинами волн излучения 510,5 нм (зеленая область спектра) и 578,2 нм (желтая область спектра). Лазеры на парах меди имеют высо- кий практический КПД – до 3%, высокую частоту следования импуль- сов (единицы – сотни кГц), большие усиления активной среды (10-100 дБ/м), относительно низкая энергия в импульсе (0.1-100 мДж) и, наобо- рот, высокая пиковая мощность (10-1000 кВт) близкая к дифракционной и дифракционная расходимость пучка. Впервые генерация в лазерах на парах меди была получена в 1966 г. [28]. Прорыв в развитии класса лазеров на парах металлов был осуществлен в 1972 году в ФИАН им. П.Н. Лебедева, когда был пред- ложен простой и эффективный способ получения паров рабочего веще- ства в активной зоне ГРТ при одновременном их возбуждении [29]. 63 Способ получил название – саморазогревной. Он предполагал импульс- но-периодический режим работы лазера с высокой частотой следования импульсов возбуждения. При работе в саморазогревном режиме вводи- мой в разряд мощности достаточно для поддержания стационарного температурного режима работы активного элемента. Разработанный принцип работы радикально изменил подход к данным устройствам, они перестали быть только предметом исследований, стало возможно их практическое использование в прикладных задачах. На рис. 5.1 показана упрощенная схема лазерных уровней атома меди. Инверсия на самоограниченных переходах 2 P 3/2 - 2 D 5/2 (λ 1 = 510,6 нм) и 2 P 1/2 - 2 D 3/2 (λ 2 = 578,2 нм) реализуется в условиях ионизационной неравновесности плазмы. В этот период времени константы скоростей возбуждения верхних лазерных уровней больше, чем нижних. Это дос- тигается за счет высокой температуры электронов Т е на переднем фрон- те импульса накачки (100 нс). Скорость распада нижнего уровня мала, поэтому постепенно населенность на нем увеличивается, и инверсия пропадает. Типичная длительность импульса генерации составляет 30- 50 нс. До прихода следующего импульса возбуждения (в межимпульс- ный период) происходит восстановление основных параметров плазмы: температуры и концентрации электронов (T e , n e ), населенностей основ- ного, метастабильного и резонансного уровней (N 0 , N m , N r ) до первона- чальных условий. Рис. 5.1. Схема уровней атома меди При высоких частотах следования импульсов и вводимых мощно- стях активная среда не успевает полностью восстановиться в течение 64 межимпульсного периода. Поэтому для импульсно-периодического ре- жима характерно наличие кумулятивных эффектов, определяемых, прежде всего, частотой повторения импульсов и энергией в импульсах накачки. Несмотря на то, что кумулятивные эффекты снижают удель- ную энергию генерации по сравнению с режимом сдвоенных импуль- сов, в импульсно-периодическом режиме достигается высокая средняя мощность и КПД генерации. Кроме того такой режим возбуждения по- зволяет реализовать саморазогревной режим работы активного элемента лазера. Большая часть проблем, связанных со сроком службы активных элементов традиционных лазеров на парах меди (ЛПМ) связана с высо- кими рабочими температурами 1800К. Идея о возможности снижения рабочей температуры ЛПМ была впервые высказана Уолтером и др. (создателями первого лазера на парах меди) [28]. Она заключалась в ис- пользовании медьсодержащих быстро испаряющихся соединений в ка- честве доноров рабочего вещества. Наиболее подходящими соедине- ниями являются галогениды. Давление паров бромида, хлорида и йоди- да меди, достаточное для генерации, достигается при температурах 450, 400К и 600ºС, соответственно. Это позволяет использовать при изготов- лении активных элементов более дешевые материалы, такие как кварц. Принципы создания инверсии на самоограниченных переходах в лазерах на парах галогенидов меди (ЛПГМ) такие же, как и в обычных ЛПМ. В ЛПМ импульс накачки осуществляет, непосредственно, возбу- ждение лазерных уровней, а также нагрев плазмы. В ЛПГМ импульс на- качки осуществляет также диссоциацию молекул галогенида. Особенностью лазеров на парах металлов является возможность их работы с высокой частотой повторения импульсов генерации f. Так как средняя мощность генерации лазера P г = Е имп · V· f (где V — активный объем среды, Е имп – энергосъем, f – частота повторения импульсов), оче- видно, что для ее повышения необходимо повышать энергосъем, актив- ный объем лазера и частоту повторения импульсов. Как показывают экспериментальные результаты режим высокой удельной мощности из- лучения, снимаемой с единицы объема активной среды, реализуется в трубках малого