ЛАЗЕР НА ПАРАХ ЩЕЛОЧНЫХ МЕТАЛЛОВ С ДИОДНОЙ НАКАЧКОЙ
DIODE-PUMPED ALKALI METAL VAPOUR LASER

Изобретение относится к оптике и квантовой электронике и может быть использовано в лазерной локации, в системах наведения излучения, в технологических и медицинских лазерных установках.
2
В 2003 году Крупке (William Krupke) была предложена новая концепция: непрерывный лазер на парах щелочных металлов с накачкой излучением лазерных диодов со столкновительным уширением D - линии гелием, в дополнение к столкновительному перемешиванию верхних уровней легкими углеводородами. Концепция предусматривала применение для накачки серийных и относительно дешевых лазерных диодов с шириной линии излучения до нескольких нанометров.
Известен щелочной лазер с диодной накачкой (W.F. Krupke, патент US 6643311 «Diode-pumped alkali laser», опубликован 04.11.2003), содержащий лазерную камеру с внутренней полостью с прозрачными торцевыми окнами, источник излучения накачки на основе лазерных диодов, оптические средства формирования и фокусировки излучения накачки во внутреннюю полость камеры, при этом активная среда удерживается статическим образом внутри полости, камера расположена между двумя торцевыми зеркалами резонатора, направления лазерного излучения и оптическая ось камеры совпадают, причем активная среда представляет собой смесь из, как минимум, одного буферного газа и пара щелочного металла, а длина волны накачки соответствует длине волны поглощения в парах щелочного металла. Активная среда накачивается лазерными диодами через оптическую систему в направлении, параллельном оптической оси камеры через торцевые окна камеры.
Недостатками данного устройства является то, что лазерная среда заключена в замкнутый объем и статична, что приводит к ее перегреву во время работы лазера, что ограничивает выходную мощность лазера.
Известен также лазер на парах щелочных металлов с диодной накачкой (W.F. Krupke et al., заявка US 2009/0022201 «Alkali-vapor laser with transverse pumping», опубликована 22.01.2009, МПК H01S 3/09, 3/0933), выбранный за прототип и содержащий лазерную камеру с внутренней полостью с прозрачными торцевыми окнами, замкнутый герметичный контур для циркуляции активной среды, проходящий через внутреннюю полость камеры в направлении, поперечном к оптической оси камеры, источник излучения накачки на основе лазерных диодов, оптические средства формирования и фокусировки излучения накачки во внутреннюю полость камеры, причем активная среда представляет собой смесь из, как минимум, одного буферного газа и пара щелочного металла, а длина волны накачки соответствует длине волны поглощения в парах щелочного металла. Направления лазерного излучения и оптическая ось камеры совпадают. Накачка активной среды происходит в направлении, поперечном направлению лазерного излучения.
Недостатками прототипа является поперечная к направлению лазерного излучения накачка активной среды, при этом эффективная длина поглощения накачки оказывается меньшей, чем в случае с торцевой накачкой. В результате уменьшается эффективность преобразования энергии накачки в лазерную энергию и тем самым достигается меньший КПД лазера.
Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение является создание непрерывного лазера киловаттного уровня с высоким ресурсом работы.
Технический результат заключается в обеспечении более эффективного преобразования энергии накачки в лазерную энергию и в повышении КПД лазера.
Данный технический результат достигается тем, что в лазере на парах щелочных металлов с диодной накачкой, содержащем лазерную камеру с внутренней полостью с прозрачными торцевыми окнами, замкнутый герметичный контур для циркуляции активной среды, проходящий через внутреннюю полость камеры в направлении, поперечном к оптической оси камеры, источник излучения накачки на основе лазерных диодов, оптические средства формирования и фокусировки излучения накачки во внутреннюю полость камеры, причем активная среда представляет собой смесь из, как минимум, одного буферного газа и пара щелочного металла, а длина волны накачки соответствует длине волны поглощения в парах щелочного металла, новым является то, что источник излучения накачки расположен со стороны по меньшей мере одного торцевого окна лазерной камеры таким образом, что направление формируемого им излучения накачки ориентировано продольно направлению оптической оси камеры, а оптические средства формирования и фокусировки излучения накачки выполнены и установлены с обеспечением построения в активной среде в одной и той же плоскости, поперечной оптической оси камеры, изображения излучающей зоны источника излучения накачки в направлении ее короткой стороны и Фурье-изображения излучающей зоны источника излучения накачки в направлении ее длинной стороны.
