Введение к работе
Актуальность темы. Резонаторы волноводного типа широко ійме^яются в различных газовых, лазерах от ультрафиолетовой і дальней инфракрасной (ИК) области спектра. Их исполъзова-:е позюляет существенно улучшить характеристики излучения в четанш с уменьшением габаритов, повышением надежности ларов.
Наиболее интенсивно исследуются лазеры на двуокиси уг-рода. Такие лазеры удачно сочетают в себе высокий удельный :ергосъём, КПД, возможность управления спектральным соста-м излучешш. Область генерации попадает в одно из окон проз-.чиости атмосферы. В результате волноводные СО2 лазеры нахо-. :т широкое применение в различных информационных системах, и проведении спектроскопически исследований, накачке лазе-в дальнего ИК диапазона.
. Первые волноводные СО2 лазеры возбуждались продольным :ощим разрядил постоянного тока (РПТ). Накачка РЇЇТ разрядом роко. использовалась и в дальнейшем. В настоянеє врегля .основ-е перспективы развития лазеров связывайте накачкой высоко-стотным (ВЧ) разрядом. При гаком способе накачки успешно еодолевается проблема поджйга разряда, увеличивается КПД, хнологичность, уменьшаются массе— габаритные характеристики зеров и источн;іков накачки. Крале того, модуляция ВЧ накачки ляется удобным инструментом реалнзаціш импульсно-периодичес-го режима генерации.
Проводимые исследования полноводных ВЧ СО2 лазеров направ-ны, главным образом, на улучшение энергетических показателей. то те время для многих практических приложений существенно иным является управление частотой излучешш. Под управлением стотой понимают вопросы плавной (в пределах генерирующего рехода), дискретной перестройки Частоты, а также ез стабилн-ции.
В лазерах с управляемой частотой обычно используют -дис-рсконные резонаторы, в которых ьыбор рабочего перехода осу-ствляется дифракционной репеткой. В ряде случаев пріг.:еня:от остейшуіо схему селекции продолышх мод "резонатора, гагда ог-нпченпе на диапазон плавной перестройки частоты на::ладывазт-
ся областью его свободной спектральной дисперсии. Для лазере
подобной конструкции характерно расположение дифракционной і
шетки и зеркала вблизи торцов волновода. Именно такие лазерь
отличающиеся максимальной простото;!, 'удобством в эксплуаташ
технологичностью являются предметом исследований в данной да:
.сертащш. "
К началу работы детальные исследования спектральных xaj терисгих болнсшощшх ВЧ СО2 лазеров в литературе отсутствовг ли. Шесте с тем, использование БЧ накачки в лазерах с упраї ляеыой частотой излучения представлялось' перспективным. В дс полнение к указанныгл преимуществам такой накачки отметим еле дущее. Во-первых, лучшая устойчивость ВЧ разряда по сравнению с РПТ позволяет осуществлять генерацию при больших давле ниях смеси. В результате однородная ширина перехода и, следе вательно, диапазон перестройки частоты, увеличиваются. Во-вт рых, в случае ВЧ накачки возыоапо обеспечить минимальную раз ницу между длиной резонатора и разрядного промежутка, что пр РПТ возбуздении конструктивно не выполнимо. В третьих,"имени при сочетании ВЧ накачки с оптогальваническш (OF) методой стабилизации частоты -в наибольшей степени удовлетворяются тр бования компактности, технологичности стабилизированных лазе ров.
Цель работы. Разработка волноводных БЧ С0 лазеров с уп равляемой частотой излучения, проведение исследований, капра ленных на оптимизацию диапазона плавной перестройки частоты, изучение возкозности стабилизации частоты олтогатьваническим методой; экспериментальное и теоретическое исследование энер гетических и временных характеристик излучения при плавкой п рестройке частоты в импульенс—периодическом режиме генерации
Научная новизна работы. *
I. Исследованы зависимости коэффициента усиления в глаз< не ВЧ разряда от параметров наполнения, накачки,' поперечного сечения волновода. Обнаружены особенности поведения усиления по сравнению с РПТ. накачкой при уменьшении' сечения волновода связанные с влиянием призлэктродных областей пространственного заряда.
2. Проведено исследование перестраиваемых, по частоте вол новодных С0 лазеров с ВЧ накачкой. В результате оптимизации
цшіения,состава смеси, частоты п мощности накачки, геомет-)іш волновода реализована плавная перестройка частоты евшие :д ГГц.
-
Осуществлена ОГ стабилизация частоты волноводного ВЧ !02 лазера.
