СОВРЕМЕННЫЙ ЭТАП МОДЕРНИЗАЦИИ ЛАЗЕРНЫХ КОМБИНАЦИОННЫХ СИСТЕМ СРЕДНЕГО ИК ДИАПАЗОНА

АННОТАЦИЯ

В работе рассмотрены особенности волноводных газовых лазеров с вариантами их конструкций. Приведены значимые особенности волоконных световодов среднего ИК диапазона. Табулированы основные виды халькогенидных стекол и их основные свойства. Кратко перечислены основные области применения волоконных световодов среднего ИК диапазона. Проведена параллель между применением комбинированных систем: «волоконный лазер – волоконный световод» ближнего ИК диапазона и «волноводный СО₂ - лазер -волоконный световод» среднего ИК диапазона. Представлен современный этап модернизации лазерных комбинированных систем среднего ИК диапазона, которые находят широкое применение в технологиях обработки разнообразных материалов, медицине и других областях науки и техники.

ABSTRACT

 The paper considers the features of waveguide gas lasers with variants of their designs. Significant features of fiber light guides of the middle IR range are given. The main types of chalcogenide glasses and their basic properties are tabulated. The main applications of fiber light guides of the mid-IR range are briefly listed. A parallel is drawn between the use of combined systems: "fiber laser – fiber light guide" of the near IR range and "waveguide CO₂ laser - fiber light guide" of the middle IR range. The modern stage of modernization of laser combined systems of the mid-IR range, which are used in technologies for processing various materials, medicine and other regions of since and technics is presented.

Ключевые слова: газовый лазер, волноводный лазер, волоконный световод, средний инфракрасный диапазон, лазерная комбинированная система, модернизация, применение, технология, обработка материалов, медицина.

Keywords: gas laser, waveguide laser, fiber light guide, mid-IR range, laser combined system, modernization, application, technology, processing materials, medicine.

Недавно разработанные волоконные лазеры, работающие в области ближнего ИК диапазона, оказались наиболее эффективными (рис. 1) и нашли применения в большом ряде областей науки и техники. Это связано, в том числе, с тем, что их области генерации излучения попадают в область работы волоконных световодов, обладающих малыми потерями, вплоть до уровня –менее 1 дБ/км.

Рисунок 1. Общая схема волоконного лазера

Наиболее освоен диапазон волн ~1,5 мкм. Комбинация волоконных лазеров и волоконных световодов привела к созданию целого ряда устройств, совершивших настоящий прорыв в технологиях обработки разнообразных материалов и медицине.

Здесь следует отметить, что в последнее время произошли изменения в терминах лазерной физики и техники. Если до 2000 годов диапазон длин волн 10 мкм относили к среднему ИК диапазону, то в последнее время в ряде зарубежных изданий к среднему ИК диапазону стали относить излучения с длиной не более 3 - 4 мкм, а излучения с длиной 9 - 10 мкм и более, попали в диапазон дальнего ИК диапазона. В отечественной литературе встречаются и те и другие термины. В данной работе будем придерживаться более устоявшейся терминологии в РФ и относить диапазон длин волн 9 - 11 мкм к диапазону среднего ИК.

 Уже давно разработаны и применяются лазеры на углекислом газе разных типов. Лазеры на СО₂ доказали свои преимущества и широко используются в обрабатывающей промышленности, медицине и других отраслях. Среди них выделяются высокоэффективные лазеры волноводного типа [1-2], у которых разрядная трубка (рис. 2) в поперечном сечении имеют размеры 1 – 2 мм [3-4], что соизмеримо с характерными размерами волоконных световодов ИК диапазона.

Рисунок 2. Поперечное сечение разрядной трубки волноводного газового лазера:

1 – внешняя оболочка (кожух); 2 – металлическая подложка; 3, 6, 7 ,8– керамическая пластина; 4 – волноводный канал; 5 – электрод; 9 – дополнительные газовые полости; 10 – канал для хладогента

Общий вид волноводного газового лазера [4 -5]приведен на рис. 3.

Рисунок 3. Общий вид волноводного газового лазера:

1 – плотное зеркало с коэффициентом отражения более 99%; 2 – выходное зеркало с коэффициентом пропускания 10 – 15%; 3 – металлическая оболочка; 4 – электрод; 5 – диэлектрик; 6 - волноводный канал

