Оглавление

ЛАЗЕР НА ПАРАХ МЕДИ

Исаев А.А.

Лазер на парах меди или сокращённо ЛПМ излучает две спектральные линии: зелёную с длиной волны 510 нм и жёлтую - 578 нм. Это излучение испускается возбуждёнными атомами меди, когда они переходят из резонансного состояния (энергия возбуждения около 3,8 эВ) в метастабильные состояния (энергия возбуждения соответственно 1,39 эВ и 1,64 эВ).

 Этот класс спектральных переходов (с резонансного на метастабильные уровни или r - m переходы) используется для получения лазерной генерации не только в ЛПМ, но и в лазерах на парах других металлов: марганца, золота, бария, свинца, таллия и др.

Интерес к таким лазерным переходам возник давно и он связан с возможностью получения эффективной генерации видимого излучения в газовом разряде, в котором возбуждение атомов происходит в столкновениях с электронами. Это обусловлено, по крайней мере, двумя обстоятельствами. Во-первых, резонансные состояния возбуждаются в газовом разряде, как правило, наилучшим образом, что должно обеспечивать "перехват" значительной части энергии, вводимой в плазму разряда, верхними рабочими лазерными уровнями. 

Во-вторых, метастабильные (нижние рабочие) уровни имеют, как правило, наименьшую энергию возбуждения по сравнению со всеми остальными возбуждёнными уровнями, что должно обеспечивать высокую долю использования "перехваченной" резонансным уровнем энергии в канале генерации.

1. Немного истории. Основные особенности ЛПМ.

Впервые генерация на таких переходах была получена в парах марганца (зелёная и инфракрасная области спектра) и парах свинца (красная область спектра) в 1965 г. в работах [1,2]. Несколько позже была получена генерация и в парах меди [3]. Исследования этих, да и других, полученных впоследствии, генераций на r-m переходах в парах различных металлов подтвердили все ожидаемые характеристики и ообенности такого класса лазеров. Из них можно выделить следующие.

-Высокую эффективность генерации. Так коэффициент преобразования электрической энергии в световую для этих лазеров в десять раз выше, чем для таких широко известных лазеров как "аргоновый" и "гелий-неоновый".

-Сугубо импульсный характер генерации, что связано с метастабильностью нижнего уровня лазерного перехода. Обычно длительность импульсов излучения не превышает 10-30 нс и они возникают на самом переднем фронте импульсов возбуждения.

-Жёсткие требования на систему импульсного питания таких лазеров, которая должна обеспечивать мощные высоковольтные наносекундные импульсы с крутизной нарастания тока 109-1010 А/с. Обычно для возбуждения этих лазеров используют разряд конденсатора небольшой ёмкости (1-5 нФ), заряженного до напряжения 1-15 кВ. Коммутатором разряда служит импульсный водородный тиратрон. Индуктивность разрядного контура таких лазеров должна быть достаточна малой, чтобы обеспечивать требуемую крутизну нарастания импуьсов тока.

-Высокое (рекордное) усиление света активными срелами этих лазеров. Обычно усиление столь велико, что мощное вынужденное излучение формируется активной средой либо только с одним зеркалом резонатора, либо совсем без зеркал. Усиление в линейном режиме может достигать величин 400-600 дБ/м [4]. Поэтому требования на качество зеркал резонатора для этих лазеров существенно ниже, чем для всех других лазеров. Обычно в качестве выходного зеркала резонатора в этих лазерах используется прозрачная стеклянная пластинка с отражением 4- 8%.

2. Трудности работы с ЛПМ.

Так как рабочее давление паров атомов металлов составляет в этих лазерах 0,3-0,5 мм рт.ст. (плотность атомов около 1015 см-3), то температуры стенок газоразрядных трубок, соответствующие такому значению насыщенного давления паров, должны достигать от 650-9500С для лазеров на парах таллия и свинца до 1500-16000С для лазеров на парах меди и золота.

