СОВРЕМЕННЫЕ ЛАЗЕРНЫЕ КОМБИНИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ ИК ДИАПАЗОНА

MODERN COMBINED IR LASER SYSTEMS

Boris Kuzyakov

Candidate of physics and mathematics, Laser Association RF, Associate Professor RTU MIREA, Russia, Moscow

Аннотация. Представлены пути модернизации лазерных комбинированных систем среднего ИК диапазона. Базой является использование волноводного углекислотного лазера. Проведена параллель с применением систем: «волоконный лазер – волоконный световод» ближнего ИК диапазона.

Abstract. The ways of modernization of laser combined systems of the mid-IR range are shown. The basis is the use of a waveguide carbon dioxide laser. A parallel is drawn between the combined systems: "fiber laser – fiber light guide" of the near IR range.

Ключевые слова: лазерные; комбинированные системы; диапазон; средний ИК; волноводный лазер; волоконный лазер; ближний ИК.

Keywords: laser; combined systems; range; medium IR; waveguide laser; fiber laser; near IR.

Среди СО₂ - лазеров выделяются высокоэффективные лазеры волноводного типа [1-2]. Разрядная трубка волноводного газового лазера показана на рисунке 1.

Рисунок 1. Поперечное сечение разрядной трубки волноводного газового лазера: 1 – внешняя оболочка (кожух); 2 – металлическая подложка; 3, 6, 7 ,8 – керамическая пластина; 4 – волноводный канал; 5 – электрод; 9 – дополнительные газовые полости; 10 – канал для хладогента

Разрядная трубка (рисунок 1) волноводного газового лазера в поперечном сечении имеют размеры 1 – 2 мм [2 - 4], что соизмеримо с характерными размерами волоконных световодов ИК диапазона. Вариант волноводного газового лазера приведен на рисунке 2.

Рисунок 2. Общий вид волноводного газового лазера: 1 – плотное зеркало с коэффициентом отражения более 99%; 2 – выходное зеркало с коэффициентом пропускания 10 – 15%; 3 – металлическая оболочка; 4 – электрод; 5 – диэлектрик; 6 - волноводный канал

В данной работе будем придерживаться более устоявшейся терминологии в РФ и относить диапазон длин волн 9 - 11 мкм к диапазону среднего ИК. Отличие волноводных газоразрядных лазеров состоит в наличии полого, например, диэлектрического волновода между зеркалами, который выполняет несколько функций. С одной стороны, его внутренняя поверхность ограничивает объем, заполненный активной средой, с другой стороны, он служит каналом, по которому распространяется лазерное излучение, является составной частью волноводного резонатора и определяет модовый состав излучения. При одинаковой мощности однолучевого излучения расход рабочей газовой смеси для поддержания ее стабильного состава в волноводных лазерах почти на порядок меньше, чем в других трубчатых лазерах. Среди преимуществ СО₂ –ВЛ, выделяются главные: компактность; высокое качество выходного излучения; высокая надежность; большой ресурс работоспособности. Наряду с этим, теоретически и экспериментально были исследованы частотные зависимости интенсивности спонтанного и вынужденного излучений молекулы CO₂ в компактном волноводном лазере при модуляции плотности тока накачки активной среды. Рассматривалось влияние компонентов газовой смеси N₂ и СО на эффективное время жизни верхнего лазерного уровня τ_эф молекулы CO₂. Была показана необходимость учета мощности выходного излучения I при измерении τ_эф по модуляционным характеристикам I. Измеренные модуляционные характеристики позволили определить частотный диапазон модуляции мощности выходного излучения. Волноводная трубка СО₂ –ВЛ, может быть изготовлена из различных конструкционных материалов, таких как молибденовое стекло, кварц, керамика ВеО, керамика BN, А1₂03, а также на основе структуры «металл – диэлектрик», в которой в качестве подложки могут использоваться медь, алюминий, бронза, нержавеющая сталь, алюминий и другие металлы и сплавы, а в качестве диэлектрика - слой селективного материала. При использовании керамики ВеО, обладающей очень высоким коэффициентом отражения для излучения СО₂ –лазера, близким к 100 % или структуры «металл – диэлектрик», реализовывался режим волноводного распространения лазерного излучения. Такой режим повышал эффективность всего СО₂ – ВЛ. Основной целью приведенных изобретений [2 - 3], явилось повышение мощности на одной линии генерации путем увеличения добротности резонатора. Отметим, что у современных волноводных СО₂ –лазеров мощностью 100 Вт и выше, угол расходимости θ = 0,25 мм мрад , следовательно, значение параметра качества излучения ВРР очень близко к значению 1,8. При этом, качество излучения, по более важному параметру, М² ≈ 1 значительно выше. В среднем ИК диапазоне используются разнообразные системы, включая приборы ночного видения [4]. Обратимся теперь к волоконным световодам среднего ИК диапазона. В настоящее время, разработаны волоконные световоды среднего ИК диапазона высокого качества [5 - 7]. Проведенное сопоставление данных показало, что базовые принципы работы световодов ближнего и среднего ИК поддиапазонов практически подобны и хорошо известны [7 – 9], так же как и их описывающие, базовые уравнения. Решением этой системы уравнений, как известно, являются семейство функций Бесселя. К настоящему времени разработаны и используются волоконные световоды разных типов: «галстук – бабочка»; «панда»; с эллиптической сердцевиной; с градиентом показателя преломления; с двойной сердцевиной и т.п.. Для среднего ИК диапазона применяют халькогенидные стекла, некоторые их свойства приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Виды халькогенидных стекол и их основные свойства

