2
СЕЛЕКТИВНЫЙ РЕЗОНАТОР CO-ЛАЗЕРА
2
SELECTIVE CAVITY COLASER

2
Настоящее изобретение относится к лазерной технике и может быть преимущественно использовано для создания компактных лазерных источников дальнего инфракрасного диапазона на основе СО-лазеров с оптической накачкой и различных оптических систем на их основе, в том числе для экологического мониторинга, функционирующих в спектральном диапазоне от 9 мкм до 10 мкм.
2
По данным справочной литературы [W. В runner. K. Junge, Справочник по лазерной технике. Перевод с немецкого В.Н. Белоусова. Под редакцией профессора А.П. Напартовича. Москва. Энергоатомиздат, 1991] длины волн выходного излучения СО-лазера могут лежать в дальнем инфракрасном (ИК) диапазоне от ~ 9 мкм до ~ 11 мкм, которые совпадают е одним из самых прозрачных спектральных окон в атмосфере 8…13 мкм, являясь наиболее подходящими для лазерного зондирования атмосферы.
2
2
у
у
10,4
у
9,4
уР
vR
2
2
0
0
0
0
0
0
На Фиг. 1 схематично показано положение возможных линий генерации в СО-лазере на Р- и R- ветвях основных полос в диапазоне длин волн от ~ 9 мкм до ~ 11 мкм и примерное соотношение в них коэффициентов усиления генерации. При этом основным полосам генерации на переходах 001→020 и 001→100 соответствуют центральные длины волн 9,4 мкм и 10,4 мкм. разделяющие R- и Р- ветви. Как следует из данных справочной литературы, в СС-лазере отношение коэффициентов усиления К на переходах Р-ветви в основных полосах 10,4 мкм и 9,4 мкм соотносятся как К / К ≈ 1,6. При этом отношение коэффициентов усиления для переходов Р- и R- ветвей в полосах по оценкам К / K ≥ 3. Таким образом, генерация в СО-лазерах в неселективном режиме, независимо от способа накачки, преимущественно происходит на переходах Р-ветви полосы 001→100 в узкой спектральной области около 10,6 мкм. Отличительной особенностью СО-лазера является сильная конкуренция линий генерации благодаря влиянию вращательной релаксации на процесс генерации. Как правило, в неселективном режиме генерация происходит на ограниченном числе переходов, обычно одном, двух, обладающих наибольшим отношением усиления над потерями, при этом в процессе генерации инверсия на них подпитывается за счет населенности соседних вращательных подуровней благодаря высокой скорости вращательной релаксации.
п
п
у
у
п
2
Конкретный выбор спектрального состава выходного излучения лазера определяется поставленной задачей и достигается известными методами спектральной селекции, описанными, например, в учебном пособии [В.А. Малышев, «Основы квантовой электроники и лазерной техники». Москва, «Высшая школа», 2005]. Внутренняя спектральная селекция в лазерах предполагает создание таких условий в резонаторе, при которых коэффициент потерь (поглощения) излучения α за проход в резонаторе для нежелательных линий будет равен или превышать их коэффициент усиления α ≥ К, а для селектируемых линий К > α. Для управления спектральным составом выходного излучения лазеров широкое распространение получили селективные резонаторы. Селективными элементами в таких резонаторах могут быть дифракционные решетки, призмы, интерферометры Фабри-Перо [Ю.Н. Громов, В.П. Тычинский, Н.Ш. Хайкин, Внутренняя селекция частот CO-лазера при помощи интерферометра Фабри Перо, «Приборы и техника эксперимента», 1971. №3, с. 183-186].
Для селекции отдельных линий генерации в качестве одного из зеркал резонатора обычно применяется отражательная дифракционная решетка, установленная по автоколлимационной схеме и обеспечивающая обратную связь на одной выбранной линии. Для этих же целей можно использовать в качестве селективного элемента резонатора призму, изготовленную из материала с необходимой дисперсией показателя преломления. Для селекции одновременно нескольких линий обычно применяют дифракционную решетку, установленную по неавтоколлимационной схеме [Химические лазеры. Под редакцией Р. Гросса и Дж. Ботта. Издательство «Мир». Москва, 1980]. При этом в оптическую схему резонатора вводятся дополнительные оптические элементы, обеспечивающие обратную связь на селектируемых линиях генерации.