 Отметим, что до создания ЛПМ самую высокую температуру 8500С в электровакуумных и газоразрядных приборах имели лишь отдельные их узлы и детали, например, подогревные оксидные катоды. Поэтому для создания промышленных ЛПМ необходимо было разработать принципиально новую высокотемпературную конструкцию газоразрядного прибора.

Первые лазеры на парах металлов имели громоздкую и непрактичную конструкцию. Основными элементами были: высокотемпературная электропечь и керамическая газоразрядная трубка (ГРТ). Для ГРТ использовалась высокотемпературная вакуумноплотная керамика, которая плохо "держит тепловые удары". Поэтому время разогрева до рабочей температуры, также как и время остывания до комнатной температуры для этих ГРТ было очень большим, около 8 часов. 

Кроме этого, использование высокотемпературной печи с высокой электрической мощностьью существенно снижало эффективность всего лазера.

Другой недостаток ЛПМ связан с малой плотностью рабочих атомов. Из-за этого, энергия импульса генерации очень мала (1 мДж), что не позволяло получать достаточно высокую среднюю мощность генерации, нужную для практических применений этого лазера, при малых частотах повторения импульсов возбуждения (десятки Гц). Насколько можно было повышать частоту повторения импульсов возбуждения, опять же в силу метастабильности нижнего лазерного уровня у атома меди, в 70-е годы было не ясно.

После первых работ стало ясно, что ни о каком практическом применении ЛПМ, в том виде, в каком он был создан, не могло быть и речи.

3. Прорыв ЛПМ в приборном варианте.
 Характеристики саморазогревных лазеров.


Существенный прорыв в плане разработки ЛПМ для практических применение был сделан сотрудниками Физического института им. П.Н.Лебедева АН СССР в 1972г. Ими был разработан ЛПМ в так называемом саморазогревном режиме работы [5]. В конструкции такого лазера нагревательная печь отсутствовала, а рабочая температура ГРТ достигалась за счёт энергии импульсного разряда, который возбуждал генерацию. 

Выходная средняя мощность (Рвых) этого лазера 15 Вт, частота повторения испульсов 15-18 кГц. Энергия в импульсе излучения достигала 1 мДж при пиковой (импульсной) мощности 100 кВт. Практическая эффективность генерации, рассчитанная из энергопотребления от источника питания, достигала 1%. 
На рис.1 приведена схема конструкции ГРТ этого лазера.

Здесь внутренняя высокотемпературная (необязательно вакуумноплотная) керамическая разрядная трубка 1 фиксируется с помощью подвижных держателей 5 во внешней низкотемпературной вакуумноплотной трубе 3. Для предотвращения нагрева трубки 3 до высокой температуры внутренняя труба 1 теплоизолируется с помощью высококачественного теплоизолятора 2. 

Параметры теплоизолятора выбираются так, чтобы при температуре стенок трубки 1  Т1=1500-16000С температура стенок трубки 2 не превышала Т2=200-3000С. Окна ГРТ 6 и электроды 4 находятся при комнатной температуре. ГРТ наполняется буферным газом, обычно неоном, при давлении 30-100 мм рт.ст. Металлическая медь помещается внутрь трубы 1 на её стенки. 

При включении электрического разряда в трубе 1 выделяется тепловая энергия, которая её нагревает. Температура Т1 увеличивается. При достижении Т1=1300-13500С давление насыщенных паров меди в плазме трубки 1 становится достаточным для того, чтобы началась генерация на оптических переходах в атомах меди.

 По мере дальнейшего разогрева трубки 1 плотность атомов меди в разряде увеличивается, увеличивается также и мощность генерации Рвых. Оптимальная плотность атомов меди в плазме разряда при которой Рвых максимальна достигается обычно при Т1=1500-15500С.

 

Рис.1. Схема саморазогревной газоразрядной трубки ЛПМ .

1-внутренняя высокотемпературная керамическая трубка,
2-теплоизоляция с малой величиной теплопроводности, 
3-внешняя низкотемпературная вакуумноплотная труба,
4-электроды,
5-высокотемпературные держатели трубы 1, 
6-выходные окна ГРТ.