Следует заметить, что при переходе от структуры материала центральной части световода AgCl_0,25Br_0,75 к структуре AgBr_0,95Tl_0,05I_0,05 длинноволновая область пропускания световода, в среднем составляющей величину – 70 %, расширяется от 2–20 мкм до 3–25 мкм. Наряду с этими особенностями волоконных световодов ИК диапазона, важно учитывать общие потери. Вклад в величину оптических потерь в волоконных световодах вносят разнообразные факторы [8 - 12]. Все потери, часто разделяют на 2 части: собственные и несобственные. В собственных, в свою очередь, выделяют потери на поглощение, обусловленные электронными переходами и решеточными колебаниями и потери на рассеяние, включающие релеевское, комбинационное и др. Вариант лазерной комбинированной системы, работающей в среднем ИК диапазоне, приведен на рисунке 3.

Рисунок 3. Вариант лазерной комбинированной системы для среднего ИК диапазона: 1 – блок электропитания; 2 – волноводный СО₂ –лазер; 3 – узел сопряжения с волокном; 4 – отрезок волоконного световода ИК диапазона; 5 – выходной торец световода и выход лазерного излучения

В наше время лазерные комбинированные системы среднего ИК диапазона широко применяются в разнообразных сферах науки и техники. В тоже время, разработанные волоконные лазеры, работающие в области ближнего ИК диапазона, оказались наиболее эффективными (рисунок 4) и нашли применения в большом ряде областей науки и техники. Это связано, в том числе, с тем, что их области генерации излучения попадают в область работы волоконных световодов, обладающих малыми потерями, вплоть до уровня –менее 1 дБ/км.

Рисунок 4. Общая схема волоконного лазера

Наиболее освоен диапазон волн ~ 1,5 мкм. Комбинация волоконных лазеров и волоконных световодов привела к созданию целого ряда устройств, совершивших настоящий прорыв в базовых технологиях обработки разнообразных материалов и медицине. Среди огромного перечня разнообразных применений волоконных световодов среднего ИК диапазона можно выделить области, в которых их использование наиболее эффективно и часто не имеет альтернатив: технологии обработки разнообразных материалов с использованием мощных волноводных технологических СО₂-лазеров, медицину, особенно в области лазерной хирургии, сцинтилляционные источники и датчики, широко используемые в метрологии и производственных процессах.

Краткие выводы. Таким образом, в работе рассмотрены особенности волноводных газовых лазеров с вариантами их конструкций. Подтверждена их высокая эффективность. Приведены значимые особенности волоконных световодов среднего ИК диапазона. Табулированы основные виды халькогенидных стекол и их основные свойства. Построенные фазовые диаграммы, позволяют более оперативно подбирать составы структур световодов с соответствующими параметрами для выбранного конкретного применения. Кратко перечислены основные области применения волоконных световодов среднего ИК диапазона. Проведена параллель между применением комбинированных систем: «волоконный лазер – волоконный световод» ближнего ИК диапазона и «волноводный СО₂ - лазер - волоконный световод» среднего ИК диапазона. Показано, что реализован прорыв в технологиях [13 - 14] обработки разнообразных материалов и медицине с использованием лазерных систем среднего ИК диапазона.