2
2
6
Кроме дисперсионных элементов резонатора для селекции линий генерации применяются различного рода оптические фильтры, имеющие заданный коэффициент пропускания или отражения и обеспечивающие дискриминацию конкурирующих линий в спектре генерации. Оптический фильтр для выбранных частот генерации может быть реализован с помощью собственно зеркал резонатора, а так же помещенного в резонатор оптического элемента с нанесенным покрытием, поглощающим излучение в определенном спектральном диапазоне, или в виде внутрирезонаторной ячейки с поглощающим, в выбранном диапазоне длин волн, веществом - жидкостью или газом. В работе [Г.И. Макаров «Динамическая перестройка частоты импульсных СО-лазеров и получение многопичковой генерации с помощью ячейки с поглощающим ИК излучение газом в резонаторе». «Квантовая электроника» 13, №9, (1986)] исследуется метод динамической перестройки частоты излучения в СО-лазере в области 9,6 мкм и 10,6 мкм с помощью внутрирезонаторной ячейки, наполняемой различными поглощающими газами, в том числе в смеси с газообразным гексафторидом серы - SF.
2
Для решения поставленной задачи ограничения спектрального диапазона выходного излучения в CO-лазере коротковолновой областью от ~ 9 мкм до ~ 10 мкм можно применить селективный резонатор на основе дифракционной решетки, установленной по автоколлимационной или неавтоколлимационной схеме. Недостатками являются;
- усложнение оптической схемы резонатора из-за включения в схему резонатора дифракционной отражательной решетки, специально изготовленной с утлом блеска в нужном спектральном диапазоне;
- увеличение потерь из-за процессов рассеяния и поглощения при отражении излучения от штрихов решетки, что заметно снижает эффективный коэффициент отражения по сравнению с плоским зеркалом;
- увеличение габаритов и внутрирезонаторных потерь при использовании неавтоколлимационной схемы за счет установки дополнительных зеркал.
Решить задач можно и с помощью внутрирезонаторного оптического фильтра, однако это требует изготовления сложных дорогостоящих оптических элементов с интерференционными или поглощающими излучение покрытиями, которые к тому же должны обладать достаточной лучевой стойкостью.
2
2
2
3
2
п
у
6
0
0
0
0
0
0
0
0
Совокупность признаков, наиболее близкая к совокупности существенных признаков изобретения, присуща селективному резонатору СО-лазера с поглощающей ячейкой, описанному в [Н.В. Карлов, НА. Карпов, И.О. Ковалев, и др.. Перестройка мощного импульсного СО-лазера в 9-микронную область. «Квантовая электроника» т 2, №9, 2079-2081 (1975)] и предназначенному для получения генерации на переходах полосы 001→020 на длинах волн 9,3 и 9,6 мкм. Селективный резонатор СО-лазера был образован зеркалами резонатора и внутрирезонаторной поглощающей, в выбранном диапазоне дайн волн, газовой средой, заключенной в герметичную ячейку с окнами для ввода и вывода излучения. Внутрирезонаторный селектирующий элемент - газовая поглощающая ячейка определяет спектр выходного излучения. В качестве поглощающего газа использовался BCl, спектр поглощения которого перекрывался с полосой удаления СО на переходах 001→100 в области длин волн ~ 10…11 мкм. Преимущественное селективное поглощение излучения в ячейке на выбранных частотах приводит к блокировке излучения на переходах основной полосы 001→100, так как выполняются условия α ≥ К. За счет этого происходит перестройка линий генерации на переходы полосы 001→020, где обеспечены минимальные потери. Аналогичный эффект перестройки наблюдался при использовании поглощающего газа SF.
На Фиг. 2 представлена схема такого селективного резонатора с внутрирезонаторной газовой ячейкой, обеспечивающей поглощение излучения на выбранных частотах, где:
1 - глухое зеркало резонатора;
2 - выходное полупрозрачное зеркало резонатора:
2
3 - лазерная кювета с газовой рабочей смесью на основе CO;
4 - выходное излучение на селектируемых длинах волн - 9,3 и 9,6 мкм;
3
6
5 - ячейка с газом BCl (SF), поглощающим излучение в диапазоне длин волн ~10…11 мкм.
