Введение к работе
Диссертация посвящена разработке физических основ лазеров на самоограниченных переходах атомов металлов с управляемыми характеристиками генерации и созданию эффективных лазеров для широкого практического использования. Основные результаты этих исследований представлены в публикациях [! - 95].
Актуальность темы. Решение большого круга научных и практических задач, связанных с лазерным разделением изотопов, глубокой очисткой вещее їв, лазерной фотохимией, лазерным зондированием атмосферы к т.д. требует разработки эффективных лазеров в широком спектральном диапазоне. Среди существующих лазеров достойное место занимают импульсные лазеры, работающие на переходах с первого резонансного на метастабильный уровень атомов или ионов металлов ( так называемые лазеры на самоограниченных переходах). Механизм создания инверсной населенности уровней в таких системах базируется на различной скорости возбуждения из основного состояния атома (иона) верхнего лазерного уровня по сравнению с нижним з период ионизационной неравновесности плазмы. Инверсная населенность уровней возникает ча короткое ( -10"6 с) время, и лазеры в традиционных рабочих смесях и газоразрядных схемах возбуждения работают только в импульсном режиме. Из-за высокой квантовой эффективности (0,5 - 0,7) лазерных переходов в атомах металлов реальный коэффициент полезного действия лазеров может достигать десяти и более процентов, что представляет заманчивую перспективу для создания лазеров видимого диапазона спектра с высоким практическим КПД.
Интенсивное изучение лазеров на самоограниченных переходах началось после основополагающих работ W. Walter, G. Fowles, W. Silfvast, в которых была впервые получена генерация в парах РЬ, Мп, Си и сформулированы основные принципы достижения высоких КПД. Однако на первом этапе экспериментальных исследований реальный КПД лазеров не превышал 1%. Использование энергоемких нагревателей для поддержания активной среды при высокой температуре приводило к резкому снижению эффективности лазера.
Существенный прогресс в развитии лазеров на парах металлов (ЛПМ) наметился в связи с использованием саморазогревного способа возбуждения паров за счет диссипации энергии импульсно-периодического разряда с большой частотой следования импульсов (ЧСИ). Простота и надежность высоко-
температурной техники, созданной на этом принципе, позволили поднять практический КПД лазера на парах меди и существенно повысить как импульсную, так и среднюю мощность генерации. В 1975г. был разработан первый приборный вариант лазера на парах меди с отпаянной трубкой.
Саморазогревный режим работы, в его классическом варианте, позволил резко улучшить выходные параметры ЛПМ, однако не исчерпал их потенциала по повышению КПД, энергии излучения и частоты следования импульсов. Естественным и необходимым представлялось дальнейшее развитие саморазо-гревного способа, а также поиск новых методов получения паров и возбуждения активной среды.
В семидесятые годы усилиями нескольких отечественных научных школ (Петраш Г.Г., Бохан П.А., Сэм М.Ф., Климовский И.И., Бужинский О.И.), а также ряда зарубежных ученых (W. Silfvast, М. Kushner, I. Smilanski, Т. Karras) сформировалось перспективное научное направление - лазеры на парах металлов и их применение. В настоящей работе отражен научный вклад автора в развитие этого направления.
Лидером среди лазеров на самоограниченных переходах атомов металлов является лазер на парах меди. Высокие значения средней мощности генерации (>200 Вт), коэффициентов усиления (>100 Дб/м) и близкой к дифракционной расходимости (до 10"4 рад), достигнутые к настоящему времени ставят его в ряд наилучших источников лазерного излучения видимого диапазона спектра.
Начало исследований, представленных в диссертации, относится к 1974г. В середине 70-х гг. возможности эмпирического подхода к проблеме достижения высоких прогнозируемых характеристик ЛПМ, в частности, Cu-лазера, были исчерпаны. Стало очевидным, что перспективы дальнейшего развития этого класса лазеров связаны с глубоким изучением свойств самой активной среды и поиском физических механизмов для управления ее характеристиками.
В соответствии с вышесказанным целью настоящей работы являлось исследование закономерностей формирования активных сред импульсных лазеров на самоограниченных переходах в парах металлов с продольным разрядом и разработка физических основ для создания эффективных лазеров с управляемыми параметрами.