Оптические средства формирования и фокусировки излучения накачки включают последовательно расположенные между источником излучения накачки и лазерной камерой сферическую и цилиндрическую линзы.
Торцевые окна лазерной камеры расположены под углом Брюстера к оптической оси камеры.
Лазер дополнительно содержит, по меньшей мере, один герметичный замкнутый контур обдува торцевых окон буферным газом, обеспечивающий направление потока газа вдоль окон в направлении, встречном или перпендикулярном направлению потока активной среды.
Каждое из торцевых окон лазерной камеры состоит из двух и более прозрачных оптических пластин, пространство между которыми заполнено газом.
Несмотря на то, что лазеры на парах щелочных металлов обладают очень высокой квантовой эффективностью, она ниже 100%. Потери энергии, обусловленные разницей между длиной волны накачки и длиной волны генерации (так называемый квантовый дефект) преобразуется в тепло. Соответственно, чем больше мощность накачки, тем большее количество теплоты выделяется в системе. В случае, когда среда статична, эта теплота будет основным ограничивающим фактором в работе лазера, т.к. это приведет с росту температуры активной среды. Температура определяет, во-первых, концентрацию паров щелочного металла, и при больших значениях концентрации имеющейся накачки станет недостаточно (для определенного уровня накачки существует оптимальная концентрация паров, а значит и оптимальная температура). Во-вторых, при увеличении температуры (более 400-500°С) начинается распад углеводородов, которые используются в качестве буферного газа. К тому же в случае замкнутой и статичной среды охлаждение среды осуществляется за счет теплообмена между средой и стенками камеры, а значит скорость отвода тепла ограничена коэффициентами теплопроводности газов, составляющих активную среду, и материала, из которого сделана камера. Поэтому организация замкнутого герметичного контура для обеспечения потока активной среды (т.е. основного контура) с контролируемой скоростью протока (скорость потока активной среды можно изменять) позволила эффективно отводить выделяющееся в процессе работы лазера тепло, сохраняя температуру активной среды, а значит и концентрацию паров щелочного металла на требуемом оптимальном уровне. Проток активной среды контролируется и при необходимости может изменяться, чтобы уменьшить или увеличить отвод тепла из активной области. Все это обеспечивает высокий и стабильный КПД лазера, а также увеличивает ресурс работы лазера, т.к. температура активной среды не достигает тех критических уровней, при которых начинается разложение углеводородов, либо начинают идти различные реакции взаимодействия активного щелочного металла с материалами, из которых состоит лазерная камера.
Излучающая зона источника накачки имеет размеры 120×6 мм по «быстрой» оси и «медленной» оси соответственно (Y. Wang, Т. Kasamatsu, Y. Zheng, Н. Miyajima, Н. Fukuoka, S. Matsuoka, M. Niigaki, H. Kubomura, Т. Hiruma, H. Kan, "Cesium vapor laser pumped by a volume-Bragg-grating coupled quasi-continuous-wave laser-diode array", Appl. Phys. Lett. 88, 141112, 2006). При этом расходимость излучения накачки составляет 0.003×0.1 рад (соответственно по «быстрой» и «медленной» осям). В связи с такой асимметрией в размере и расходимости излучения накачки становится крайне сложно с помощью достаточно простой оптической системы сформировать каустику накачки в центре лазерной камеры. Т.к. используется торцевая накачка, то для эффективного преобразования излучения накачки в лазерное излучение требуется следующее:
- накачка должна быть сфокусирована в как можно меньший размер, т.к. при этом увеличивается интенсивность накачки, а вместе с ней и общий КПД лазера;
- каустика накачки должна быть как можно более пологая и иметь одинаковые размеры по обоим осям (в идеале каустика накачки должна представлять из себя цилиндр), одинаковые размеры по обоим осям упрощают подбор оптимальной конфигурации резонатора, что также увеличивает общий КПД лазера. Поэтому была разработана и экспериментально опробована оптическая система формирования каустики накачки, которая хорошо удовлетворяет поставленным выше условиям.