диаметра (<1 см) при повышенной частоте следования импульсов (ЧСИ) [30]. При этом эффективность лазера существенно ниже, чем для лазерных трубок с большим активным объемом. И наобо- рот, высокой средней мощности генерации в трубках большого актив- ного объема соответствует низкая удельная мощность генерации и бо- лее низкая оптимальная ЧСИ. В ЛПГМ оптимальные ЧСИ для трубок среднего и большого диаметра существенно выше, чем в ЛПМ анало- гичного размера. Следует также отметить, что в трубках малого объема 65 удельный энерговклад в ГРТ существенно выше по сравнению с труб- ками большого объема. Одним из перспективных способов повышения частотных и энер- гетических характеристик лазеров на парах металлов является примене- ние активных примесей. На сегодняшний день наиболее эффективными добавками являются Н 2 , HBr и HCl, которые модифицируют кинетику лазеров на парах металлов и позволяют существенно повысить опти- мальные и максимальные частоты повторения импульсов генерации, увеличить импульсную и среднюю мощность генерации (в 2 и более раз) [30–40]. Основную роль в улучшении энергетических характери- стик лазеров на парах металлов, в том числе CuBr-лазеров, при введе- нии добавки H 2 или HBr играют процессы с участием молекулы HBr . Молекула HBr обладает большим сечением диссоциативного прилипа- ния с максимумом при 0,4 эВ. В начале импульса возбуждения разряд не развивается до тех пор, пока температура электронов Т e не превысит определенного значения, зависящего от концентрации НВr, т.к. при низких Т e скорость прилипания электронов превышает скорость иони- зации. Таким образом, можно избежать низких значенийТ е , что важно для работы лазера, т.к. при Т е < 1,7 эВ в основном возбуждается ниж- ний, а не верхний лазерный уровень. В межимпульсный период основ- ным процессом убыли электронов становится не трехчастичная реком- бинация, а диссоциативное прилипание к бромистому водороду с обра- зованием отрицательных ионов брома. Слишком большая скорость уда- ления электронов, в свою очередь, может оказать негативное влияние на скорость разрушения метастабильных уровней, поскольку их релакса- ция определяется столкновениями с остывающими электронами, поэто- му существует оптимальная концентрация активной примеси, в случае превышения которой характеристики лазера ухудшаются. Применения лазеров на парах металлов Кратко остановимся на применении лазеров на парах меди и ее соединений в различных областях науки и техники. Задачи оптики атмосферы. Лазер на парах меди применяется для спектрального анализа атмосферных и примесных газов, зондирования атмосферы (в том числе дальнего и сверхдальнего) для определения ее параметров [41]. Применяется как непосредственное излучение ЛПМ 510,6 и 578,2 нм, так и преобразование его во вторую гармонику с по- мощью нелинейных кристаллов. Высокая средняя мощность позволяет использовать лазер на парах меди для зондирования на длинных трассах 66 (до 100 км), а высокая импульсная мощность позволяет эффективно преобразовывать излучение в нелинейных кристаллах. Лазер на парах меди используется для создания искусственных опорных звезд в устройствах адаптивной оптики. Излучение фокусиру- ется в атмосфере на высоте 10–15 км и в точке фокусировки появляется искусственная звезда за счет рассеяния излучения. В другом варианте этого метода лазер на парах меди используется для накачки лазера на красителе с длиной волны излучения 589 нм. Это излучение вызывает флуоресценцию в слое натрия на высоте 80–90 км, которая видна с зем- ли как звезда желтого цвета. Опорные звезды используются в качестве реперов для коррекции искажений, вносимых атмосферными помехами в работу оптических устройств, например, телескопов. Это позволяет значительно повысить разрешающую способность оптических систем. Лазерные навигационные системыпредназначены для визуально- го ориентирования подвижных объектов, проводки судов и посадки са- молетов, в том числе в условиях ограниченной видимости. В основе та- ких систем лежит тот факт, что яркость прямого излучения лазера мно- гократно превышает яркость рассеянного излучения даже на больших расстояниях, что недостижимо для обычных источников света. Наибо- лее распространены лазерные маяки (круговые и секторные). Излучение лазера на парах меди, лежащее в максимуме спектральной чувствитель- ности глаза, хорошо видно даже на больших дистанциях (десятки кило- метров) при небольшой средней мощности (единицы ватт). При этом высокий коэффициент усиления ЛПМ позволяет