Ее конкретная реализация предполагала решение следующих основных задач:
параметрическое исследование саморазогревных лазеров на парах Си, РЬ, Аи и других элементов в широком диапазоне условий возбуждения, в частности, при пониженных, средних и высоких энерговкладах;
исследование динамики и спектроскопических свойств импульсно-периодического разряда в смесях паров меди с инертными газами;
исследование оптических и электрокинетических параметров плазмы в период ионизационной н рекомбинацнонной неравновесности;
создание новых методов возбуждения ЛПМ и исследование способов высокоскоростного управлення лазерными характеристиками;
исследование возможности повышения КПД лазера на парах меди за счет "управления" формой импульса возбуждения;
создание эффективных многоцветных лазеров;
поиск новых активных сред и новых лазерных переходов;
оптимизация условий возбуждения лазеров на растворах органических
красителей при накачке сред излучением лазеров на парах Си, Аи, РЬ;
исследование возможностей преобразования излучения ЛПМ в нелинейных кристаллах и кристаллах с центрами окраски;
разработка лазеров и лазерных систем на парах металлов для. практического применения.
В методическом плане работа носит комплексный характер и связана с разработкой оригинальных газоразрядных источников и электрических схем импульсного возбуждения плазмы паров металлов, экспериментальной диагностикой характеристик плазмы, моделированием физических процессов в активных средах и созданием эффективных лазеров для практического использования.
Экспериментальные исследования проведены оптическими методами, основанными на излучении, поглощении и интерференции света. Математическое моделирование физических процессов в активных средах базировалось на рассмотрении дифференциальных уравнений баланса с переменными во времени параметрами с использованием современных данных о константах скоростей столкновительных процессов.
Работа по теме диссертации выполнялась в рамках научной программы "Создание и производство лазерной техники для народного хозяйства" согласно постановлению ГКНТ и АН СССР № 537/137 от 10.11.85г. и № 284 от 04108.87г. Она представлена также проектами в научных программах Госкоми-
тета РФ по высшей школе "Физика лазеров и лазерные системы", "Лазеры и лазерные технологии", инновационных научно-технических программах "Трансферные технологии" и "Поддержка малого предпринимательства и новых экономических структур в науке и научном обслуживании высшей школы".
Научная новизна работы характеризуется рядом проведенных оригинальных исследований и впервые полученных научных результатов, наиболее существенные из которых состоят в следующем:
предложен и реализован механизм возбуждения активной среды им-пульсно-периодических лазеров на самоограниченных переходах, основанный на избирательном воздействии на электронную компоненту плазмы;
предложен и экспериментально реализован способ управления процессом ионизации плазмы во время импульса возбуждения;
осуществлен режим "пониженных" энерговкладов в активную среду, в условиях которого получены предельные частоты следования импульсов и рекордные удельные мощности генерации в Си- и Аи-лазерах;
разработан и реализован способ создания мультиэлементных многоцветных лазеров на парах металлов с пространственно-разнесенными активными средами;
в условиях нелинейного преобразования генерации Си-лазера при скалярном угловом "оое"-синхронизме получено коротковолновое когерентное излучение на длинах волн X = 271 и 289 нм.
Достоверность научных положений и полученных результатов подтверждается:
применением современных экспериментальных методов диагностики активных сред ЛПМ;
использованием калиброванной аппаратуры для определения спектральных, временных и энергетических характеристик спонтанного излучения и генерации;
созданием лазеров и лазерных систем, реализующих содержание 1-ь5 пунктов защищаемых положений;
экспериментальной реализацией высокой (> 5' 1014 см '3) концентрации атомов тугоплавких металлов;
наблюдением линий генерации в атоме тулия.
Научные положения, выносимые на защиту
1. В импульсно-периодических лазерах на самоограниченных переходах
суперпозиция возбуждающих и дополнительных импульсов с контролируемой
энергией, длительностью и временной задержкой обусловливает избирательное
воздействие на электронную компоненту плазмы и тем самым обеспечивает
оперативное управление параметрами генерации в широком диапазоне:
снижение степени ионизации плазмы в стадии возбуждения за счет резкого уменьшения концентрации электронов в диапазоне N^4-10 +5-10 см" (и как следствие, в межимпульсном периоде) в режиме полного обрыва энерговклада в активную среду после импульса генерации при апериодическом характере импульса тока в фазе возбуждения обеспечивает повышение эффективности Cu-лазера до 9%;
благодаря временной задержке дополнительного импульса относительно возбуждающего в пределах от десятков до единиц микросекунд и вариации соотношения их энергии от 0 до 10% в условиях авторегулировки теплового баланса достигается диапазон управления энергией и средней мощностью генерации (0+100%), длительностью импульса генерации - (2+30 не) и частотой следования импульсов от единиц до десятков килогерц;
формирование импульса генерации длительностью 50-200 не дает возможность в одном активном элементе совместить функции генератора-усилителя и повысить до 80% долю энергии излучения с дифракционной расходимостью.