Спектр лазерных диодов, из которых состоят источники диодной накачки для лазера на парах щелочных металлов, даже с использованием внешних селективных отражателей (предназначенных для сужения спектра лазерных диодов), тем не менее, в несколько раз шире, чем линия поглощения атомов щелочного металла, даже столкновительно уширенная несколькими атмосферами буферного газа, такого как, например, гелий. Такое несогласование приводит к тому, что поглощается только центральная часть спектра накачки, оставляя «крылья» спектра, в которых находится значительная доля энергии, не поглощенными. Чтобы устранить это несоответствие в спектре накачки и ширине линии поглощения и тем самым увеличить эффективность поглощения света накачки применяется конфигурация с торцевой накачкой. Увеличение эффективности поглощения в такой конфигурации достигается за счет создания требуемой эффективной длины поглощения среды (эффективная длина поглощения - это произведение концентрации паров щелочного элемента на длину столба паров, вдоль которого распространяется излучение накачки) с сохранением достаточной интенсивности света накачки по всей ее длине. Поэтому общий КПД лазера увеличивается.
Излучение накачки линейно поляризовано,, поэтому расположение окон лазерной камеры под углом Брюстера к оптической оси камеры для такого линейно поляризованного излучения уменьшает френелевские потери на отражение. Это значит, что большая часть излучения накачки будет доставлена до активной среды, тем самым, увеличивая общий КПД лазера.
Использование контура обдува увеличивает ресурс работы лазера, т.к. поток газа в этом контуре препятствует, во-первых, осаждению паров щелочного металла на окнах лазерной камеры, во-вторых, осаждению продуктов распада углеводородов в виде сажи из основного контура. Поэтому окна более длительное время остаются чистыми. Это также означает, что внутрирезонаторные потери не растут во время работы лазера, что приводит к увеличению КПД лазера.
Применение окон, состоящих из двух и более прозрачных оптических пластин, пространство между которыми заполнено газом (окно с блок-пакетом), увеличивает ресурс работы лазера. В случае, когда используется обычная конструкция окна с одной оптической пластиной, одна поверхность этой пластины контактирует с окружающим воздухом, температура которого значительно ниже температуры активной среды внутри кюветы. В этом случае возможно, что температура другой поверхности пластины (внутри кюветы) будет также ниже температуры активной среды, и на нее будут садиться пары щелочного металла. Это приведет к выходу окон лазерной камеры из строя. В конструкции окна с блок-пакетом газ, находящийся между двумя пластинами, разогревается до температуры немного выше, чем температура активной среды. Отсюда следует, что пластина, обращенная к активной среде, будет горячее самой среды, что препятствует осаждению щелочного металла на ней. Поэтому окна более длительное время остаются чистыми. Это также означает, что внутрирезонаторные потери не растут во время работы лазера, что приводит к увеличению КПД лазера. Оптические пластины, из которых состоит блок-пакет, могут быть изготовлены из разных материалов (стекло, кварц, сапфир). Кроме того, на них может быть нанесено просветляющее покрытие. Газ между пластинами изолирован от активной среды и не содержит паров щелочного металла. Сам газ может быть любым (воздух, азот, инертный газ).
На фиг.1 показана конструкция лазера на парах щелочных металлов с диодной накачкой, где:
1 - лазерная камера;
2 - торцевые окна;
3 - источник излучения накачки на основе лазерных диодов;
4 - сферическая линза в составе оптических средств формирования и фокусировки излучения накачки во внутреннюю полость камеры;
5 - цилиндрическая линза в составе оптических средств формирования и фокусировки излучения накачки во внутреннюю полость камеры;
6 - основной замкнутый контур с активной средой;
7 - нагнетатель, обеспечивающий прокачку активной среды в основном контуре;
8 - высокоотражающее зеркало плоскопараллельного резонатора;
9 - выходное зеркало плоскопараллельного резонатора;
10 - дополнительный замкнутый контур обдува торцевых окон;
11 - нагнетатель, обеспечивающий прокачку газа в контуре обдува;
12 - модуль для загрузки щелочного металла.