применять неустойчи- вые резонаторы и таким образом получать очень малую расходимость луча. Требуемые частоты следования импульсов для систем проводки судов составляют 10–15 кГц, для систем посадки самолетов более 100 кГц. Устройства светографики. Высокая частота следования импуль- сов лазера на парах меди позволяет реализовать растровые проекцион- ные системы. Например, лазер с частотой повторения 100 кГц позволяет создать растр размером 100 ×100 пикселей при частоте кадров 10 Гц. Развертка по строкам и кадрам и синхронизация осуществляется систе- мой зеркал. Модуляция интенсивности луча создает на экране требуе- мое изображение. Лазеры на парах меди и ее соединений успешно применяются в задачах микрообработки материалов [26]. При использовании высоко- качественной оптики луч лазера на парах меди или бромида меди может быть сфокусирован в пятно диаметром менее 0,1 мм, при этом плот- ность мощности в фокусе достигает очень больших значений даже при использовании сравнительно маломощных лазеров (3–5 Вт). Поскольку 67 излучение ЛПМ является импульсным, то каждый импульс испаряет очень малое количество разрезаемого материала, не затрагивая осталь- ную его часть. Это позволяет легко управлять глубиной реза. Лазерное разделение изотопов [42]. Известно, что изотопы атома имеют практически одинаковые химические свойства, и их разделение является непростой задачей. Поэтому стоимость чистых изотопов тяже- лых элементов весьма высока (тысячи долларов за грамм). Метод лазер- ного разделения использует процесс двухступенчатой ионизации, ана- логично методу фотоионизационной спектроскопии, только ионизиро- ванные атомы отводятся не на регистратор, а в ловушку. Этот метод требует лазеры мощностью десятки ватт с очень узкими спектральными линиями. Для получения требуемых для селективной фотоионизации длин волн используются лазеры на красителях с накачкой ЛПМ. Активные оптические системы [43–50]. Благодаря высокой спек- тральной яркости излучения и высокому коэффициенту усиления ак- тивной среды лазеры на парах металлов успешно применяются в систе- мах с усилением яркости – лазерных проекционных микроскопах и ла- зерных мониторах. Данный аспект применений будет рассмотрен нами ниже более детально. Лазеры на парах меди и бромида меди находят применения в меди- цине [4]. В онкологии с помощью излучения ЛПМ (либо излучением ла- зера на красителе с накачкой ЛПМ) разрушают доброкачественные и злокачественные опухоли гортани, бронхов, пищевода, желудка и ки- шечника. В дерматологии и косметологии он используется для лечения сосудистых и пигментных дефектов кожи. Влияние лазерного излуче- ния происходит за счет селективной фотокоагуляции, в основе которой лежит избирательное поглощение лазерного излучения на определенной длине волны, что приводит к локальному разрушению одного из компо- нентов поврежденной биологической ткани. Кроме этого, лазеры на парах меди применяются в спектроскопии и флуориметрии, накачки перестраиваемых лазеров на красителях, го- лографии и т.д. Активные элементы лазеров на парах бромида меди Некоторые типичные конструкции ЛПГМ представлены в сборнике трудов ФИАН [51]. Ограничимся рассмотрением основных конструкций лазеров на парах бромида меди, применяемых в Институте оптики ат- мосферы СО РАН и Томском политехническом университете [36–40]. На рис. 5.2, а, б показаны два саморазогревных варианта конструк- ций активного элемента. Поддержание температуры разрядного канала, 68 происходит за счет тепла, выделяемого в разряде. Нагрев рабочего ве- щества в случае ( а)также осуществляется в режиме саморазогрева, в случае ( б) – за счет отдельных нагревателей. Введение добавки HBr осуществляется с помощью реверсивного генератора HBr, который представляет собой контейнер с адсорбентом (цеолитом), насыщенным HBr. При нагреве происходит выделение добавки, при охлаждении, на- оборот, поглощение добавки адсорбентом. а б в г Рис. 5.2. Конструкции активных элементов CuBr-лазеров: 1) кварцевая трубка, 2) электроды, 3) контейнеры с рабочим веществом, 4) ловуш- ки, 5) выходные окна, 6) генератор HBr, 7) нагреватели На рис. 5.2, в, г представлены активные элементы с внешним нагре- вом. Их достоинством является возможность поддержания стационар- ной температуры ГРТ независимо от энерговклада в импульсах накачки. Это позволяется работать в цуговом и ждущем режимах, а также в ре- жиме пониженного энерговклада в разряд. На рис. 5.3, г приведена кон- 69 струкция активного элемента с внешними электродами. Её