Лазеры, работающие на нескольких длинах волн, интересуют разработчиков систем зондирования атмосферы, медицинских установок, устройств визуализации лазерных систем, работающих в ИК-диапазоне. Существует ряд факторов, затрудняющих создание подобных лазеров. Представлены исследования мультиэлементного лазера на смеси паров стронция и бромида меди, положенные в основу созданного многоволнового лазерного источника, генерирующего на десяти дискретных линиях в диапазоне от 0,51 до 6,45 мкм.
Выпуск #5/2012А.Солдатов, Ю.Полунин, А.Васильева, И.Костыря, Е.Колмаков, Д.Куксгаузен Двухэлементный лазер, генерирующий на 10 дискретных линиях в диапазоне от 0,51 до 6,45 мкм
Лазеры, работающие на нескольких длинах волн, интересуют разработчиков систем зондирования атмосферы, медицинских установок, устройств визуализации лазерных систем, работающих в ИК-диапазоне. Существует ряд факторов, затрудняющих создание подобных лазеров. Представлены исследования мультиэлементного лазера на смеси паров стронция и бромида меди, положенные в основу созданного многоволнового лазерного источника, генерирующего на десяти дискретных линиях в диапазоне от 0,51 до 6,45 мкм.
Газоразрядные лазеры на самоограниченных переходах в парах металлов работают, как правило, на нескольких длинах волн, что обусловлено особенностью строения электронных оболочек и механизмом создания инверсии. Металлы Аu, Рb, Сu, Мn, Ва, Eu, Са, Sr наглядно демонстрируют такую многочастотность, обеспечивая генерацию на более 40 спектральных линиях атомов и ионов. Механизм генерации и оптимальные условия работы лазеров на различных длинах волн каждого из указанных химических элементов достаточно хорошо изучены. Стимулом к созданию таких многоцветных лазеров стали возросшие потребности в подобных источниках разработчиков систем лазерной светографики, цветного телевидения на больших экранах, лазерных навигационных систем, медицинских лазерных установок и прочих устройств. Физической основой для эффективной многоцветной генерации в импульсном разряде на самоограниченных переходах в многокомпонентных средах следует считать: подобие механизма создания инверсной населенности в лазерах на самоограниченных переходах;
близкие условия возбуждения паров металлов по параметрам импульса возбуждения и характеристикам разряда; спектральную прозрачность газоразрядной плазмы для генерационных линий атомов и ионов различных металлов; большие коэффициенты усиления. Вместе с тем существует целый ряд факторов, которые необходимо принимать во внимание при получении генерации в многоэлементной среде. Во-первых, надо учитывать индивидуальность каждого элемента, связанную с различием потенциалов возбуждения и ионизации, а также различие температур, определяющих концентрацию атомов в основном состоянии N0 каждого элемента. При высоких энерговкладах необходимо обеспечить дополнительные возможности продольного и радиального теплопереноса. В работах [1–3] подробно изложены результаты проведенных ранее исследований мультиэлементных лазеров на парах металлов с пространственно-разнесенными активными средами. Для лазеров с продольно-разнесенными зонами возбуждения изучены особенности электрокинетических и оптических параметров активных сред для различных сочетаний паров металлов: Cu+Au; Ba+Pb; Cu+Ba+Pb; Ba+Mn. В условиях оптимизации активной среды Cu+Ba+Pb+Ne получена одновременная генерация на семи спектральных линиях CuI, BaI, PbI, BaII. На основе полученных данных были разработаны трехцветные лазерные навигационные системы [4]. Целью настоящей работы стало исследование мультиэлементного лазера на смеси паров стронция и бромида меди для создания многоволнового лазерного источника, генерирующего на 10 дискретных линиях в диапазоне от 0,51 до 6,45 мкм. Исследования данного двухэлементного лазера интересно как с точки зрения получения многоволновой генерации в широком диапазоне спектра, так и с целью визуализации инфракрасного излучения лазера на парах стронция. На рис.1 приведены упрощенные схемы уровней атомов и ионов стронция и меди, которые показывают, что активная среда лазера на парах стронция является спектрально прозрачной для генерационных линий меди и наоборот. Параметры генерации в многокомпонентных смесях паров металлов могут быть существенно улучшены, если для каждого компонента создать пространственно разнесенные температурные зоны. Причем, учитывая неоднородность электрического поля в плазме, рабочее вещество с большим потенциалом следует располагать в области с большим значением отношения E/Р (Е – напряженность поля, Р – давление газовой смеси). Исходя из этого, бромид меди был расположен со стороны катода, где напряженность поля в момент инверсии должна быть выше, а стронций – со стороны анода. На рис.2 приведена блок-схема экспериментальной установки. Эксперименты проводили с активным элементом объемом активной части 50 