На фиг.2 показана оптическая схема лазера на парах щелочных металлов, где:
13 - поворотное зеркало, выводящее лазерное излучение;
На фиг.3 показана принципиальная схема оптической системы формирования излучения накачки, где:
14 - излучающая зона источника накачки по «медленной» оси;
15 - изображение излучающей зоны источника накачки по «медленной» оси в центре лазерной камеры;
16 - излучающая зона источника накачки по «быстрой» оси;
17 - Фурье-изображение излучающей зоны источника накачки по «быстрой» оси в центре лазерной камеры;
L - расстояние от излучающей зоны источника накачки до середины лазерной камеры;
F - фокусное расстояние первой сферической линзы;
а - расстояние от излучающей зоны источника до сферической линзы;
b - расстояние между сферической и цилиндрической линзой;
с - расстояние от цилиндрической линзы до середины лазерной камеры.
Лазер на парах щелочных металлов включает лазерную камеру 1 с внутренней полостью с прозрачными торцевыми окнами 2, источник 3 излучения накачки на основе лазерных диодов, оптические средства формирования и фокусировки излучения накачки во внутреннюю полость камеры, состоящие из двух линз - сферической 4 и цилиндрической 5, при этом поток активной среды организован в замкнутом герметичном контуре 6 через полость лазерной камеры 1 в направлении, поперечном к оптической оси камеры, при помощи нагнетателя 7, плоскопараллельный резонатор, состоящий из двух зеркал: высокоотражающего зеркала 8, выходного зеркала 9 и выводящего излучение генерации зеркала 13. Дополнительно в состав лазера входят еще один герметичный замкнутый контур 10 обдува торцевых окон буферным газом и модуль 12 загрузки щелочного металла. В контуре 10 обдува торцевых окон при помощи нагнетателя 11 организован поток буферного газа. Направление лазерного излучения и оптическая ось камеры совпадают.
Источники диодной накачки на основе линеек лазерных диодов таковы, что их излучающая зона имеет размеры 120×6 мм по «быстрой» оси и «медленной» оси соответственно. При этом расходимость излучения накачки составляет 0.003×0.1 рад (соответственно по «быстрой» и «медленной» осям). В связи с такой асимметрией в размере и расходимости накачки становиться крайне сложно с помощью достаточно простой оптической системы сформировать каустику накачки в центре лазерной камеры. Поэтому была предложена, разработана и создана следующая оптическая система формирования каустики накачки, которая хорошо удовлетворяет поставленным выше условиям.
Оптическая система состоит из (фиг.2) сферической линзы 4, которая строит Фурье-изображение 17 излучающей зоны источника накачки в центре лазерной камеры по «быстрой» оси и цилиндрической линзы 5, которая вместе со сферической строит в центре камеры просто изображение 15 излучающей зоны источника накачки с некоторым коэффициентом перестроения по «медленной» оси.
В соответствии с фиг.3 имеем: L - расстояние от излучающей зоны источника накачки до середины лазерной камеры, F - фокусное расстояние первой сферической линзы, f - фокусное расстояние второй цилиндрической линзы, а - расстояние от излучающей зоны источника до сферической линзы, b - расстояние между сферической и цилиндрической линзой, с - расстояние от цилиндрической линзы до середины лазерной камеры. Примем также, что L>F>0, F>f>0.
Рассмотрим сначала плоскость в направлении «быстрой» оси. Т.к. в этой плоскости строится Фурье-изображение, то сферическая линза должна стоять так, чтобы ее фокус был в центре лазерной камеры. Отсюда сразу можно определить расстояние:
a=L-F.
Также выполняется соотношение b+с=F.
x
x
x
Размер Фурье-изображения 17 определяется выражением D=F·θ, где θ - расходимость излучения по «быстрой» оси. Видно, что размер Фурье-изображения не зависит от размера источника накачки, а определяется только фокусным расстоянием линзы и расходимостью излучения источника накачки. Однако, в этом случае существенную роль начинают играть аберрации на линзе, которые приводят к тому, что размер Фурье-изображения увеличивается. Это увеличение зависит от линзы, т.е. от ее фокусного расстояния, размеров, толщины, материала и качества изготовления.