Волноводный газовый лазер работает следующим образом. К электродам 4 прикладывается напряжение от источника постоянного или переменного тока и создается продольный тлеющий разряд в газовой активной среде, заполняющей волноводный канал 6, который обеспечивает создание инверсной заселенности колебательно-вращательных уровней активной среды. Возникающие в активной среде фотоны циркулируют в волноводном канале 6 за счет отражения от лазерных зеркал 1 и 2 и от стенок 5 волноводного канала. При выполнении условия превышения полного усиления активной среды над потерями лазерного резонатора часть фотонов, участвующих в генерации, покидает резонатор и выходят через выходное зеркало 2 резонатора, образуя выходное излучение. Селекция колебательно-вращательных переходов осуществляется за счет взаимодействия потока фотонов с селектором, выполненного в виде слоя селективного материала 5, нанесенных на внутреннюю поверхность волноводного канала 6. Выполнение селектора инфракрасных переходов молекул активной среды в виде слоя селективного материала относительной толщины h, нанесенного на внутреннюю поверхность волноводного канала, позволяет получить генерацию на одной выбранной линии. Толщина слоя селективного материала выбирается так, чтобы отличаться от резонансной величины для выбранной длины волны генерации лазера. В то же время для линии генерации, ближайшей к выбранной, толщина селективного материала является резонансной, т.е. толщина равна целому числу λ/4 ( λ - длина волны излучения). При такой толщине селективного покрытия, волноводный канал в соответствии с законом распространения волн Бриллюэна в волноводном канале, обладает небольшими потерями на длине волны λ, ближайшей к выбранной длине волны генерации лазера. Это дает возможность использовать лазерные зеркала с большим коэффициентом отражения, что повышает добротность резонатора и обеспечивает увеличение мощности выходного излучения. Известные газовые лазеры имеет относительно низкий уровень выходной мощности, вследствие малого коэффициента отражения селективного зеркала, например для зеркала с покрытием Si0 максимум коэффициента отражения составляет 83%. Кроме того, недостаточна селективность резонатора, например, в лазерах, в которых используются зеркала с покрытием SiC и ZnO, наименьшее число одновременно генерирующих линий составляет 2 и 5 соответственно. Кроме того, используемые в настоящее время селективные зеркала имеют менее высокую оптическую прочность и меньшую долговечность вследствие высокой плотности мощности на лазерных зеркалах, что уменьшает надежность волноводного газового лазера в целом. Для изготовления лазера, показанного на чертежах, в керамических пластинах, образующих волноводную разрядную трубку, фрезеруют продольные пазы и на поверхность каждой пластины со стороны паза наносят слой селективного материала 5. Нанесение селективного материала на поверхность паза можно осуществить одним из известных способов, например вакуумным или катодным напылением, пиролизом или нанести из расплава и т.д. Волноводная трубка может быть изготовлена из различных конструкционных материалов, таких как молибденовое стекло, кварц, керамика ВеО, керамика BN, А1₂03, а также на основе структуры «металл – диэлектрик», в которой в качестве подложки могут использоваться медь, алюминий, бронза, нержавеющая сталь, алюминий и другие металлы и сплавы, а в качестве диэлектрика -слой селективного материала. При заполнении волноводной трубки из структуры «металл – диэлектрик» к селективному материалу добавляются требования высокой диэлектрической прочности. Основной целью приведенных изобретений [4-5] явилось повышение мощности на одной линии генерации путем увеличения добротности резонатора.

Обратимся теперь к волоконным световодам среднего ИК диапазона. В настоящее время, разработаны волоконные световоды среднего ИК диапазона высокого качества [6-8]. При анализе работы волоконных световодов большинство авторов, в основном, рассматривают прохождение лучей, отраженных от внутренней структуры световода и пересекающие его центральную ось. Проведенное сопоставление данных показало, что базовые принципы работы световодов ближнего и среднего ИК поддиапазонов практически подобны и хорошо известны [7–9], так же как и их описывающие, базовые уравнения. Решением этой системы уравнений, как известно, являются семейство функций Бесселя. Примеры распределения векторов электромагнитного поля в поперечном сечении световодов показаны на рис. 4.

Рисунок 4. Распределение векторов электромагнитного поля в поперечном сечении сердцевины ступенчатого волоконного световода для мод низких порядков:

а – мода самого низкого порядка; б – первый ряд мод более высоких порядков

К настоящему времени разработаны и используются волоконные световоды разных типов: «галстук – бабочка»; «панда»; с эллиптической сердцевиной; с градиентом показателя преломления; с двойной сердцевиной и т.п.. Для среднего ИК диапазона применяют халькогенидные стекла, некоторые их свойства приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Виды халькогенидных стекол и их основные свойства

Так же хорошо изучены спектральные зависимости коэффициента поглощения для большинства халькогенидных стекол. При этом, обнаружена сильная зависимость области пропускания световодов от состава халькогенидных стекол. Следует заметить, что аналогичная особенность наблюдается и для ряда других материалов в среднем ИК диапазоне. Так, например, при переходе от структуры материала центральной части световода AgCl_0,25Br_0,75 к структуре AgBr_0,95Tl_0,05I_0,05 длинноволновая область пропускания световода, в среднем составляющей величину–70 %, расширяется от 2–20 мкм до 3–25 мкм.