Время разогрева ГРТ до рабочих температур определяется мощностью, вводимой в плазму разряда, и тепловой инерцией ГРТ. Обычно, для лазеров небольшой мощности (Рвых < 20 Вт) это время 30-40 мин. Очевидно, для практических применений Рвых не должна меняться значительным образом в течение длительного времени. Для этого параметры теплоизоляции (2) и конструкция лазера должны быть согласованы так, чтобы рабочая температурв ГРТ Т1 достигалась в стационарном тепловом режиме.

Стационарный тепловой режим устанавливается при уравнивании тепловых потоков, отводимого через боковую аоверхность ГРТ и вводимого в плазму разряда. Ясно, что изменение любого из этих потоков, например, отводимого от ГРТ за счёт изменения комнатной температуры, приведёт к изменению Т1 и Рвых. Поэтому, стабильность величины Рвых определяется в этом случае температурной зависимостью Рвых. Если в процессе эксплуатации лазера происходит, по тем или иным причинам, изменение DТ1 , превышающее эту цифру, или требуется более высокая стабильность Рвых, то необходимо устанавливать специальные системы стабилизации Рвых.

Как уже упоминалось ЛПМ излучает жёлтую и зелёную спектральные линии одновременно. Для многих применений, особенно в медицине, требуется только одна из них. Существует несколько технических приёмов, с помощью которых можно пространственно разделить эти линии. При этом надо учитывать, что Р вых = Рз вых+ Рж вых,  где Рз вых - выходная мощность зелёного излучения, а Рж вых - выходная мощность жёлтого излучения. Обычно для ЛПМ соотношение мощностей на этих двух линиях излучения зависит от температуры ГРТ. В начале температурного диапазона генерации излучается только зелёная линия. По мере разогрева появляется генерация и на жёлтой линии, а в оптимальном режиме Рж вых=0,4 Рз вых. Только для некоторых промышленных ГРТ, выпускаемых НПО "Исток", в оптимальном режиме Рз вых= Рж вых.


4. Расходимость излучения ЛПМ.

Большой круг применений лазеров связан с фокусировкой излучения в пятна малого размера. Возможность такой фокусировки определяется расходимостью пучка генерируемого излучения. Для получения выходных пучков с малой расходимостью в большинстве лазеров используют резонаторы с малыми потерями, так называемые устойчивые резонаторы. Моды этих резонаторов, формирующиеся за счёт дифракционных потерь на зеркалах, образуются за достаточно большое число проходов излучением длины резонатора. 

Время установления этих мод (10-6 с) значительно превышает длительность существования инверсии в ЛПМ и поэтому они не успевают сформироваться. ЛПМ с обычными устойчивыми резонаторами генерируют выходные пучки излучения с плохой (большой) расходимостью, которая составляет несколько единиц 10-3 , что существенно превышает дифракционный предел.
Кардинальное решение проблемы, в смысле достижения дифракционного предела расходимости выходных пучков ЛПМ, заключается в использовании так называемых неустойчивых резонаторов, которые имеют большие потери света [6]. Оптическая схема такого резонатора приведена на рис.2.

Рис.2. Оптическая схема телескопического неустойчивого резонатора.
L - длина резонатора. Изображён также вид выходного пучка 
в таком резонаторе.Резонатор состоит из вогнутого зеркала 1 и выпуклого зеркала 2. Зеркала располагаются так, чтобы их фокуса совпадали (телескопическая система).

 В такой системе параллельный пучок света после отражения от каждого из зеркал резонатора снова превращается в параллельный (на рис. изображён ход лучей для этого случая), при этом диаметр пучка увеличивается (уменьшается при обратном распространении) в М раз. 

