автореферат диссертации по электронике, 05.27.03, диссертация на тему:Спектральные и энергетические характеристики излучения He-Ne, Ar+ и YAG-Nd3+ -лазеров с активной внутренней и внешней модуляцией

/

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЦЕНТР ПО ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ЛАЗЕРАМ

На правах рукописи УДК 621.373.826

КАРАСЕВ ВЛАДИМИР АНАТОЛЬЕВИЧ

СПЕКТРАЛЬНЫЕ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ Не-№,Аг+ И УАО-Ш3+-ЛАЗЕРОВ С АКТИВНОЙ ВНУТРЕННЕЙ И

ВНЕШНЕЙ МОДУЛЯЦИЕЙ

Специальность 05.27.03 - «Квантовая электроника»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научные руководители: доктор технических наук, профессор Новицкий Л.А., кандидат физико-математических наук, с. н. е., Якунин В. П.

ШАТУРА -

1998

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ....................................................................................................................... 4

ГЛАВА1. ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ Не-№ - И Аг+-ЛАЗЕРОВ НА

НЕЭКВИДИСТАНТНОСТЬ ПРОДОЛЬНЫХ МОД......................... 27

1.1 .Спектральный состав излучения и взаимодействие

продольных мод в газовых лазерах.............................................. 29

1.2.Расчеты дисперсии активной среды в Не-Ие и Аг+- лазерах....... 36

1.3.Насыщение дисперсии активной среды в Аг+-лазере

с продольным магнитным полем.................................................. 46

1.4.Влияние параметров Не-№ и Аг+-лазеров на неэквидистантность продольных мод.......................................... 53

1.5.Выводы к главе 1............................................................................. 63

ГЛАВА 2. СПЕКТРАЛЬНО-ВРЕМЕННЫЕ ПАРАМЕТРЫ ИЗЛУЧЕНИЯ

Не-.\е - И Аг+- ЛАЗЕРОВ ПРИ МОДУЛЯЦИИ ПОТЕРЬ РЕЗОНАТОРА............................................................................................. 64

2.1. Спектр межмодовых биений при несинхронной модуляции потерь резонатора Не-Ые-лазера................................................... 64

2.2. Применение акустооптического модулятора для измерений ненасыщенного коэффициента усиления и потерь в газовых лазерах...................................................................... 72

2.3.Синхронная модуляция потерь резонатора Аг+- лазера............. 79

2.4. Выводы к главе 2........................................................................... 91

ГЛАВА 3. СПЕКТРАЛЬНЫЕ И АМПЛИТУДНЫЕ

ХАРАКТЕРИСТИКИ ФЛУКТУАЦИЙ ИЗЛУЧЕНИЯ Не-\е И Аг+-ЛАЗЕРОВ......................................................................................... 93

3.1 .Изучение спектра флуктуаций в излучении Не-№-лазера......... 95

3.2 Исследование флуктуаций излучения Не-Ме-лазера со специальной газоразрядной кюветой............................................114

3.3.Изучение влияния продольного магнитного поля на колебания плазмы Аг+ - лазера.................................................... 121

3.4.Измерение частотной зависимости коэффициента передачи колебаний тока накачки в излучение Аг+-лазера........................ 130

3.5.Выводы к главе 3............................................................................ 136

ГЛАВА 4. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ И УГЛОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

ИЗЛУЧЕНИЯ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ ЛАЗЕРОВ С ВНЕШНЕЙ МОДУЛЯЦИЕЙ..................................................................................... 138

4.¡.Оптическая схема мощного импульсно-периодического

твердотельного лазера с высоким качеством излучения............ 138

4.2.Новый кристалл Ca2Ga2Si07- Nd3+ для импульсно-периодических твердотельных лазеров....................................... 147

4.3.Широкоапертурный акустооптический модулятор неполяризованного излучения для мощных твердотельных технологических лазеров............................................................... 155

4.4.Выводы к главе 4............................................................................ 164

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................................................... 166

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.......................................................................................... 169

ВВЕДЕНИЕ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ

Эпоха третьей промышленной революции, начавшаяся в 90-х годах, ознаменована большими успехами в исследованиях, разработке и широком применении лазерной техники и технологии во многих сферах человеческой деятельности. Прежде всего следует назвать наукоемкие отрасли промышленности, экологию, медицину, геодезию, геофизику, наземную и космическую связь, локацию, дальнометрию, вычислительную технику, военное дело и т. д. Стремительное внедрение лазеров в различные области науки и техники обусловлено такими уникальными свойствами лазерного луча как пространственная и временная когерентность, монохроматичность и малая угловая расходимость.

