СЕЛЕКТИВНЫЙ РЕЗОНАТОР CO-ЛАЗЕРА Российский патент 2022 года по МПК H01S3/104 

Настоящее изобретение относится к лазерной технике и может быть преимущественно использовано для создания компактных лазерных источников дальнего инфракрасного диапазона на основе СО₂-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.

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 СО₂-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.

На Фиг. 1 схематично показано положение возможных линий генерации в СО₂-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 00⁰1→02⁰0 и 00⁰1→10⁰0 соответствуют центральные длины волн 9,4 мкм и 10,4 мкм. разделяющие R- и Р- ветви. Как следует из данных справочной литературы, в СС₂-лазере отношение коэффициентов усиления К_у на переходах Р-ветви в основных полосах 10,4 мкм и 9,4 мкм соотносятся как К_{у 10,4} / К_{у 9,4} ≈ 1,6. При этом отношение коэффициентов усиления для переходов Р- и R- ветвей в полосах по оценкам К_уР / K_vR ≥ 3. Таким образом, генерация в СО₂-лазерах в неселективном режиме, независимо от способа накачки, преимущественно происходит на переходах Р-ветви полосы 00⁰1→10⁰0 в узкой спектральной области около 10,6 мкм. Отличительной особенностью СО₂-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.

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_п за проход в резонаторе для нежелательных линий будет равен или превышать их коэффициент усиления α_п ≥ К_у, а для селектируемых линий К_у > α_п. 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 CO₂-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.

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 СО₂-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 СО₂-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 - SF₆.

Для решения поставленной задачи ограничения спектрального диапазона выходного излучения в CO₂-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.

Совокупность признаков, наиболее близкая к совокупности существенных признаков изобретения, присуща селективному резонатору СО₂-лазера с поглощающей ячейкой, описанному в [Н.В. Карлов, НА. Карпов, И.О. Ковалев, и др.. Перестройка мощного импульсного СО₂-лазера в 9-микронную область. «Квантовая электроника» т 2, №9, 2079-2081 (1975)] и предназначенному для получения генерации на переходах полосы 00⁰1→02⁰0 на длинах волн 9,3 и 9,6 мкм. Селективный резонатор СО₂-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 BCl₃, спектр поглощения которого перекрывался с полосой удаления СО₂ на переходах 00⁰1→10⁰0 в области длин волн ~ 10…11 мкм. Преимущественное селективное поглощение излучения в ячейке на выбранных частотах приводит к блокировке излучения на переходах основной полосы 00⁰1→10⁰0, так как выполняются условия α_п ≥ К_у. За счет этого происходит перестройка линий генерации на переходы полосы 00⁰1→02⁰0, где обеспечены минимальные потери. Аналогичный эффект перестройки наблюдался при использовании поглощающего газа SF₆.

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:

3 - лазерная кювета с газовой рабочей смесью на основе CO₂;

4 - выходное излучение на селектируемых длинах волн - 9,3 и 9,6 мкм;

5 - ячейка с газом BCl₃ (SF₆), 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.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание компактного селективного резонатора СО₂-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.

Технический результат изобретения обеспечивается тем, что в селективном резонаторе СО₂-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 - SF₆, 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 SF₆ в рабочей смеси, и соотношение компонентов рабочей смеси определяется достижением максимально возможных параметров генерации в спектральном диапазоне 9…10 мкм.

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 СО₂-лазера с оптической накачкой проявляет себя как абсолютно инертный газ. Поэтому присутствие SF₆ 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 СО₂-лазерах, при наличии SF₆ в составе рабочей среды при взаимодействием с электронами может приводить к его диссоциации, а также к снижению эффективности накачки СО₂ из-за захвата электронов электроотрицательным газом, каким является SF₆. [П.В. Кузин, И.А. Якобсон. Наладка элегазового оборудования. М., Энергоатомиздат, 1990]. Поэтому предлагаемый селективный резонатор для применения в СО₂-лазерах с электрической накачкой не рассматривается.

Относительно спектральных характеристик известно, что молекула SF₆ обладает шестью нормальными типами колебаний, из которых два - v3 (948,9 см^-1), v4 (615,2 см^-1), активны в инфракрасном спектре. На Фиг. 3 представлен экспериментально измеренный спектр пропускания SF₆ на v3 в процентах, соответствующий спектральной области ~10,5…10,7 мкм генерации СО₂-лазера на переходах Р-ветви (Р(8)- Р(30)), взятый из статьи [Edward Е. Uthe «Airborne СО₂ DIAL measurement of atmospheric tracer gas concentration distributions». APPLIED OPTICS / Vol. 25, No. 15/1 August 1986]. Измерение пропускания SF₆ в данной работе проводилось при концентраций поглощающего газа С=0,6 г/м³, соответствующего парциальному давлению SF₆ - P_SF6 ≈ 0,07 торр, в газовой ячейке длиной 10 см. На правой оси ординат графика Фиг. 3 представлен коэффициент ослабления излучения α [м^-1], нормированный на концентрацию α/С [м²/г].

Из анализа представленных на Фиг. 3 данных следует, что в минимуме спектра пропускания SF₆ коэффициент ослабления равен α/С ≈ 10 м²/г и практически совпадает по длине волны с переходом Р(16). Переведем для удобства полученное значение ослабления в другую размерность - обратные сантиметры [см^-1]. Для этого α_п=(α/C) умножим на концентрацию SF₆ в газовой ячейке С=0,6 г/м³. Получаем: α_п=6⋅м^-1, или 6⋅10^-2 см^-1. При этом на крыльях спектра пропускания коэффициент ослабления уменьшается практически в ~ 20 раз и составляет α_п ≈ 3⋅10^-3 см^-1. Как уже упоминалось выше, в неселективном режиме, независимо от способа накачки, в CO₂-лазере генерация преимущественно происходит па переходах Р-ветви полосы 00⁰1→10⁰0 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 SF₆. изменяющийся от α_п ≈ 5⋅10^-2 см^-1 до α_п ≈ 2⋅10^-2 см^-1.