Наряду с этими особенностями волоконных световодов ИК диапазона, важно учитывать общие потери. Вклад в величину оптических потерь в волоконных световодах вносят разнообразные факторы [9-10]. Все потери, часто разделяют на 2 части: собственные и несобственные. В собственных, в свою очередь, выделяют потери на поглощение, обусловленные электронными переходами и решеточными колебаниями и потери на рассеяние, включающие релеевское, комбинационное и др. Несобственные потери включают потери на поглощение, связанные с электронными переходами и решеточными колебаниями и рассеяние на структурных несовершенствах. К последним относятся, как наиболее значимые: несовершенство границы сердцевина – оболочка; микропоры; включения и др.; микроизгибы.

Для изготовления световодов на основе перечисленных материалов разработаны специальные технологические установки вытяжки световодов и технологии процессов, позволяющие создавать волоконные световоды среднего ИК диапазона с наименьшими потерями. При их реализации, в ряде случаев, используются фазовые диаграммы, которые позволяют более оперативно подбирать составы структур световодов с соответствующими параметрами для конкретного применения, в первую очередь с общими минимальными потерями.

 Вариант лазерной комбинированной системы, работающей в среднем ИК диапазоне, приведен на рис. 5.

Рисунок 5. Вариант лазерной комбинированной системы для среднего ИК диапазона:

1 – блок электропитания; 2 – волноводный СО₂ –лазер; 3 – узел сопряжения с волокном; 4 – отрезок волоконного световода ИК диапазона; 5 – выходной торец световода и выход лазерного излучения

Среди огромного перечня разнообразных применений волоконных световодов среднего ИК диапазона можно выделить области, в которых их использование наиболее эффективно и часто не имеет альтернатив: медицину, особенно в области лазерной хирургии, технологии обработки материалов с использованием мощных волноводных технологических СО₂-лазеров, сцинтилляционные источники и датчики, широко используемые в метрологии и производственных процессах.

Таким образом, в работе рассмотрены особенности волноводных газовых лазеров с вариантами их конструкций. Подтверждена их высокая эффективность. Приведены значимые особенности волоконных световодов среднего ИК диапазона. Табулированы основные виды халькогенидных стекол и их основные свойства. Построенные фазовые диаграммы, позволяют более оперативно подбирать составы структур световодов с соответствующими параметрами для выбранного конкретного применения. Кратко перечислены основные области применения волоконных световодов среднего ИК диапазона. Проведена параллель между применением комбинированных систем: «волоконный лазер – волоконный световод» ближнего ИК диапазона и «волноводный СО₂ - лазер -волоконный световод» среднего ИК диапазона. Показано, то реализован прорыв в технологиях обработки разнообразных материалов и медицине с использованием лазерных систем среднего ИК диапазона.

Список литературы:

1. Соболев Н. Н., Соковиков В. В. Оптические квантовые генераторы на СО₂.-Успехи физических наук. - 1967. - Т. 91. Вып. 3.
2. Очкин В. Н. Волноводные газовые лазеры. - М. - 1988. – 64 с.3. Виттеман В. СО₂-лазер. - М., 1990. – 360 с.4.
3. Жаботинский М.Е., Григорьянц В.В., Кузяков Б.А. Волноводный газовый лазер, Патент на изобретениеSU 1032977, H 01S, 1986, 4 c.5.
4. Герасимов Г.А., Кузяков Б.А. Волноводный газовый лазер. Патент на изобретениеSU 1032977, H 01 S? 1986, 4 c.6.
5. Корсаков А.С. Кристаллы для ИК – волоконной оптики. Физико-химические основы получения твердых растворов галогенидов серебра и таллия для ИК – волоконной оптики. - А.С. Корсаков, Л.В. Жукова. – LAP Lambert academic publishing. – 2011. – 146 p. 7.
6. Жукова Л.В., Корсаков А.С., Львов А.Е., Селимгареев Д.Д. Учебник. Волоконные световоды для среднего инфракрасного диапазона. Екатеринбург. - 2016. – 247 с.8.
7. Кузяков Б.А. Особенности волоконный световодов ИК диапазона. Доклад на VI Международной школе молодых ученых «Нелинейная фотоника». - Новосибирск. - Программа конференции. – август. - 2022. - с. 6.
8. Photonic crystalline IR fibers for the spectral range of 2- 40 µm / L. Zhukova [et. al.]. - Appl. Opt. – 20-12. – Vol. 51. Issue 13. – р. 2414 - 2418.
9. Кузяков Б.А. Базовые параметры волоконных световодов ИК диапазона. - Сборник научных статей по материалам IX Международной научн. – прак-тич. Конференции «Теоретические и практические аспекты развития современной науки: Теория, методология, практика».–Уфа.– 2022.-с. 105 – 111.