-
Экспериментально и теоретически исследованы энерге-ические и временные характеристики излучения волноводного !0 лазера с ВЧ накачкой'в импульсно-периодическом ре;шле ге-[ерации при перестройке частоты в пределах перехода.
Практическая ценность работы. На основе проведенных исследовании" разработаны и созданы компактные, технологичные юлиоводные ВЧ COg лазеры с управляемой частотой излучения, іазерц экспонировались на Выставке достижений народного хо-яйства, где удостоеш серебряной медали ВДНХ, па Выставке ШФИ-чтродному хозяйству", где отмечены дипломом П степени, езультаты разработки внедрены на промышленном предприятии с олью серийного выпуска перестраиваемых по частоте лазеров, 'акие лазеры могут быть использованы в. локационных системах, ля целей газоаиализа, при накачке лазеров дальнего ИК диапа-она и так далее.
Вклад автора. Изло;;<онныс в работе результаты получены втором лично или в соавторстве при его непосредственном частий, %
Апробация работы. Основные результаты диссертации были редставлены на Всесоюзном совещании по инверсной заселенно-ти и генерации на переходах в атомах и молекулах. (г.Томск, ЭЗбг.), иа 5-ой Всесоюзной конференции "Оптика лазеров" (г.Ле-шіград, 1983г.), на 4-ой".'.іе:;щународноН кої^еренівін по инхрак-асной физике (г.Ціорих, 1988г.), на Научно-технической кон^е-знцки "Проблемы развития спутниковой связи" (г.ыосква,1989г.), а 30-ой и 31—ой научно-технических конференциях МИФИ (г.моск-а, 1384г. и IS86r.), на научішх семішарах Ї.2ШТ, -ЇІШІ.
Публикации. По.материалам диссертации опубликовано 10 пе-зтных работ.
Структура и объём диссертации, диссертация состоит из вве-5ШІЯ, трах разделов и заключения. В каздхл разделе, кроме ос-ззного содержания, дается краткий обзор литературы, где при-
водятся наиболее ва-лше известные результаты и формулируйте; проблемы, решению которых посвящено изложение оригинального материала. Общий объём составляет 125 страниц машинописного текста, включая 53 рисунка, 4 таблицы и список литературных ссылок из 122 наименовании. На защиту выносятся:
-
Результаты исследования коэффициента усиления в пла: ме ВЧ разряди волноводных COg лазеров в зависимости от чаете ты накачки, поперечного сечения-волновода, давления и соетаї смеси.
-
Разработка и результаты исследования волноводных ВЧ С02 лазеров с плавной перестройкой частоты более І.І Иц.
-
Результаты по стабилизации частоты и мощности излуче пия волноводного ВЧ С02 лазера оптогальвашіческим истодом с относительной нестабильностью частоты 1.5« 10 Ту ''при временах усреднения 0.01 4 ?"у і 10 с и относительно!! иестабидь-ностью мощности 0.2$.
-
Результаты исследования временных и энергетических характеристик импульсно-периодического волноводного ВЧ COg лазера при перестройке частоты в пределах перехода.
2. содекжї: раъош
При разработке лазеров с перестраиваемой частотой излучения необходша информация о многих параметрах,' одним из ко торых является коэффициент ненасыщенного усилешія в активной среде. Измерение усиления проводилось по ди;)ф:еренциальиоїі ме тодике. Мощность накачки модулировалась-, > что позволяло упростить схему установки и повысить точность измерении.
В экспериментах использовалась ыеталлодиэлектрическая (А?/Е>еО ) волноводная структура прямоугольной (квадратно;;) геометрии. Бозбулдение разряда проводилось с помощью несимметричного ВЧ генератора в полосе 80-150 ИГц. Согласование генератора и нагрузки обеспечивалось Г-образноп цепью. Отраженная мощность накачки контролировалась направленным отвег-Еителем. Модуляция накачки осуществлялась внешнлм генераторо; импульсов. Для улучшения продольноіі однородности разряда использовались индуктивные окоігчанпя волноводной структуры, ко] рсктпруащие профиль распределения ВЧ напряжения на электроде,
Исследована величина коэффициента усиления в завлсимостз
it параметров наполнения, накачки, поперечного сечения волпо-юда. Показано, что поведение коэффициента усиления при изме-[ЄПИИ давления,, состава смеси во многом совпадает с РПТ на-:ачкой, однако, в аналогичных экспериментальных условиях мак-иплалыюе -усиление в плазме'.ВЧ разряда выше. Приведено рбъяс-юние эффекта.