Известная схема имеет ряд недостатков:
- увеличение линейных размеров резонатора за счет установки в дополнение к лазерной кювете 3 поглощающей ячейки 5, что не позволяет достичь минимально возможных габаритов лазерного источника;
- внесение дополнительных резонаторных потерь за счет паразитного отражения излучения на окнах поглощающей ячейки 5, что приводит к снижению максимально возможной выходной энергетики в выбранном диапазоне длин волн;
- увеличение материальных затрат на изготовление и установку внутрирезонаторной поглощающей ячейки 5.
2
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание компактного селективного резонатора СО-лазера с оптической накачкой для эффективной генерации в спектральном диапазоне 9…10 мкм при подавлении генерации в спектральном диапазоне 10…11 мкм.
Техническим результатом настоящего изобретения является уменьшение размеров резонатора до минимально возможных, за счет исключения газовой поглощающей ячейки, при повышении эффективности генерации в селектируемой спектральной области, из-за отсутствия внутрирезонаторных потерь излучения на окнах поглощающей ячейки.
Дополнительным положительным эффектом при использовании заявляемого изобретения является исключение дополнительных материальных затрат, благодаря исключению поглощающей ячейки, как отдельного элемента селективного резонатора из состава лазерного источника.
Включение в рабочую газовую смесь дополнительной газовой компоненты, обеспечивает поглощение излучения в спектральной области 10…11 мкм и химическую инертность по отношению к другим компонентам смеси.
2
6
6
Технический результат изобретения обеспечивается тем, что в селективном резонаторе СО-лазера, состоящем из зеркал резонатора и внутрирезонаторного селектирующего элемента - газовой поглощающей ячейки, обеспечивающей блокировку излучения в спектральном диапазоне 10…11 мкм и определяющей спектр выходного излучения в спектральном диапазоне 9…10 мкм. Согласно изобретению, в роли поглощающей ячейки выступает рабочая газовая смесь лазера, содержащая в своем составе газообразный гексафторид серы - SF, в количестве, необходимом для выполнения условия равенства или превышения коэффициента поглощения излучения в активной среде лазера над коэффициентом усиления в спектральном диапазоне 10…11 мкм, и отсутствием дополнительных потерь в спектральном диапазоне 9…10 мкм, а предельное содержание SF в рабочей смеси, и соотношение компонентов рабочей смеси определяется достижением максимально возможных параметров генерации в спектральном диапазоне 9…10 мкм.
2
6
2
6
2
6
2
Сущность изобретения поясняется на приведенных ниже экспериментальных данных и расчетах на их основе. Известно [А.А. Опаловский, Е.У. Лобков, «Гексафторид серы». Успехи химии, 2, 44, 193-213 (1975)], что гексафторид серы обладает наибольшей химической инертностью среди известных фторидов и в термодинамических условиях работы СО-лазера с оптической накачкой проявляет себя как абсолютно инертный газ. Поэтому присутствие SF в составе рабочей смеси рассматриваемого лазера с химической точки зрения не влияет на процесс накачки и стабильность состава. В отличие от оптической накачки, электрическая накачка, как наиболее распространенная в СО-лазерах, при наличии SF в составе рабочей среды при взаимодействием с электронами может приводить к его диссоциации, а также к снижению эффективности накачки СО из-за захвата электронов электроотрицательным газом, каким является SF. [П.В. Кузин, И.А. Якобсон. Наладка элегазового оборудования. М., Энергоатомиздат, 1990]. Поэтому предлагаемый селективный резонатор для применения в СО-лазерах с электрической накачкой не рассматривается.
6
6
2
2
6
6
SF6
-1
-1
3
-1
2
Относительно спектральных характеристик известно, что молекула SF обладает шестью нормальными типами колебаний, из которых два - v3 (948,9 см), v4 (615,2 см), активны в инфракрасном спектре. На Фиг. 3 представлен экспериментально измеренный спектр пропускания SF на v3 в процентах, соответствующий спектральной области ~10,5…10,7 мкм генерации СО-лазера на переходах Р-ветви (Р(8)- Р(30)), взятый из статьи [Edward Е. Uthe «Airborne СО DIAL measurement of atmospheric tracer gas concentration distributions». APPLIED OPTICS / Vol. 25, No. 15/1 August 1986]. Измерение пропускания SF в данной работе проводилось при концентраций поглощающего газа С=0,6 г/м, соответствующего парциальному давлению SF - P ≈ 0,07 торр, в газовой ячейке длиной 10 см. На правой оси ординат графика Фиг. 3 представлен коэффициент ослабления излучения α [м], нормированный на концентрацию α/С [м/г].
