Применение СВЧ-разряда для накачки планарных СО2- и СО-лазеров

УДК 535:621.373.8

А. П. Минеев, С. М. Нефедов, П. П. Пашинин,

П. А. Гончаров, В. В. Киселев, А. П. Дроздов

ПРИМЕНЕНИЕ СВЧ-РАЗРЯДА ДЛЯ НАКАЧКИ ПЛАНАРНЫХ

СО2- И СО-ЛАЗЕРОВ

Ключевые слова: планарный С02-лазер, СО-лазер, СВЧнакачка.

Экспериментально исследованы параметры излучения планарного СО2-лазера с импульсно-периодической накачкой на частоте 2,45 ГГц и продольной длиной разрядного промежутка 250 и 470 мм. Достигнута средняя мощность генерации 60 Вт на длине волны излучения 10,6 мкм и пиковая мощность около 1300 Вт. В ходе экспериментов впервые получена генерация СО-лазера планарной конструкции с СВЧ накачкой. Достигнута средняя выходная мощность лазерного излучения 1 Вт на длинах волн 5-6 мкм.

Keywords: planar diffusion-cooled, CO-laser, microwave pumping

The parameters of a periodic-pulse planar C02-laser pumped by microwave discharge at a frequency of 2.45 GHz have been studied experimentally. The laser comes in two versions with longitudinal discharge lengths of 250 mm and 470 mm. An average output power of 60 W could be achieved at a wavelength of 10.6 ¡m. The peak output power in the periodic-pulse mode of operation is about 1300 W. As a result of our experiments we were the first to produce a generation of a planar CO-laser with microwave pumping. The average output power of laser radiation produced in the course of the experiment was 1 W at a wavelength of 5-6 ¡m.

В последние годы наметился повышенный интерес к применению сверхвысокочастотного (СВЧ) разряда для накачки СО2-лазеров [1-5] и связано это, в первую очередь, с доступностью промышленных магнетронов на частоте 2,45 ГГц, широко используемых в СВЧ-печах. Применение СВЧ-разряда для накачки лазеров имеет ряд достоинств и преимуществ перед разрядами постоянного и ВЧ-тока, а именно: высокий КПД (более 70%), компактность и киловаттный уровень мощности магнетронов - СВЧ-источников; низкая их стоимость и возможность работы в импульсном режиме; отсутствие активного балластного сопротивления и приэлектродного падения потенциала способствует эффективному энерговкладу в плазму СВЧ-разряда; возможность организации безэлектродного разряда облегчает проблемы, связанные с распылением материала электродов, плазмохимии и долговечности рабочей лазерной смеси газов; отсутствие высокого напряжения на разряде обуславливает безопасность и надежность конструкции от повреждений; повышенная механическая прочность оболочки полностью металлической СВЧ-разрядной структуры.

В данной работе исследованы выходные характеристики лазерного излучения и газоразрядные параметры активной среды - низкотемпературной плазмы СВЧ-разряда на частоте 2,45 ГГц для двух моделей планарных СО2-лазеров, возбуждаемых широкоапертурным разрядом размером 2х25х250 мм (излучатель А) и 2х25х470 мм (излучатель Б), с объемом активной среды равным 12,5 см3 и 23,5 см3 соответственно. Использовалась импульсно-периодическая накачка от магнетрона промышленной СВЧ печи. Плотность импульсной вкладываемой мощности накачки достигала 400 Вт/см3.

На рис. 2 представлен график изменения средней выходной мощности лазера для нескольких частот следования импульсов накачки, в зависимости от средней мощности накачки. При этом средняя мощность накачки варьировалась изменением длительности импульсов в диапазоне 20 - 50 мкс. Импульсная мощность накачки 4 кВт.

Из этих графиков видно, что при одинаковом уровне вкладываемой СВЧ-мощности, мы получаем различную выходную мощность лазерного излучения. Отсюда следует вывод, что

предпочтителен режим работы с импульсами накачки меньшей длительности, при большей частоте их следования.

Рис. 1 - Блок-схема планарного С02 лазера: (1) СВЧ-резонатор; (2) короткозамыкающие плунжеры; (3) магнетрон; (4) Е-Н трансформатор; (5) блок питания; (6) лазерная головка; (7) пироприемник; (8) осциллограф; (9) измеритель мощности; (10) фотоэлектронный умножитель; (11) волоконный световод; (12) детектор; (13) газоразрядный канал

Вкладываемая в разряд мощность. Вт

Рис. 2 - Зависимость выходной мощности лазера от величины мощности накачки (излучатель А). Состав газа: С02:М2:Не:Хе = 3:3:12:2. Давление 30 Тор, частота следования импульсов накачки: 1- 400 Гц; 2- 1000 Гц; 3- 2000 Гц; 4- 3300 Гц

На рисунке 3 представлена зависимость импульсной выходной мощности СО2-лазера от импульсной мощности СВЧ-накачки.

Для лазерного излучателя Б, при слабой прокачке рабочей смеси газов и импульсной мощности накачки 8 кВт, величина импульсной выходной мощности достигала 1300 Вт (при длительности импульса 20 мкс и частоте повторения 400 Гц). Из графика видно, что для данного состава смеси газа, давления, объёма активной среды еще нет насыщения, и таким образом существует возможность увеличения пиковой мощности.