Здесь М=f1 / f2 отношение фокусных расстояний зеркал резонатора, или коэффициент увеличения резонатора. Величина потерь на излучение за два прохода резонатора равна 1-1/M2 и не зависит от размеров зеркал. Обычно вывод излучения из неустойчивого резонатора осуществляют в одну сторону (со стороны зеркала малого диаметра) и выходной пучок имеет вид кольца с тенью от малого выходного зеркала 2.

Особенность неустойчивого резонатора состоит в том, что его основная мода может быть сформирована очень быстро. Чем выше значение М и, следовательно, потери резонатора, тем скорее формируется основная мода. Поэтому, для получения в таком резонаторе выходных пучков с предельной дифракционной расходимостью в импульсном режиме нужно так выбрать М, чтобы время формирования основной моды резонатора не превышало времени существования усиления света в активной среде лазера. Так как в ЛПМ длительность усиления 10-30 нс, то величина М должна быть большой. 

Исследования показали, что для получения от ЛПМ выходных пучков с хорошим дифракционным качеством, необходимо использовать неустойчивые резонаторы с М=100-200.
Выходная мощность лазера с неустойчивым резонатором обычно меньше мощности, получаемой с устойчивым резонатором . Типичные значения: =(0,5-0,6) . Несмотря на эти потери мощности, благодаря существенному повышению качества выходного пучка, плотность мощности в пятне фокусировки с использованием неустойчивого резонатора может на много порядков превышать плотность мощности, которая может быть достигнута с устойчивым резонатором.

5. Современное состояние ЛПМ.

На основе разработанной в ФИАН конструкции саморазогревных ЛПМ в НПО"Исток" был освоен промышленный выпуск широкой номенклатуры отпаянных газоразрядных трубок лазеров на парах меди со средней мощностью от 1 до 40 Вт. В таблице 1 приведены основне характеристики некоторых из этих ГРТ выпускаемых в настоящее время.

Таблица 1.

ГРТ

Кулон-1

Кулон-3

УЛ-102

Кулон-10

Диаметр пучка, мм

6,0

12,0

20,0

12,0

Выходная мощность, Вт 
в начале работы
после 1000 часов работы

1
0,8

4
3

10 
5

14
10

Частота повторения, кГц


16-18 


14-16


8-12


14-18

Длительность импульса

15±5 нс

Мощность питания, кВт


0,7


1,2


2,2


2,2

Время выхода на режим,мин
Форсированный режим

25
20

45
30

60
40 

50
35

Отметим, что за рубежом также освоен промышленный выпуск ЛПМ, например, фирмой "Oxford Lasers" (Англия) со средней мощностью 5-100 Вт. Но в отличии от Российских, эти ГРТ не являются отпаянными. Их эксплуатация связана с медленной прокачкой буферного газа через активную среду ГРТ.

Большие средние мощности (более 100 Вт) могут быть получены с ЛПМ двумя способами. Увеличение Рвых можно достичь за счёт: во-первых, увеличения активного объёма ГРТ как при увеличении её диаметра, так и длины; а во-вторых, использования схем "генератор-усилитель", когда небольшая мощность генератора усиливается в одном или нескольких каскадах. Так в работе [7] была получена выходная мощность 550 Вт с одной ГРТ, которая имела диаметр активной зоны 8 см и длину 350 см. Режимы "генератор-усилитель" более предпочтительны для достижения очень высоких мощностей, так как в них достигается более эффективный (на 30-40%) съём мощности. 

По такой схеме созданы самые мощные ЛПМ с суммарной мощностью в несколько кВт, которые используются в системах разделения изотопов.
Кроме лазеров на парах чистой меди, в настоящее время получили распространение лазеры на парах химических соединений меди, обычно это галогениды меди: CuBr, CuCl, CuJ. В этих лазерах атомы меди поступают в плазму разряда за счёт диссоциации молекул галогенидов в электрическом разряде. 