В настоящее время большой практический интерес проявляется к газоразрядным когерентным источникам излучения, работающим в широком диапазоне длин волн - от ультрафиолетовых до инфракрасных как в импульсном, так и в непрерывном режимах.

Исследования информационного потока публикаций к 1993 г., проведенные в работе [1], на основе материалов реферативного журнала «Физика», позволили определить следующие направления разработок газовых лазеров: лазеры на двуокиси углерода, гелий-неоновые лазеры, лазеры на парах металлов, эксимерные лазеры, лазеры на моноокиси углерода и азотные лазеры. Предполагается, что к 2000-му году линейность возрастания всего массива публикаций по газоразрядным лазерам сохранится, причем лидеры - С02-лазеры и аутсайдеры и СО-лазеры останутся на своих местах. Столь продолжительный и стабильный интерес к газовым лазерам объясняется рядом уникальных физических и технических свойств, присущих только этим источникам

когерентного излучения. Благодаря высокой однородности и низкой плотности газов, использующихся в качестве активной среды, газовые лазеры имеют более высокую направленность излучения, монохроматичность и стабильность частоты генерации, чем твердотельные и полупроводниковые лазеры.

Широко применяемые в последнее время полупроводниковые ва-Аз-лазеры имеют прекрасные массогабаритные параметры, малое потребление энергии, простую конструкцию, но большая расходимость излучения, составляющая единицы градусов и нестабильность длины волны излучения не позволяет их использовать в прецизионных системах [2]. Поэтому сегодня газовым лазерам отдают предпочтение при выборе источника излучения в высокоточных прецизионных измерительных и информационно-оптических системах (ИОС). Так, например, в настоящее время в большинстве серийных дальномеров в качестве источников излучения используют лазерные Оа-Аз-диоды. Однако, для решения конкретных практических задач, связанных с высокоточным измерением профиля и последующей юстировкой антенн радиотелескопов, измерением крупногабаритных деталей в машиностроении, юстировкой крупногабаритных оптических систем, измерением деформаций земной коры и т. д., где необходима минимальная инструментальная погрешность, составляющая 0,1...0,01 мм, используют прецизионные фазовые светодальномеры на базе Не-N6-лазеров [2].

Одним из наиболее перспективных высокочувствительных методов детектирования долгоживущих изотопов, включая естественный йод - 127 и -129, является лазерно-флуоресцентный метод с использованием Аг+- и Не- N6- лазеров [3].

На XVII Генеральной конференции по мерам и весам было

принято новое определение метра, в основе которого лежит постулат о постоянстве скорости света. В соответствии с этим, в практику, был введен способ интерференционного компарирования с помощью источников излучения с известной длиной волны или частотой. В качестве таких источников излучения рекомендован ряд высокостабильных лазеров, частоты которых были известны с высокой точностью. В настоящее время лучшим является Не-Ме/СН4- лазер, работающий на длине волны 3,39 мкм, который отличается самой высокой стабильностью 3-10"14) и воспроизводимостью частоты [4]. Международным комитетом по мерам и весам, в качестве вторичного эталона длины рекомендован также Аг+- лазер (Х= 0,514 мкм), несущественно уступающий по аналогичным параметрам Не-Ые/СЩ-лазеру [5].

В последнее время Не-Ые-лазеры нашли широкое применение в медицине. Внутреннее облучение крови Не-Ме-лазером (А, = 0,63 мкм) при гнойном пиеонефрите способствует относительно быстрому купированию активной фазы воспаления. Внутрипузырное облучение Не-КГе-лазером при остром и хроническом цистите позволяет достигнуть заметного терапевтического эффекта. Лазерная терапия простатического отдела уреты и предстательной железы, лечение острого неспецифического эпидидимита, также успешно проводится с применением Не-Ые-лазера [6].

Новым направлением в области ИОС является создание лазерных проекционных систем и лайт-шоу. Данное направление работ возникло в США в конце 80-х годов и продолжает прогрессировать в настоящее время. Это направление было также стимулировано бурным развитием лазерной технологии в США, выпустившей на широкий рынок целый спектр недорогих и мощных лазеров, доступных по цене для

приобретения рекламными фирмами, компаниями, ответственными за световое оформление рок-концертов, фестивалей и т. д. Примером применения лазерных систем может служить лазерное шоу Ж.-М. Жарра на Воробьевых горах, посвященное 850-летию Москвы (1997 г.).