6
п
6
п
п
2
6
п
п
2
-1
3
-1
-2
-1
-3
-1
0
0
-2
-1
-2
-1
Из анализа представленных на Фиг. 3 данных следует, что в минимуме спектра пропускания SF коэффициент ослабления равен α/С ≈ 10 м/г и практически совпадает по длине волны с переходом Р(16). Переведем для удобства полученное значение ослабления в другую размерность - обратные сантиметры [см]. Для этого α=(α/C) умножим на концентрацию SF в газовой ячейке С=0,6 г/м. Получаем: α=6⋅м, или 6⋅10 см. При этом на крыльях спектра пропускания коэффициент ослабления уменьшается практически в ~ 20 раз и составляет α ≈ 3⋅10 см. Как уже упоминалось выше, в неселективном режиме, независимо от способа накачки, в CO-лазере генерация преимущественно происходит па переходах Р-ветви полосы 001→100 в узкой спектральной области около ~ 10,6 мкм на переходах Р(18)…Р(24), занимающих спектральный диапазон от ~10,57 мкм до ~10,63 мкм и обладающих максимальным усилением. Этим линиям, на основе представленных на Фиг.3 данных, соответствует коэффициент поглощения в SF. изменяющийся от α ≈ 5⋅10 см до α ≈ 2⋅10 см.
6
2
п
у
2
2
г
0
Для оценки минимального количества SF, в рабочей смеси СО-лазера с оптической накачкой для выполнения условия α ≥ К в спектральной области ~ 10,6 мкм используем значение коэффициента усиления, измеренного в компактном лазерном источнике с усилительной средой на основе СО протяженностью всего шесть сантиметров, описанного в [D. Tovey, J. J. Pigeon. S. Ya. Tochitsky. G. Louwrens, I. Ben-Zvi, C. Joshi, D. Martyshkin, V. Fedorov. K. Karki, and S. Mirov J. «Gain dynamics in a CO2 active medium optically pumped at 4.3 μm». Appl. Phys. 128, 103103 (2020)]. В данном СО лазере с оптической накачкой на длине волны λ ≈ 10,6 мкм получен рекордный показатель усиления равный 30% на сантиметр активной среды. Полученное значение соответствует отношению интенсивностей до и после усиления I/I=1,3. Учитывая экспоненциальный закон усиления, можно записать:
0
у
0
-1
где: I/I=1,3, L=1 см, тогда К=ln(I/I)/L=0,26 см.
6
SF6
п
п
у
6
у
п
SF6
SF6
2
-2
-1
min
min
Так как минимальная величина коэффициента поглощения в SF для возможных линий генерации в спектральной области 10,6 мкм, полученная при P=0,07торр, составляет α ≈ 1,8⋅10 см, то для выполнения условия блокировки излучения в этой спектральной области необходимо выполнение условия α ≥ К. Для этого минимальное парциальное давление SF в смеси должно быть увеличено в К/α раз до величины P =0,07⋅0,26/0,018 ≈1торр. Полученное значение поглощающего газа P является минимально необходимой величиной в данной усилительной среде на основе СО для блокировки излучения в области 10…11 мкм и создание условий для генерации в спектральной области 9…10 мкм.