Проведены эксперименты по исследованию характеристик СО2-лазера в зависимости от величины вкладываемой мощности, состава рабочей смеси, давления, частоты повторения

и длительности импульсов накачки. Форма выходного импульса лазерного излучения, и ее эволюция зарегистрирована и изучена при различных параметрах и условиях эксперимента. Характерное время задержки начала импульса лазерной генерации от начала импульса накачки составляет 4 - 10 мкс. При уменьшении давления газа максимум выходной мощности лазерного излучения сдвигается в сторону большего значения частоты импульсов накачки.

1400

Я 1200

о К

а

о

к

и о

><:

1000

800

600

400

200

2 3 4 5 6 7 8

Импульсная мощность накачки, кВт

Рис. 3 - Зависимость выходной импульсной мощности лазера от величины импульсной мощности СВЧ-накачки (излучатель Б). Состав газа: С02:М2:Не:Хе = 3:3:13:1, давление - 50 Тор, слабая прокачка рабочей смеси газа - около 0,1 л/сек

Достигнута средняя мощность излучения 25 Вт и 43 Вт, соответственно, для излучателей А и Б, при оптимальном давлении 30 Тор. Таким образом, можно говорить о масштабируемости такого типа лазеров. При слабой прокачке газа (около 0,1 л/сек) получена выходная мощность лазерного излучения для излучателя Б - 60 Вт при оптимальном давлении 50 Тор (рис. 4). При давлении газа 30 Тор мощность лазера Б равнялась 51 Вт.

Рис. 4 - Изменение выходной мощности лазера в зависимости от частоты следования импульсов СВЧ-накачки (для излучателя Б): 1 - импульсная мощность накачки 7,5 кВт, давление - 30 Тор, без прокачки газа; 2 - импульсная мощность накачки 7,5 кВт, давление - 50 Тор, слабая прокачка рабочей смеси газа - около 0,1 л/сек. Длительность импульса накачки - 20 мкс, смесь рабочего газа С02:М2:Не:Хе = 3:3:13:1, пропускание выходного зеркала - 10%

В работе исследованы также лазерные излучатели c СВЧ-накачкой, конструкция которых отличаются отсутствием боковых (узких) стенок в разрядном канале, наличием балластного объёма, а также увеличением ширины разрядного промежутка до 30 мм. Получена также генерация на двух каналах в лазерном излучателе с выходной мощностью по 10 Вт в каждом канале, при использовании единого оптического резонатора.

В данной работе впервые получена генерация в области длин волн 5-6 мкм в планарном СО-лазере с СВЧ-накачкой. Использовалась смесь газов CO:N2:He:Xe:O2 = 2:2:15:1:0,2 при давлении 30 Тор. Разрядный промежуток - 250х25х2 мм. Температура электродов составляла -50 С (данный лазерный излучатель не предусматривает работы с охлаждением до более низких температур). Импульсная мощность накачки составляла 1400 Вт, частота импульсов накачки - 1000 Гц, длительность импульсов накачки 100 мкс. В эксперименте достигнута средняя выходная мощность излучения СО-лазера ~1 Вт на длинах волн 5-6 мкм.

Литература

1. Nishimae, J. Development of CO2 laser excited by 2.45-GHz microwave discharge / J. Nishimae, K. Yoshizawa. // Proc. of SPIE - 1990. - V. 1225. - P. 340.

2. Shahadi, A. Longitudinal coupled-cavity scheme for microwave-excited CO2 slab lasers / A. Shahadi, Y. Sintov, E. Jerby. // Microwave and Optical Technology Letters - 2003. - V. 36 - № 2. - P. 115-120.

3. Mineev, A.P. RF-excited planar CO2-laser / Proc. of SPIE - 2003. - V. 5137. - P.288.

4. Минеев, А.П. Планарный СО2-лазер с СВЧ накачкой / А.П. Минеев, С.М. Нефедов, П.П. Пашинин. // Квантовая электроника. - 2007. - Т. 37.- №10. - С. 950-955.

5. Минеев, А.П. Планарный СО2-лазер с импульсно-периодической СВЧ накачкой / А.П. Минеев, С.М. Нефедов, П.П. Пашинин. // Квантовая электроника. - 2011. - Т. 41.- №2. - С. 115-119.

© А. П. Минеев - канд. физ.-мат. наук, зав. лаб., зам. дир. института общей физики им. А.М. Прохорова РАН; С. М. Нефедов - ст. науч. сотр. института общей физики им. А.М. Прохорова РАН; П. П. Пашинин - д-р физ.-мат наук, проф., чл.-корр. РАН, гл. науч. сотр. института общей физики им. А.М. Прохорова РАН; П. А. Гончаров - канд. техн. наук, ст. науч. сотр. института общей физики им. А.М. Прохорова РАН; В. В. Киселев - канд. физ.-мат. наук, ст. науч. сотр. института общей физики им. А.М. Прохорова РАН, kiselev@kapella.gpi.ru; А. П. Дроздов - вед. инж. института общей физики им. А.М. Прохорова РАН.