Для оценки минимального количества SF₆, в рабочей смеси СО₂-лазера с оптической накачкой для выполнения условия α_п ≥ К_у в спектральной области ~ 10,6 мкм используем значение коэффициента усиления, измеренного в компактном лазерном источнике с усилительной средой на основе СО₂ 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 СО₂ лазере с оптической накачкой на длине волны λ_г ≈ 10,6 мкм получен рекордный показатель усиления равный 30% на сантиметр активной среды. Полученное значение соответствует отношению интенсивностей до и после усиления I/I₀=1,3. Учитывая экспоненциальный закон усиления, можно записать:

где: I/I₀=1,3, L=1 см, тогда К_у=ln(I/I₀)/L=0,26 см^-1.

Так как минимальная величина коэффициента поглощения в SF₆ для возможных линий генерации в спектральной области 10,6 мкм, полученная при P_SF6=0,07торр, составляет α_п ≈ 1,8⋅10^-2 см^-1, то для выполнения условия блокировки излучения в этой спектральной области необходимо выполнение условия α_п ≥ К_у. Для этого минимальное парциальное давление SF₆ в смеси должно быть увеличено в К_у/α_п раз до величины ^minP_SF6 =0,07⋅0,26/0,018 ≈1торр. Полученное значение поглощающего газа ^minP_SF6 является минимально необходимой величиной в данной усилительной среде на основе СО₂ для блокировки излучения в области 10…11 мкм и создание условий для генерации в спектральной области 9…10 мкм.

Гексафторид серы, кроме уникальных спектральных характеристик (имеет аномально высокий интегральный коэффициент поглощения в области генерации CO₂-лазера), обладает высокой удельной объемной теплоемкостью (почти в три раза большей чем у СО₂ и в пять у гелия), а так же системой близких по энергии колебательно-вращательных уровней, совпадающих с нижними лазерными уровнями СО₂. 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 SF₆ на параметры генерации парциальное давление должно быть, как минимум больше на порядок, чем это нужно для селекции. При этом необходимо, чтобы увеличение давления SF₆ 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 SF₆ в смеси с воздухом при общем давлении 740торр. Эксперименты проводились на инфракрасном фурье-спектрофотометре со спектральным разрешением ~ 4 см^-1. Исследуемая смесь напускалась в газовую кювету длиной 114 мм (сравнимой с длиной активной среды СО₂-лазера с оптической накачкой). На Фиг. 4 представлены спектры поглощения для трех значений парциального давления SF₆: 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.

На Фиг. 5 представлена схема заявляемого компактного селективного резонатора СО₂-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:

3 - лазерная кювета с газовой рабочей смесью на основе CO₂, включающая газообразный SF₆, поглощающий излучение в диапазоне длин волн ~10…11 мкм;

4 - выходное излучение на селектируемых длинах волн в области ~9…10 мкм.

Селективный резонатор работает следующим образом. В лазерную кювету 3 напускаются основные компоненты рабочей смеси: СО₂, Не. SF₆. Содержание основного рабочего компонента СО₂ 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: СО₂ : Не = 1:(1…10). Количество SF₆, 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 00⁰0→00⁰1 заселяется метастабильный верхний лазерный уровень 00⁰1 СО₂. За счет обратной связи, обеспечиваемой зеркалами резонатора 1, 2, при выполнении условия К_у > α_п происходит усиление излучения в активной среде лазера. В соответствии с Фиг. 1, при блокировке усиления на переходах 00⁰1→10⁰0 в области ~ 10.6 мкм, генерация излучения в рассматриваемом селективном резонаторе будет происходить на переходах Р-ветви основной полосы 00⁰1→02⁰0, где максимальный коэффициент усиления всего лишь в ~1,6 раза меньше, чем на переходах Р-ветви основной полосы 00⁰1→10⁰0. 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.

Таким образом, применение селективного резонатора в CO₂-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.

Изобретение относится к лазерной технике и может быть преимущественно использовано для создания компактных селективных резонаторов непрерывных и импульсно-периодических CO₂-лазеров с оптической накачкой, излучающих в спектральной области 9…10 мкм и предназначенных для работы в различных оптических системах. Изобретение включает селективный резонатор с поглощающей излучение средой, которая включена непосредственно в состав рабочей газовой смеси СО₂-лазера. В качестве поглощающей среды в рабочую смесь лазера дополнительно к основному составу компонентов вводится газообразный гексафторид серы - SF₆ в количестве, необходимом для выполнения условия превышения коэффициента поглощения излучения в активной среде лазера над коэффициентом усиления в спектральном диапазоне 10…11 мкм и обеспечивающем максимально возможный энергетический выход генерации в спектральном диапазоне 9…10 мкм за счет оптимизации соотношения компонентов рабочей смеси. Техническим результатом является уменьшение размеров резонатора при повышении эффективности генерации в селектируемой спектральной области. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Селективный резонатор СО₂-лазера, состоящий 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, отличающийся тем, что в роли поглощающей ячейки выступает рабочая газовая смесь лазера, содержащая в своем составе газообразный гексафторид серы - SF₆ 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 отсутствия дополнительных потерь в спектральном диапазоне 9…10 мкм.

2. Селективный резонатор СO₂-лазера по п. 1, отличающийся тем, что предельное содержание SF₆ в рабочей смеси и соотношение компонентов рабочей смеси определяется достижением максимально возможных параметров генерации в спектральном диапазоне 9…10 мкм.