Установлена зависимость максимального усилешія Лом и юответствущзго оптшлалыюго давления Рапт от частоты накач-:и {и . На основании оценок усредненной напряженности поля і разряде представлено объяснение зависимости Ропт (/"«). Изме-:сние J-он связано с влиянием приэлектродных областей прост-іанстве'шюго заряда, являющихся зонами слабої; штерсии. Это лияние особенно заметно проявляется при уменьшении {» . В результате по мере уменьшения поперечного сечения волновода паб-юдался рост don для одних частот накачки и существование оп-имума по сечению для других.
Для уменьшения влияния приэлектродных областей предлоке-о использовать прямоугольную конфигурацию сечения, в которой ольший размер определяет меяэлектродное расстояние. Эффект величения усиления по 'сравнению с волноводом ішадратного сече-ия аналогичной площади подтвержден экспериментально.
На основаніш проведенных исследований даны рекомендации о выбору области изменения параметров накачки и поперечного еченяя волновода ВЧ С(>2 лазеров с широкополосной перестрой-ой частоты. Предварительно показано, что волноводныо поте-и наиболее добротной мода при уменьшении сечения до I.QxI.O иг остаются незначительными.
Разработана конструкция лазеров с перестраиваемой часто-ой излучения. Резонатор образовывался А/&eQ волноводом, пфракидошгоГ: решеткой и плоским зеркалом, установленным на ьезоэлементе. Волновод закреплялся на охлаждаемом теплосъём-кке и вместе с оптическими элементами, установленккглі в юс-ировочных узлах и расположенными вблизи его торцов, помещал-я в герметичном корпусе.
Лазер генерировач на основном типе колебаний. Регулиров-а угла наклона дифракционной решетки приводила к перекл:оче-щэ генерации на различные переходы. Плавная перестройка час-
тоты осуществлялась изменением напряжения, прилохсешюго к пьезоэлементу. Величина диапазона перестроіікидУ определяласі по зависимости лазерной мощности от длины резонатора - автографу лазера. При этом учитывалось, что затягіїваше частоты генерации на центр перехода в условиях эксперимента незначительно.
Исследованы зависимости диапазонадУ от давления, состава смеси, частоты, мощности накачки, площади и конфигурации поперечного сочеиия волновода, длины резонатора. Оптимизация указанных параметров позволила реализовать перестройку частоты в пределах 1,1 ГГц на ряде "сильных" переходов в IQP области спектра. Соответствующий автограф лазера изображен на Рис. I. Лазерная мощность в центре перехода 0.2 Вт, при максимальной отстройке - 0,03 Вт.
Указано на отличие оптимального по перестройке сечения волновода (1.2x1.2 мм) от оптимального но усилении (1.0x1.5 ил ). Эффект обусловлен возрастанием внутрирезонаторных потерь в лазере с прдаоуголъным сечением волновода из-за ухудшения эффективности отражения решетки вследствие уменьшения числа рабочих штрихов. Последнее связано с ориентацией штрихов дафракциошюй решетки перпендикулярно плоскости поляризации излучения, в результате чего их число определяется меньшим размером сечения волновода.
Исследованы лазеры с диэлектрическим {ВеО ) волноводом. Отмечено, что в этом случае больший размер сечения ограничивает влияние приэлектродшх областей, .одновременно обеспечивая высокую эффективность отражения решеті. Представлены результаты оптимизации состава, давления смеси, сечения волновода, что позволило реализовать дУ ~ І.І ГГц. Для сравнения следует отметить, что по данным ранее опубликованных работ максимальная перестройка частот волноводнкх ВЧ COg лазеров .. с простейшей схемой селекции мод резонатора без прокачки смеси не превышала ~ 500 МГц.
По результатам измерения коэффициента усиления проведен расчет диапазона дУ в лазере с оптимальным сечением ме-таллодиэлектрического волновода. Показана возмогаюсть увеличения лУ при уменьшении внутрпрезонаторных потерь. Отмечено,
что при оптичесіиїх злсменгах с минимальными потерями диапазон плавпоіі перестройки частоты в лазерах с ВЧ накачкой превысит' 1.6 ГГц.
Представлены результаты экспериментов по онтогальваничес-коїі стабилизации частоты и мощности излучения волноводных ВЧ СС>2 лазеров. Регистрация ОГ сигнала проводилась паправленныгл ответвптелем путем детектирования отраженной мощности накачки, возникающей вследствие изменения импеданса разряда при модуляции лазерной частоты (мощности). Частота модулировалась сину-соидаяышм напряжением, приложенным к пьезоэлементу.