Одним из потребителей лазерных проекционных дисплейных систем является военно-промышленный комплекс США [7]. Так, в штаб-квартире главнокомандующего американских ВВС установлена система LASAR 1000 фирмы «Visulux Laser Projection System». Система предназначена для отображения оперативной и стратегической информации на экране размером 4,8x9,7 м2. Другой экземпляр системы LASAR 1000 с экраном 3x4,3 м2, установлен в Лас-Вегасе в зале Национальной Ассоциации радиовещательных корпораций, рассчитанном на 4000 человек. Яркость и разрешение лазерной системы соответствуют параметрам классических проекционных систем с 35-миллиметровой кинопленкой.

Главным узлом любой проекционной лазерной системы является лазер. Точность формирования пространственно-информационного поля в значительной мере определяется угловыми параметрами лазерного излучения.

Наиболее перспективными и универсальными лазерами для проекционных ИОС за последнее десятилетие безусловно, признаны газовые аргоновые ионные лазеры работающие в сине-зеленой области спектра. Наиболее интенсивные линии излучения этих лазеров - синяя (А, =0,488 мкм) и зеленая (X =0,514 мкм) являются наиболее чувствительными для восприятия человеческим глазом. Основное достоинство таких лазеров - высокая выходная мощность при непрерывном одномодовом режиме работы.Мощность аргонового лазера может достигать от 5 до 25 Ватт, при диаметре пучка d00=l,9 мм

и расходимости 0,4 мрад (модель INNOVA 425 фирмы «Coherent Inc.»), что позволяет получать весьма яркие изображения на экранах площадью до 1000 м2. Аргоновые ионные лазеры в сине-зеленой области спектра имеют еще большие средние мощности. В 1996 г. фирма «Newport Corp.» производила 5 моделей одномодовых лазеров со средней мощностью от 10 до 150 Вт при диаметре пучка < 0,65 мм и расходимости не более 0,95 мрад. Главным недостатком аргоновых лазеров является ограниченный срок службы газоразрядной трубки и высокое энергопотребление (данный тип лазеров имеет КПД порядка ~ 0,1 %). Однако, альтернативы аргоновым лазерам в сине-зеленой области в настоящее время не существует. Кроме того, при создании трехцветных проекционных систем один лазер используется как источник двух линий: синей и зеленой.

Аргоновые ионные лазеры также представляют интерес для использования в космической связи с подводными лодками, находящимися под водой [8]. Излучение аргоновых лазеров X =0,514 мкм и А, =0,488 мкм попадает в диапазон прозрачности морской волны и способно проникать на глубину более 60 м. Американские разработчики считают, что для космического базирования необходимо создать надежный лазер, в котором будут реализованы сложные методы модуляции излучения для передачи информации с ИСЗ на подводную лодку.

Большой интерес проявляется потребителями и к криптоновым ионным лазерам. Максимально достижимая мощность их не превышает 3...5 Вт в одномодовом режиме. В настоящее время они являются практически единственным источником красного излучения такого уровня мощности и поэтому широко применяются до сих пор, наряду с газовыми лазерами на смеси He-Ne. Несмотря на то, что к настоящему

времени имеется огромное количество научных статей, монографий, обзоров и справочников по физике и технике Не-Ые-лазеров, в специализированной литературе периодически появляются публикации с сообщениями об исследованиях, оценках и новых разработках лазеров с параметрами излучения, необходимыми для решения конкретных прикладных задач [1-8].

Сегодня в мире выпускается более 270 моделей Не-Ые-лазеров, мощность излучения которых лежит в диапазоне от 3 нВт до 35 мВт. Почти все они работают в одномодовом режиме на длине волны генерации от 0,44 до 3,39 мкм [9]. В литературе имеется сообщение о создании экспериментального Не-Ме-лазера мощностью до 1 Вт [10].

Некоторые разработчики применяют для современных проекционных ИОС в качестве источников излучения в сине-зеленой области спектра импульсные лазеры на парах меди. Эти лазеры интересны тем, что маломощные модели имеют малые размеры и вес, отпаянные активные элементы, не требуют водяного охлаждения и трехфазной сети 380 В. Мощность таких лазеров в зеленой линии X =0,51 мкм и в желтой А, =0,57 мкм может достигать в среднем значении 5... 10 Вт на одной линии. Однако частота повторения импульсов этих лазеров достаточно низка (8...20 кГц) [11], что создает при сканировании пучка точечную структуру изображения.

