Введение к работе
Актуальность темы. Применение СОг лазеров в промышленности, экологии, медицине и научных исследованиях требует от них компактности, экономичности и простоты управления характеристиками вынужденного излучения.
Проблема достижения высоких энергетических характеристик в отпаянных СОз лазерах с диффузионным охлаждением активной среды привела к использованию волноводного режима формирования поля излучения в узком разрядном канале. Достигнутый к настоящему времени в таких лазерах с линейными оптическими резонаторами уровень мощности, снимаемой с единицы длины прибора (линейной выходной мощности), составляет 0.5 -г 0.8 Вт/см при использовании для накачки поперечного высокочастотного разряда.
Существенного увеличения линейной выходной мощности удалось достичь за счёт перехода к щелевой геометрии активной среды. Для формирования излучения лазера в этом случае используется неустойчиво-волнозодный резонатор, стабильный в ортогональном к электродам направлении и неустойчивый в плоскости, параллельной электродам.
Однако переход к ВЧ возбуждению разряда в щелевом зазоре вызывает трудности при согласовании источника питания с нелинейным импедансом разрядной структуры. Эта задача требует исследования зависимостей от вкладываемой мощности величин активной и реактивной составляющих сопротивления газоразрядной плазмы.
Возможности применения щелевых лазеров ограничены астигматич-ностыо выходного пучка. Условия формирования осеснмметричного пучка в неустойчиво-волноводных резонаторах в сочетании с оптимальным выводом излучения до настоящего времени не изучены, а использование внешнего коллиматора удваивает стоимость лазера. Дополнительные исследования требуются также для создания щелевых лазеров, перестраиваемых по длинам волн излучения, с высокой мощностью генерации на хаждрй линии.
Цель работы: создание малогабаритных СОг лазеров непрерывного действия с возбуждением активной среды в щелевом зазоре поперечным высокочастотным разрядом, выходной пучок излучения которых близок к осесимметричному, а линейная выходная мощность превышает 1 Вт/см. Достижение поставленной цели требует решения следующих задач: 1. Исследование влияния конфигурации газоразрядного промежутка, газового состава, условий возбуждения разряда и процесса диссоциации
молекул на выходные характеристики волноводных ССЬ лазеров с ВЧ возбуждением.
2. Изучение факторов, определяющих особенности нелинейного им
педанса поперечного высокочастотного разряда в щелевом зазоре, и по
иск способа оптимального согласования с генератором.
3. Анализ формирования лазерного излучения в неустойчиво-
волноводных резонаторах; выбор конфигураций зеркал и геометрии ще
ли, обеспечивающих сочетание эффективного энергосъёма с отсутствием
астигматизма у выходного пучка.
4. Исследование возможностей перестройки щелевого волноводного
лазера по вращательным переходам молекулы CCh.
Научная новизна результатов работы заключается в следующем:
1. Разработана методика измерения электрических характеристик
слабо аномального ВЧ а- разряда.
-
Установлено, что реактивная составляющая нелинейного импеданса слабо аномального поперечного ВЧ а- разряда в щелевом зазоре определяется емкостным сопротивлением призлектродных слоев, монотонно убывающим с ростом вкладываемой мощности.
-
Найдено условие оптимальной передачи энергии от генераторов к поперечному высокочастотному разряду в щелевых СОг лазерах. Предложен и обоснован способ широкополосного согласования генераторов с поперечным ВЧ а- разрядом в щелевом зазоре СО2 лазера, обеспечивающий передачу мощности накачки 4 -г 8 Вт на 1 см2 поверхности электрода через четвертьволновые трансформаторы.
4. Показана теоретически н подтверждена экспериментально воз
можность достижения в щелевых лазерах с неустойчиво - волноводными
резонаторами пространственных характеристик вынужденного излуче
ния, близких к реализуемым в одномодовых волноводных лазерах.
-
Определены требования к неустойчиво-волноводному резонатору, формирующему осесимметричный выходной пучок в сочетании с оптимальным выводом излучения из лазера.
-
Обеспечена перестройка длины волны излучения без использования диспергирующих элементов по десяти вращательным переходам молекулы С02 с мощностью генерации от 40 до 50 Вт на каждой линии.