В плоскости «медленной» оси в середине лазерной камеры при помощи системы двух линз строится изображение излучающей зоны источника накачки. Для выбранных значений L, F и f соответствующие расстояния между линзами будут следующие:
a=L-F
c=F-b. Величину b можно определить из квадратного уравнения (имеются два решения квадратного уравнения, мы выбирали так, чтобы удовлетворялось условие L>F>0, F>f>0):
2
b-(F+z)·b+(F·f+z·F-f·z)=0, где z=F·(L-F)/(L-2F)
y
Размер изображения 15 (фиг.3) в этой плоскости будет D=D·K, где D - размер излучающей зоны 14 источника накачки, К - коэффициент перестроения, который определяется соотношением:
K=[F·(F-b)]/[(L-2F)·(b-z)].
Эти формулы выполняются при L≠2F, когда L=2F коэффициент перестроения упрощается K=f/F и b=L-F-f.
Зная исходные размеры излучающей зоны источника накачки, фокусные расстояния линз F и f, расстояние L и требуемые размеры середины каустики, можно по приведенным формулам определить все расстояния оптической схемы.
Параметры оптической схемы в примере конкретного выполнения были следующими:
Расстояние L=1,4 м - выбиралось исходя из конструктивных особенностей системы;
Фокусные расстояния линз 4 и 5: F=0,7 м и f=0,35 м соответственно;
x
Размер Фурье-изображения оказался равным D=3,8 мм, вместо расчетных 2,1 мм;
y
Поэтому в соответствии с формулами расстояния между линзами получились следующие а=0,7 м, b=0,35 м, с=0,35 м, при этом размер изображения источника накачки оказался равным D=3,6 мм.
Излучение от источника 3 диодной накачки проходит через описанную нами оптическую систему, формируя каустику накачки с размерами, описанными выше. В примере конкретного выполнения использовались два источника диодной накачки и, соответственно, две оптических системы формирования каустики накачки. Все это располагалось так, чтобы каустики обоих источников совпали пространственно, и их центры совпали с центром лазерной камеры. Т.е. имеет место встречная схема накачки.
Лазерная кювета выполнена из нержавеющей стали и состоит из двух контуров. Первый контур 6 - основной, в котором происходит циркуляция активной среды через лазерную камеру 1. Второй контур 10 - контур обдува торцевых окон 2. В обоих контурах организован поток активной среды. Поток создается при помощи нагнетателей 7 и 11. Скорость потока может варьироваться от 0 до 30 м/с. Нагнетатель представляет собой крыльчатку, соединенную с управляемым через компьютер двигателем посредством магнитной муфты (лазерная кювета полностью герметична). По всей поверхности лазерной кюветы распределены нагреватели и датчики температуры, которые включены в систему автоматического терморегулирования. Это позволяет устанавливать на каждом требуемом участке трубы определенную требуемую температуру и поддерживать ее с точность ±1°С. В контуре 10 обдува происходит циркуляция среды, но уже без паров щелочного металла. Это достигается тем, что температура контура обдува всегда поддерживается на 10-20°С выше, чем температура в основном контуре 6. В результате пары цезия не идут в контур обдува. Направление потока в этом контуре происходит перпендикулярно основному потоку и вдоль окон. Окна 2, через которые излучение накачки попадает в полость лазерной камеры, в которой происходит генерация излучения, могут быть выполнены из стекла, кварца или сапфира. Также на них может быть нанесено просветляющее покрытие.
Длина лазерной камеры составляет 36 мм.
В процессе работы лазера через лазерную камеру 1 протекала смесь паров щелочного металла с буферными газами, концентрация паров определялась заданной температурой лазерной кюветы. В результате поглощения излучения накачки в лазерной камере 1 образовывалась инверсная населенность на верхнем лазерном уровне атома щелочного металла. Благодаря плоскопараллельному резонатору возникала лазерная генерация, которая отводилась при помощи зеркала 13. Преимущество плоскопараллельного резонатора заключается в том, что при его применении размер моды резонатора подбирается автоматически по размеру накачиваемой активной области.
За счет протока активной среды через лазерную камеру 1 происходит постоянная смена среды и отвод тепла выделяющегося в процессе генерации. Перпендикулярно протоку активной среды происходит циркуляция буферного газа по контуру обдува окон, около окон организован поток, который не дает парам щелочного металла и химическим продуктам, возникающим в лазерной камере, осесть на окна.
В результате был создан лазер киловаттного уровня имеющий КПД ~ 48%.