2. Уменьшением степени ионизации плазмы в импульсе возбуждения за
счет понижения энерговкладов в активную среду достигаются:
- предельные частоты следования импульсов генерации Cu-лазера 235кГц
и Ли-лазера 150 кГц;
- рекордные удельные средние мощности генерации для Си-лазера 1-2
Вт/см и для Аи-лазера 0,2-0,3 Вт/см , соответственно, в диапазоне оптималь
ных частот 30-60 кГц.
3. Мультиэлементная многоцветная генерация на самоограниченных пе
реходах Си, Аи, Ва, РЬ и Мп реализуется в условиях продольного либо попе-
речного секционирования активной среды за счет оптимизации ее электрокинетических параметров и концентрации атомов каждого элемента.
-
Оптимизация энергетических, спектральных и временных характеристик лазерных комплексов на основе лазеров на парах Си, Аи, РЬ с красителями, либо кристаллами с центрами окраски или нелинейными кристаллами обеспечивает диапазон дискретной и плавной перестройки излучения в области X = 0,26-^3,0 мкм, при этом в режиме управления формой импульса генерации Cu-лазера достигается трехкратное сужение спектра генерации лазера на красителе.
-
Эффективность нелинейного преобразования частоты генерации Си-лазера определяется амплитудно-временным согласованием импульсов генерации желтой X = 578,2 нм и зеленой X = 510,6 нм линий, а также пространственной структурой лазерного пучка, сформированного неустойчивым резонатором.
-
В импульсно-периодическом разряде с контролируемой концентрацией рабочих атомов в диапазоне N = 5-1014-1015см" осуществляется генерация на самоограниченных переходах атома тулия X =589,9 и 1101,1 нм.
-
Для лазеров на самоограниченных переходах в диапазоне X = 500-1000 нм перспективен ряд переходных элементов VI и VII групп Cr, Mo, Re, Тс, богатый спектр близких по интенсивности линий которых обусловлен мощной селективной накачкой верхних резонансных состояний и высокой мультиплет-ностью термов нижних метастабильных конфигураций.
Научная значимость полученных в работе результатов состоит в следующем:
разработаны физические основы для создания эффективных лазеров на парах металлов с управляемыми характеристиками генерации: энергия, мощность, ЧСИ, спектр излучения, расходимость. Экспериментально обоснованы пути их технической реализации;
показана возможность целенаправленного изменения скорости элементарных столкновительных процессов в активной среде Cu-лазера путем управ-
ления динамикой электрокинетических параметров плазмы на различных временных стадиях импульсного разряда. Экспериментально подтверждена высокая эффективность лазеров на основе активных сред с управляемыми параметрами;
созданы эффективные лазеры на самоограниченных переходах атомов Си, Ли, РЬ и Sr и лазеры на органических красителях (уранин, родамин 6Ж, родамин В, нильский голубой, крезил фиолетовый, оксазин-1) с управляемыми характеристиками генерации:
установлены закономерности преобразования излучения лазеров на парах Си, Ли, РЬ в красителях, кристаллах с центрами окраски и нелинейных кристаллах;
обоснована перспективность создания новых активных сред лазеров на самоограниченных переходах атомов тугоплавких металлов:
определены перспективные для генерации спектральные переходы в области X = 500-1000 нм
экспериментально реализована высокая > 4' 1014см"3 концентрация атомов тугоплавких металлов.