Так как рабочее давление паров галогенидов достигается при меньшей температуре, чем для металлической меди, то рабочая температура ГРТ у этих лазеров существенно ниже - 450-5500С. Поэтому ГРТ этих лазеров имеет существенно меньшую тепловую инерцию, что позволяет сократить время разогрева до рабочего режима до 5-10 мин. Эффективность работы таких лазеров примерно вдвое превышает эффективность ЛПМ. Это достигается за счёт небольших добавок (0,3 мм рт.ст.) молекулярного водорода в плазму разряда.

Существенный недостаток этих лазеров состоит в трудностях создания ГРТ с большим сроком службы. Это обусловлено двумя причинами. Во-первых, трудно поддерживать длительное время неизменным химический состав плазмы при наличии в ней химически активных молекул галогенов. Во-вторых, из-за более высокой летучести галогенидов меди по сравнению с атомами меди, их концентрация вблизи выходных окон ГРТ досточно высока, чтобы происходило фотостимуллированое осаждение меди на окна в интенсивных световых пучках. Из-за этого процесса, окна ГРТ довольно быстро теряют свою прозрачность

Самая высокая эффективность генерации на переходах атома меди была получена недавно в так называемом "гибридном" лазере (HyBrID-laser) [8]. Рабочая плотность атомов меди в этом лазере достигается за счёт химической реакции молекулярного бромида водорода с металлической медью. 

Для этого смесь буферного газа Ne с HBr достаточно медленно прокачивают через ГРТ, содержащую кусочки металлической меди. В таком лазере была получена средняя мощность генерации 200 Вт при КПД свыше 3% [9]. Недостатки этого лазера, в плане создания практического прибора, примерно те же, что и для лазеров на парах химических соединений меди.

Заключение.

В данной статье коротко изложены особенности лазера на парах меди, основы конструкции практических приборов, некоторые характеристики современных лазеров, последние разработки в плане увеличения выходной мощности и эффективности генерации. 
Развитие ЛПМ шло от идеи и лабораторных макетов до серийных промышленных приборов и масштабных применений, что обеспечило ему первенство в качестве наиболее мощного лазера в видимой области спектра. Последние исследования позволяют надеятся на дальнейшее развитие как самого лазера, так и его практических применений.


Литература.

1. Piltch M., Walter W.T., Solimene N., Gould G., Bennet W.R., Pulsed laser transition in manganese vapor, Appl.Phys.Letts., v.7, pp.309-310, (1965).
2. Fowles G.R., Silfvast W.T., High-gain transition in lead vapor, Appl.Phys.Letts., v.6, pp.236-237, (1965).
3. Walter W.T., Piltch M., Solimene N., Gould G., Pulsed-laser action in atomic copper vapor, Bull.Amer.Phys.Soc., v. 11, p.113 , (1966).
4. Walter W.T., Solimene N., Piltch M., Gould G., Efficient pulsed gas laser, IEEE J. Quantum Electron., (1966), v. QE-2, p.474-479.
5. Исаев А.А., Казарян М.А., Петраш Г.Г., Эффективный импульсный лазер на парах меди с высокой средней мощностью, ЖЭТФ (письма), т.16, с.40-42, (1972).
6. Земсков Л.И., Исаев А.А., Казарян М.А., Петраш Г.Г., Раутиан С.Г., Применение неустойчивых резонаторов для получения дифракционной расходимости излучения импульсных газовых лазеров с большим усилением, Квантовая электроника, т.1, с.863-869, (1974).
7. C. Konagai, Y. Sano, N. Aoki, "Underwater direct metal processing by highe-power copper vapor laser," Pulsed Metal Vapour Lasers, eds C.E.Little and N.V.Sabotinov., pp. 371-376, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, 1996.
8. C. E. Little, D. R. Jones, S. A. Fairlie and C. G. Whyte, "Metal HyBrID lasers," Pulsed Metal Vapour Lasers, eds C.E.Little and N.V.Sabotinov., pp. 125-136, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, 1996.
9. D.R.Jones, A.Maitland, C.E.Little A high-efficiency 200 W average power copper HyBrID laser, IEEE J. Quantum Electronics, (1994), v.30, n.10, p.2385-2390.

наверх