см3. Объемы активных сред стронция и бромида меди были разнесены линейно и составляли по 20 см3 (рис.3). Электроды, выполненные из тантала, были вынесены из горячей зоны трубки. Выходные окна выполнены из ВаF2. В качестве буферного газа использовалась смесь гелия и неона. Возбуждение разряда осуществлялось по схеме прямого разряда, коммутатором служил тиратрон ТГИ1-1000/25. Рабочие емкости равнялись 680 пФ. Резонатор состоял из плоского зеркала с алюминиевым покрытием и плоскопараллельной пластины ВаF2. Регистрация импульсов тока, напряжения и генерации проводилась с помощью пояса Роговского и пробника напряжения Tektronix Р6015А. В качестве приемника импульсов генерации использовался фотоприемник ФЭК 22. Регистрируемые сигналы подавались на осциллограф Tektronix. Средняя мощность генерации контролировалась измерителем мощности OPHIR. В ходе эксперимента исследовали параметры генерации в зависимости от давления и рода буферного газа – гелия и неона. Была получена одновременная эффективная генерация на переходах меди (0,51 и 0,58 мкм), атомах (6,45 мкм и ∼3 мкм) и ионах (1,03 и 1,09 мкм) стронция. Форма импульсов генерации лазера на парах стронция и бромида меди приведена на рис.4. Выделение светофильтрами линий генераций позволило определить временное положение импульсов генерации на длинах волн ∼ 1 мкм и 0,51 и 0,58 мкм. Следует отметить, что длительность импульса желто-зеленой генерации составляет ∼ 40 нс по полувысоте, причем импульс генерации на λ = 0,58 мкм сдвинут на 10 нс от начала генерации. В то же время импульс генерации на длине волны 6,45 мкм сравним по длительности с импульсом тока [5]. Распределение мощности излучения между пятью основными генерационными линиями в ГРТ при частоте повторения импульсов 18 кГц представлено в таблице. Максимальную среднюю мощность генерации удалось получить при использовании в качестве буферного газа неона, и она составила 4 Вт. Были экспериментально найдены режимы работы лазера с относительно равномерным распределением мощности генерации по всем длинам волн, а также режим, когда 70% мощности сосредоточено на длине волны 6,45 мкм. В этом случае видимое излучение можно рассматривать как визуализатор пучка инфракрасного излучения лазера на парах стронция. Достигнутые энергетические характеристики в мультиэлементном лазере достаточно высокие и соответствуют по своим удельным параметрам характеристикам, полученным в одноэлементных активных средах на парах стронция и бромида меди [6,7]. Заключение С учетом изучения существующих проблем создания двухэлементного лазера был разработан и изготовлен макет такого лазера, генерирующего на 10 дискретных линиях в диапазоне от 0,51 до 6,45 мкм. Впервые была получена одновременная генерация в видимом и ИК-диапазоне на длинах волн SrI и SrII λ = 6,456; 3,066; 3,011; 2,6; 2,69; 2,92; 1,091; 1,033 мкм и CuI λ = 0,51; 0,58 мкм с пространственно-разнесенными активными зонами. Результаты проведенных исследований также показали, что пучок видимого излучения генерации в парах CuBr имеет полное пространственное совмещение с пучком генерации в парах Sr, так как генерация двухэлементного газоразрядного источника осуществляется в одном резонаторе. Предложенная конструкция лазера позволяет проводить управление соотношением мощности генерации двухэлементного лазера в видимом и ИК-диапазоне, а воздействие на цветность можно производить, изменяя род и давление буферного газа и меняя параметры импульсно-периодического разряда накачки. Подобный многоволновый лазер представляет особый интерес для использования его в задачах зондирования атмосферы, медицины, а также для визуализации лазерных систем, работающих в ИК-диапазоне. Литература Солдатов А.Н., Кириллов А.Е., Полунин Ю.П., Федоров В.Ф. Многоцветный импульсный лазер. – Мат. 5 Всесоюзн. симп. по распространению лазерного излучения в атмосфере.– Томск: ИОА СО АНСССР, 1979, с. 101–105. Солдатов А.Н., Воронов В.И., Карманов А.Г., Кириллов А.Е. и др. Трехцветный импульсный лазер на парах меди и золота. – Мат. I межотрасл. НТК “Импульсные газовые лазеры”.– М: ЦНИИ Электроника, 1980,вып. 2, с.118–120. Пат. 2514958 Франция МКИ3 H01 s 3/02 / Кириллов А.Е. , Полунин Ю.П. , Солдатов А.Н. – Официальный бюллетень патентного ведомства Франции, 1983, № 16. Солдатов A.H., Соломонов В.И. Газоразрядные лазеры на самоограниченных переходах в парах металлов. – Новосибирск: Наука, 1985. Солдатов А.Н., Юдин Н.А., Полунин Ю.П., Васильева А.В. и др. Лазер на парах стронция с частотой следования импульсов генерации до 1 МГц. – Квантовая электроника, 2012, т.42, №1, с. 31–33. Евтушенко Г.С., Губарев Ф.А., Шиянов Д.В. Лазеры на парах металлов с высокими частотами следования импульсов. – Томск: Изд-во ТПУ, 2010. Солдатов А.Н., Латуш Е.Л., Чеботарев Г.Д., Юдин Н.А. и др. Импульсно-периодические лазеры на парах стронция и кальция. – Томск: ТМЛ-Пресс, 2012.