Практическая значимость работы заключается в том, что на основе проведенных исследований и разработок, результаты которых защищены авторскими свидетельствами, патентами РФ и зарубежных стран, создан комплекс лазеров на парах металлов и лазерных систем на их основе для широкого практического применения:
созданы лабораторные и опытные образцы, а также малые серии лазеров на парах Си, СиВг, Ли со средней мощностью в диапазоне 0,5-к50 Вт и ЧСИ 5-^64 кГц;
создан комплекс автономных лазерных источников на парах металлов и органических красителях импульсно-ттериодического действия для задач оптики атмосферы (лазерное зондирование, спектроскопия атмосферных газов, визуализированные навигационные системы, лазерная локация и т.д.) со средней и импульсной мощностью до 20 Вт и 1 МВт, соответственно, с частотой следования импульсов генерации от единиц герц до 100 кГц, перекрывающих спектральный диапазон от 271 до 6452 нм дискретно и от 275 до 710 нм плавно. Реализованы лазеры, способные работать с высокой эффективностью одно-
временно на 3V7 длинах волн, а также лазеры с управляемыми характеристиками генерации;
разработаны и реализованы лазерные системы на основе ЛПМ с дискретными длинами волн в видимой области спектра для профилактики и лечения заболеваний в различных областях медицины;
созданы образцы лазерных преобразователей на органических красителях ЛКМ-01, МЛК-02, МЛК-03, ЛЖК-10 и ЛЖК-ПУФ с плавной перестройкой длины волны в области X = 275 -г- 710 нм для использования в медицине, биологии и научных исследованиях;
на основе лазера на парах бромида меди мощностью 12 Вт разработан лазерный комплекс для имитации силуэтов летательных аппаратов.
Использование результатов работы и внедрение
Результаты научных исследований использованы в СКБ НП "Оптика" СО РАН при конструкторско-технологической разработке саморазогревных лазеров на парах меди, золота, свинца и стронция "Милан-05", "Милан-1", "Милан-5", "Милан-10", "Милан-10 М", лазеров на парах меди с управляемыми параметрами "Милан-М", "Милан-5-01", "Милан-10-2", многоцветных лазеров на парах меди и золота "Милан-1С" и "Милан-СМ", лазера на парах меди с короткой длительностью импульса и высокой импульсной мощностью на основе системы генератор-усилитель "Милан-5 00", лазера на красителях с накачкой излучением ЛПМ "ЛЖК-10".
Малая серия лазеров "Милан-10 М" изготовлена на опытном заводе г.Новосибирска для использования в институтах Сибирского отделения РАН.
Действующие образцы лазеров переданы в научные и промышленные
организации России: 1) в ИАЭ СО РАН г. Новосибирск передан образец высо
кочастотного лазера для разработки быстродействующих систем записи и счи
тывания голографической информации; 2) в Институт теплофизики СО РАН
передан лазер "Милан-10 М" для научных исследований по квантовой электро
нике; 3) в Институт Онкологии ТНЦ РАМН поставлены образцы лазерных ме
дицинских установок "Малахит-М" и ЛКМ-01 для терапевтического лечения;
4) трехцветные лазеры на парах меди и золота использованы в качестве источ
ника излучения в трехцветных лазерных маяках "Лиман-1" и "Лиман-2", разра-
ботанных для проводки кораблей по фарватерам и каналам в условиях пониженной видимости.
в На базе лаборатории лазерной физики ТГУ, СФТИ и МП "Лазеры" организовано мелкосерийное производство ЛПМ и лазеров на красителях для технологий, а также лазерных медицинских установок.
Разработаны лазерные медицинские комплексы, которыми оснащены клиники гг.Томска, Барнаула, Москвы, Благовещенска и других городов России (1989-1997 гг.).
По лицензионному контракту организовано серийное производство Cu-лазеров в Болгарии (1983-1985 гг.).
Ведется разработка медицинского лазерного комплекса по контракту с фирмами Великобритании (1996-1997 гг.).
Лазеры на парах меди мощностью 1,5-3 Вт используются в составе лазерных светографических комплексах для оснащения театров (МХАТ им.Чехова, ГБАТ и др.) и концертных залов (Олимпийский Дворец спорта, "Россия" и др.).
Созданные образцы лазеров и лазерных систем отличаются надежностью в эксплуатации, малыми весогабаритными характеристиками и минимальным энергопотреблением.
Следует отметить, что разработанные образцы лазеров и лазерных установок демонстрировались на Международных выставках: Болгария - 1978г., ГДР - 1985г., ФРГ - 1986, 1992, 1993гг., Венгрия - 1984г., Египет - 1996г. Разработки удостоены золотых и серебряных медалей ВДНХ (1983, 1985 и 1991гг.), Лейпцигской ярмарки (1995г.). Представлены экспонаты на Юбилейную Выставку-Ярмарку, Ганновер-97.