Исследована зависимость амплитуды ОГ сигнала от частоты модуляции {» , определена оптимальная в условиях эксперимента величина /їм при стабилизации лазера. Стабилизация проводилась следующим образом. Частота генерации настраивалась на центр перехода. ОГ сигнал, соответствующий отстройке частоты после елн-хронного преобразования в системо автоподстройки использовался для коррекции длины резонатора.
Для измерения стабильности частоты излучение ВЧ лазера сшпшв&чось с излучением пассивно стабилизированного РПТ Р0д лазера низкого давления на бнетродейсгэущем СЫ Hq Те фотдприем-нпке. Оба лазера генерировали на переходе I0P (20). Сигнал раз-. носгноГ; частоты биений наблюдался на экране анализатора спектра и измерялся двумя частотомерами с раздельным запуском от внешней системы управления. Мощность излучения определялась калориметрическим измерителем. Сигнал с измерителя регистрировался самописцем, Дія оценки кратковременной нестабильности мощности излучение регистрировалось Зюгоцрцемкиком., сигнал с коте—' рого наблюдался на осциллографе.
Стабильность лазерной частоты оценивалась исходя из измерения параметра Аллана при различных временах усреднения. Достигнута стабильность частоты 1.5 х 1СГЭ Tf1'^ при временах усреднения 0.01 с й Ту 10 с. Дополнительно.измерялась величина максимального кратковременного ухода частоты излучения (с учетом принудительной девиащпг лазерной частоты). Она составляла 8 -МГц- за время' наблзэдзния 0.5 часа.
Долговременная (за 0.5 часа) и кратковременная нестабильность лазерной мощности не превышала 0.2$.
^WrFHytwVr-^*"^"-^-M^Ht^Wy">^"l!!'^
Рис. I. Лвтограо) лазера
Аналогичные оценки нестабильности мощности (0.2/J) получены для лазера с несолективным резонатором, в котором дифракци-опная решетка з.-іменялась вторым плоским зеркалам. При этом в автограф лазера наблюдалось несколько переходов. Соответствующее число экстремумов тлело место в ОГ сигнале, что позволяло стабилизировать частоту на любом генерирующем переходе. Максимальная стабилизированная лазерная мощность составляла 5.5 Вт.
Исследованы временные и энергетические характеристики излучения полноводного ВЧ СО2 лазера с селективным резонатором в импульсно-перподі;ческоміро:аале генеращш. для возбугдения разряда, использовалась пыпульспо-перподаческая накачка. Шщика-ция мощности накачки и отраженной мощности проводилась с помощью направленного ответвителя и ваттметров. ;ля визуального наблюдения фор.ш импульсов, изучения их эволюции использовался шнрокополосшії осциллограф. Средняя лазерная мощность определялась калорпметрпчеекпл измерителем. Николая мощность оценивалась по средней с учетом сквашостн и формы лазерных импульсов. Частота генерации псрсстршшалась в пределах области дисперсии резонатора (300 Г.ЗГц). Часть излучения смешивалась на быстродействующем CelHqTe фотопрнсмішке с излучением стабилизированного на центре перехода лазера-гогеродина, что позволяло определять отстройку частоты от центральной в любой момент времени.
Изучено влияние длительности, мощности шлпульсов накачки, давленгл,. содержания азота в смеси на форму импульсов генерации. Исследованы эффекты, возникающие при отстроіїке частоты. Отмечено увеличение диапазона перестройки по сравнению' с непре-рывнкм редщом генерации, возрастаїше" первого наиболее мощного импульса области релаксационных колебании - "короткого" импульса, времени, его задер.:-аиї по отношению к моменту включения накачки. ІЛикимальность времени задернки предложено использовать критерием совпадения лазерной частоты с центром перехода.
Теоретическое рассмотрение эффектов проведено путем численного счета по шеститемлературной модели, ошюыващеи активную среду CCv> лазера. Рассмотрено изменение плотности инверсии за время импульса накачки, динамика развития генеращш. Показано, что увеличение времени задержи, обусловленное отстройкой, связано как с увеличением кремени достижения пороговой инзерсни,
так и с возрастанием длительности начального этапа генерации. Последнее-увеличивает максимальную инверсию-и, следовательно, мощность "короткого" импульса.
С использованием балансных уравнении получены аналитические выражения, позволяющие определять характер изменения' осно-вных лазерных характеристик. Найдено, что время задержи и мощность "короткого" шпульса увеличиваются пропорционально-квадра'ту отстройки частоты от центра перехода. Результаты расчета сравниваются с экспериментом-,