Психофизиологические исследования показывают, что точечная структура изображения перестает восприниматься человеческим глазом (точки сливаются) при повышении частоты повторения импульсного лазера до 80... 120 кГц. Однако, при таких высоких частотах повторения возникают физические ограничения, приводящие к резкому уменьшению максимальной мощности лазерного излучения.Лазеры на парах меди со средней мощностью излучения в двух линиях 20...35 Вт

(например, отечественные модели СИСТА 20-1 и ИЛГИ-201), имеют малый ресурс активного элемента (~ 500 ч). Для их питания требуется трехфазная сеть 380 В и водяное охлаждение. По своим эксплуатационным и массогабаритным характеристикам они приближаются к более мощным аргоновым лазерам.

Идея создания мощных портативных твердотельных лазеров, не требующих водяного охлаждения и питания от трехфазной сети, представляется очень перспективной, поскольку на основе таких лазеров возможно создание мобильных передвижных систем оперативного отображения информации. Такие системы могут быть расположены в салоне легкового автомобиля или микроавтобуса и иметь автономное питание от дизель-генератора или электрогенератора автомобиля [12].

Наиболее перспективными для этой цели в будущем будут твердотельные лазеры с диодной полупроводниковой накачкой [13, 14]. Специфической особенностью твердотельных лазеров, работающих в видимом диапазоне длин волн, является применение внутри лазерного резонатора нелинейного элемента для преобразования инфракрасного основного излучения с длиной волны 1,064 мкм во вторую гармонику с длиной волны 0,532 мкм. Такие лазеры отличаются длительным сроком службы, надежностью, относительной компактностью, малым энергопотреблением.Следует отметить, что мощность непрерывных одномодовых твердотельных лазеров на А, =0,532 мкм не так велика, как у аргоновых на X =0,514 мкм. Она достигает в промышленных отечественных и в отдельных зарубежных моделях величины ~ 1,5...2 Вт. В работе [15] сообщается о применении в лазере ЛТИ-401 для преобразования излучения нелинейного кристалла ОСБА и получении средней мощности во второй гармонике 4 Вт.

Значительный прогресс, достигнутый в последнее десятилетие в области выращивания кристаллов - активных элементов твердотельных лазеров [16, 17, 18], позволил подойти вплотную к созданию твердотельных лазеров киловаттной мощности. Лазерные комплексы на их основе предназначены для сварки и резки стали, алюминия, медных сплавов, резки керамики. Основными «претендентами» среди кристаллов в качестве активной среды для лазеров такого уровня мощности являются УАО-Ш3+, ООС-Ш3+, УАР-Ш3+. КПД таких лазеров может достигать 3...7%. Рекордное значение КПД принадлежит 000-Ш3+ и составляет 6% [17, 18] при мощности 170 Вт.

На сегодняшний день в мире освоен коммерческий выпуск твердотельных лазеров мощностью от 300 Вт до 3000 Вт. Существует уже около 10 фирм в мире [19, 20], перешедших уровень мощности 500

Л |

Вт. Все указанные лазеры реализованы на кристалле УАО-№1 , наиболее продвинутом в технологии выращивания. Однако, в работе

О I

[21], где достигнута мощность 800-1000 Вт на ОвО-Ыс! , показано, что

о ]

у УАв-Ш появился достойный конкурент. В [22] анализируется проект «Евролазер», созданный рядом стран Западной Европы в рамках программы «ЭВРИКА». Согласно этому проекту предполагается создание типоряда ТТЛ мощностью 1...5 кВт (Италия, ФРГ, Франция). Считается, что с созданием ТТЛ такой мощности они будут иметь техническое и экономическое преимущество перед СОг-лазерами аналогичного уровня. Основанием для такого преимущества является: существенно большее поглощение металлами излучения с длиной волны 1,06 мкм; передача излучения ТТЛ по волоконному световоду на расстояние до сотни метров, простота совмещения^ роботизированными комплексами. Уже сейчас реализованы волоконные

световоды диаметром 0,4...0,8 мм, способные пропускать излучения с X=1,06 мкм, мощностью до 500 Вт;

- использован