Апробация работы и публикации. Материалы, вошедшие в диссертацию, доложены и обсуждены на следующих конференциях, симпозиумах и семинарах: - III Всесоюзная конференция по физике низкотемпературной плазмы, 1971г.,
г. Москва -1 Всесоюзная конференция по спектроскопии низкотемпературной плазмы,
1973г., г.Ленинград -1 и II Всесоюзные совещания по атмосферной оптике, 1976г. и 1980г., г.Томск
- Всесоюзный семинар "Лазеры на парах металлов и их применение", 1975,
1977 и 1979гг., г.Ростов-на-Дону; 1981, 1983, 1985, 1987, 1989 и 1996гг., г.Новороссийск; 1991, 1993гг., г.Сочи, Туапсе
- VIII и XV Международные конференции по явлениям в ионизованных газах,
1976г., г.Берлин; 1981г., г.Минск
II и III Всесоюзные конференции "Лазеры на основе сложных органических соединений и их применение", 1977г., г.Душанбе; 1980г., г.Ужгород
IX Всесоюзная конференция по когерентной и нелинейной оптике, 1978г., г.Москва
V Всесоюзный семинар по физическим процессам в газовых ОКГ, 1978г., г.Ужгород
V, VII и VIII Всесоюзные симпозиумы по лазерному и акустическому зондированию атмосферы, 1978, 1981 и 1984гг., г.Томск
V и VI Всесоюзные симпозиумы по распространению лазерного излучения в атмосфере, 1979 и 1981гг., г.Томск
- I и II Межотраслевая научно-техническая конференция, 1980 и 1986гг.,
г.Рязань
II Совещание по атмосферной оптике, 1980 г., г.Томск
Международная конференция EKON-80, 1980г., Г.Познань, Польша
- VI Международная конференция "Лазеры и их применения", 1981г.,
г.Лейпциг, Германия
X Сибирское совещание по спектроскопии, 1981г., г.Томск
Международная конференция "Лазеры-82", 1982г., Новый Орлеан, США
X Юбилейная национальная конференция по атомной спектроскопии, 1982г.,
Болгария
Международная школа-конференция "Лазеры и их применения", 1982г., г.Бухарест, Румыния
Научно-техническая школа-семинар "Лазерное оптическое и спектральное приборостроение", 1983г., г.Минск
XIV и XX Всесоюзные съезды по спектроскопии, 1983г., г.Томск; 1988г., г.Киев
XI Национальная конференция по атомной спектроскопии, 1986г., г.Варна,
Болгария
- Всесоюзное совещание "Инверсная заселенность и генерация на переходах
атомов и молекул", 1986г., г.Томск
- Рабочее совещание "Активные среды плазменных и газоразрядных лазеров",
1987г., г.Гродно
- III Национальная конференция "Лазеры и их применение", 1988г., г.Пловдив,
Болгария
- X Всесоюзная конференция по физике электронных и атомных столкновений,
1988, ^Ужгород
Научная конференция "Рациональное использование природных ресурсов Сибири", 1989г., г.Томск
I и II Международные конференции "Импульсные лазеры на переходах ато-
мов и молекул", 1993 и 1995гг., г.Томск
- Второй Дальневосточный Международный симпозиум по лечению рака,
1994г., г.Владивосток
- Импульсные лазеры на парах металлов, 1995г., Великобритания
- Российско-китайский симпозиум по лазерной физике и лазерной техноло
гии, 1996г., г.Красноярск
Научные результаты работы доложены и обсуждены на научном семинаре "Лазеры на парах металлов" под руководством д.ф.-м.н. Петраша Г.Г., г. Москва, и на научном семинаре "Газовые и плазменные лазеры" под руководством д.ф.-м.н. Тарасенко В.Ф., г.Томск
Основное содержание диссертации опубликовано в монографии, более чем 200 статьях, материалах и тезисах докладов, описаниях 44 изобретений и патентов РФ и 11 зарубежных патентов. Список наиболее важных публикаций приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 8 глав, приложения и заключения общим объемом 355 страниц, содержит 192 рисунка, 51 таблицу и список цитируемой литературы из 230 наименований.