2
2
2
6
6
6
2
6
-1
Гексафторид серы, кроме уникальных спектральных характеристик (имеет аномально высокий интегральный коэффициент поглощения в области генерации CO-лазера), обладает высокой удельной объемной теплоемкостью (почти в три раза большей чем у СО и в пять у гелия), а так же системой близких по энергии колебательно-вращательных уровней, совпадающих с нижними лазерными уровнями СО. Это открывает возможности оптимизации состава рабочей смеси для эффективной работы лазера с оптической накачкой в условиях высокой частоты повторения и энергии импульсов накачки. В этом случае для заметного влияния SF на параметры генерации парциальное давление должно быть, как минимум больше на порядок, чем это нужно для селекции. При этом необходимо, чтобы увеличение давления SF не вносило дополнительных потерь в спектральную область 9…10 мкм и эффективно поглощало излучение в области 10…11 мкм. Для этого были проведены эксперименты по регистрации спектра поглощения в области 9…11 мкм в зависимости от парциального давления SF в смеси с воздухом при общем давлении 740торр. Эксперименты проводились на инфракрасном фурье-спектрофотометре со спектральным разрешением ~ 4 см. Исследуемая смесь напускалась в газовую кювету длиной 114 мм (сравнимой с длиной активной среды СО-лазера с оптической накачкой). На Фиг. 4 представлены спектры поглощения для трех значений парциального давления SF: три. пять и двадцать торр. Анализ полученных спектров показал, что во всем исследованном интервале давлений:
- излучение надежно блокируется в спектральном интервале 10…11 мкм, захватывая R- и Р-ветви полосы 10,4 мкм;
- дополнительные потери излучения в спектральной области 9…10 мкм отсутствуют.
2
На Фиг. 5 представлена схема заявляемого компактного селективного резонатора СО-лазера с внутрирезонаторной поглощающей средой, совмещенной с рабочей смесью лазера, и обеспечивающей поглощение излучения на выбранных частотах, где:
1 - глухое зеркало резонатора;
2 - выходное, полупрозрачное зеркало резонатора:
2
6
3 - лазерная кювета с газовой рабочей смесью на основе CO, включающая газообразный SF, поглощающий излучение в диапазоне длин волн ~10…11 мкм;
4 - выходное излучение на селектируемых длинах волн в области ~9…10 мкм.
2
6
2
2
6
2
у
п
0
0
0
0
0
0
0
0
0
Селективный резонатор работает следующим образом. В лазерную кювету 3 напускаются основные компоненты рабочей смеси: СО, Не. SF. Содержание основного рабочего компонента СО определяется мощностью накачки и может составлять от единиц до сотен торр. Количество гелия, обеспечивающего разрушение нижнего лазерного уровня и передачу тепла стенкам лазерной кюветы обычно составляет: СО : Не = 1:(1…10). Количество SF, в смеси, в соответствии с выше изложенным, может составлять от единиц до десятков торр, обеспечивая при этом поглощение излучение в выбранном диапазоне длин волн и максимальное значение выходных параметров генерации: энергетики в импульсе, частоты следования импульсов. Внешним световым источником через глухое зеркало 1 осуществляется накачка рабочей смеси в кювете 3. После процесса оптической накачки на переходе 000→001 заселяется метастабильный верхний лазерный уровень 001 СО. За счет обратной связи, обеспечиваемой зеркалами резонатора 1, 2, при выполнении условия К > α происходит усиление излучения в активной среде лазера. В соответствии с Фиг. 1, при блокировке усиления на переходах 001→100 в области ~ 10.6 мкм, генерация излучения в рассматриваемом селективном резонаторе будет происходить на переходах Р-ветви основной полосы 001→020, где максимальный коэффициент усиления всего лишь в ~1,6 раза меньше, чем на переходах Р-ветви основной полосы 001→100. На переходах R-ветвей основных полос генерации коэффициенты усиления относительно переходов на Р-ветвях более чем в три раза меньше, поэтому они в рассматриваемом случае не конкурентоспособны для развития генерации. Таким образом, выходное излучение 4 на селектируемых длинах волн будет сосредоточено в области ~ 9,6 мкм, где реализуется максимальный коэффициент усиления.
2
Таким образом, применение селективного резонатора в CO-лазере с оптической накачкой по предлагаемому техническому решению позволяет реализовать компактный лазерный источник дальнего инфракрасного диапазона, функционирующего в спектральном диапазоне от 9 мкм до 10 мкм. По оценкам, для приведенного выше примера с короткой усилительной средой, составляющей всего шесть сантиметров, отказ от внутрирезонаторной поглощающей ячейки позволяет, как минимум, в два раза сократить линейные размеры резонатора, и габариты лазерного источника в целом, а также отказаться от дополнительных материальных затрат на изготовление внутрирезонаторной поглощающей ячейки.