-
При ВЧ возбуждении в щелевой разрядной структуре активных сред на атомах Хе и на молекулах СО с использованием неустойчиво-волноводного резонатора получена эффективная генерация (0.7 Вт и 6 Вт соответственно при длине активной среды 230 мм) в ИК области спектра (1.73 -ь 3.51 мкм и5ч- 7 мкм).
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Реактивная составляющая нелинейного импеданса слабо аномаль
ного поперечного высокочастотного а- разряда в щелевом зазоре опреде
ляется емкостным сопротивлением приэлектродиых слоев, монотонно
убывающим с ростом вкладываемой мощности.
2. Широкополосное согласование генераторов с поперечным ВЧ
а- разрядом щелевого СОг лазера, осуществляющее передачу мощности
накачки 4 -*- 8 Вт на 1 см2 поверхности электрода, обеспечивается чет
вертьволновыми трансформаторами с волновым сопротивлением, вели
чина которого определяется соотношением:
N/R = (1.7±0.3)-10-3 S (мм2) Ipd (Торрмм), где ЛГ - число подсоединяемых к разрядной структуре трансформаторов, R -волновое сопротивление каждого трансформатора, 5 - площадь рабочей поверхности электрода, р - давление газовой смеси в разрядном объёме, d - расстояние между электродами.
3. Если выходная мощность щелевого СОя лазера не превышает
100 Вт, выбор размеров отражающих поверхностей зеркал неустойчиво-
симметричному выходного пучка с эффективным режимом вывода излучения.
Достоверность научных выводов работы подтверждается близостью экспериментальных и теоретических результатов, а также прямыми испытаниями созданных лазеров.
Практическая значимость работы:
-
Создано устройство согласования генераторов с поперечным ВЧ разрядом в широких диапазонах изменения частоты и уровня вкладываемой в разряд мощности.
-
Разработана методика регистрации электрических парамегров слабо аномального высокочастотного а- разряда в щелевом зазоре CCh лазера.
-
Разработано устройство стабилизации газового наполнения, позволяющее создавать компактные отпаянные СОг лазеры с поперечным ВЧ разрядом.
-
Найдены соотношения между размерами отражающих поверхностей зеркал и характеристиками активной среды СОг лазера, обеспечивающие линейную выходную мощность, превышающую 1 Вт/см, и осе-симметричный пучок выходного излучения.
5. Созданы компактные отпаянные СОг лазеры с мощностями
генерации 30 Вт и 54 Вт со следующими массо-габаритными показателя
ми: 4.5 кг/ 420 х 90 х 80 мм и 6.0 кг/ 480 х 100 х 90 мм соответственно.
-
Созданы лазеры с перестройкой длины волны по десяти вращательным переходам молекулы CCh и мощностью излучения на каждой линии от 40 до 50 Вт.
-
Показана возможность создания щелевых волноводных лазеров с ВЧ возбуждением на молекулах СО и на атомах Хе с выходной мощностью 6 Вт и 0.7 Вт соответственно.
Апробация работы. Результаты исследований были представлены на следующих научных конференциях: "Оптика лазеров '93" (С.-Петербург, 1993), XXII международная конференция по явлениям в ионизованных газах (Хобокен, США, 1995), "Оптика лазеров '95" (С.-Петербург, 1995), рабочая встреча НАТО "Лазеры высокой мощности - наука и техника" (Карловы Вары, Чехия, 1995), рабочее совещание НАТО "Газовые лазеры - состояние и перспективы (Москва, 1995), III российско - китайский симпозиум по лазерной физике и технологии (Красноярск, 1996), международная конференция "Лазерные методы для применений в биологии и экологии" (Ираклион, Греция, 1996), XI международный симпозиум "Газовые и химические лазеры" и конференция "Лазеры высокой мощности" (Эдинбург, Великобритания, 1996), рабочее совещание НАТО "Оптические резонаторы - наука и техника" (Смолинице Каста, Словакия, 1997).
По материалам диссертации опубликованы 22 работы, включая 2 патента РФ. Частично результаты работы обобщены в обзорах "Gas Lasers" и "Laser Methods for Biomedical Applications" в международном журнале "SPIE - The International Society for Optical Engineering".
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка цитируемой литературы из 97 наименований и трёх приложений. Она изложена на 153 страницах машинописного текста, содержит 5 таблиц и 68 рисунков.
Похожие диссертации на Щелевые волноводные СО2 лазеры с высокочастотным возбуждением