отличие от трех других заключается в том, что электроды не соприкасаются с газо- вой средой. Электрическая связь плазмы внутри ГРТ и схемы накачки осуществляется посредством электродных емкостей. Разряд такого типа (продольный емкостный разряд) относительно недавно стал применять- ся для накачки лазеров на самоограниченных переходах в парах метал- лов [39]. Очевидным его достоинством перед традиционно применяе- мым сильноточным тлеющим разрядом является отсутствие внутренних электродов, что обеспечивает высокую чистоту газовой смеси. Это осо- бенно важно при работе с химически агрессивными примесями, такими как HBr или HCl. Схемы накачки лазеров на парах металлов Кратко остановимся на наиболее распространенных схемах накачки лазеров на парах металлов. На рис. 5.3, а приведена наиболее распро- страненная схема прямого разряда накопительного конденсатора. В межимпульсный период конденсатор С 1 резонансно заряжается до уд- военного напряжения высоковольтного выпрямителя ВВ. VD и Lc - за- рядные диод и индуктивность. Индуктивность L b шунтирует ГРТ во время заряда С 1 . Основным требованием к величине шунтирующей ин- дуктивности является низкое реактивное сопротивление во время заряда (меньше активного сопротивления ГРТ), и высокое сопротивление в момент разряда. Типичная величина зарядной индуктивности составля- ет обычно 0,2–0,3 Генри, шунтирующей – единицы миллигенри. После включения тиратрона VL начинается разряд конденсатора C 1 через ГРТ. Типичная величина накопительного конденсатора составля- ет сотни пикофарад – единицы нанофарад. Она зависит от частоты по- вторения импульсов, напряжения и требуемой для разогрева трубки мощности. В качестве коммутаторов используются водородные тира- троны (например, ТГИ1-1000/25, ТПИ1-1000/20 и др.). Они позволяют работать при ЧСИ до 20 кГц. Для работы на более высоких ЧСИ приме- няются таситроны (например, ТГУ1-1000/25) или модуляторные лампы (ГМИ-29А, ГМИ-32Б и др.). В схеме удвоения напряжения Блюмляйна (рис. 5.3, с) в межим- пульсный период происходит резонансный заряд накопительных емко- стей С 1 и С 2 . После открытия тиратрона конденсатор С 1 перезаряжается (инвертируется) и в результате на последовательно включенных кон- денсаторах С 1 и С 2 напряжение удваивается. Таким образом, на элек- тродах ГРТ возникает всплеск напряжения, равный 4U ВВ . Номиналы С 1 и С 2 выбираются либо равными, либо С 2 >C 1 70 а б c Рис. 5.3. Схемы накачки ЛПМ: а) схема прямого разряда накопительного конденсатора, б) схема без внешней на- копительной емкости, с) схема удвоения напряжения Блюмляйна ГРТ с внешними электродами (рис. 5.2, г) отличаются от традици- онных активных элементов гораздо большей величиной собственной емкости, которая складывается, главным образом, из электродных емко- стей. Величину электродной емкости можно оценить, рассматривая электроды как цилиндрические конденсаторы: 0 2 1 2ре еh C D ln( ) D e = , (6.1) где D 2 – внешний диаметр электрода, D 1 =D 2 -2d – внутренний диаметр электрода, d – толщина кварцевой стенки (2 мм), ε – диэлектрическая проницаемость кварца. Величина емкости каждого электрода составляет несколько сотен пикофарад, т.е. сравнима с величиной емкости накопительного конден- сатора С 1 (рис. 5.3, а). Проведенные исследования [39], показали целе- сообразность применения схемы без внешнего накопительного конден- сатора (рис. 5.3, б). В этой схеме также отсутствует и шунтирующая ин- дуктивность L b , что, с одной стороны, упрощает схему накачки, с дру- гой, исключает потери энергии в индуктивности L b Лабораторный малогабаритный лазер на парах бромида меди имеет схему накачки на основе полупроводниковых ключей [52]. Упрощенная 71 схема генератора высоковольтных импульсов показана на рис. 5.4. Ос- новным элементами схемы являются десять параллельно включенных IGBT транзисторов. Накопительные емкости С 3 , С 4 и т.д. величиной 4,7 нФ резонансно заряжаются через индуктивность L 1 до 1000В каж- дый (при напряжении источника питания U п =500–600 В). Импульсные трансформаторы имеют коэффициент трансформации равный единице. Вторичные обмотки трансформаторов соединены последовательно, что позволяет формировать на электродах ГРТ напряжение 10 кВ. Между электродам ГРТ может быть также подключен обострительный конден- сатор С p . В ряде случаев он способствует повышению эффективности накачки, величина С p определяется экспериментально по максимуму мощности генерации. Рис. 5.4. Схема накачки лазера с транзисторным коммутатором |