Многолучевые системы на базе диффузионного лазера

1. Из конструктивных соображений диффузионные лазеры с большой длиной активной среды целесообразно изготавливать в виде ряда более коротких трубок (рис. 28,а). Излучение проходит через эти трубки последовательно с помощью системы поворотных зеркал, объединяющих их в общий резонатор. Разрыв трубок и связанные с этим потери излучения приводят к дополнительному ограничению общей длины активной среды. Хотя в литературе и описаны лазеры с длиной активной среды ~200 м и мощностью до 8 кВт, в промышленных технологических лазерах она, как правило, не превышает 20-40 м. Поэтому мощность однолучевых СО2-лазеров с диффузионным охлаждением составляет обычно 0.1-1 кВт (табл.2)

Технологические возможности лазера прежде всего определяются предельной плотностью энергии в фокальном пятне. Для типичных параметров СО2-лазеров с диффузионным охлаждением W==1кВт, определяющий аберрацию линзы характерный размер b = 4 см, получим предельную величину I ~ 10 — 10 Вт/с . Реальная расходимость [(1 — 5) 10 ] этих лазеров, как правило, в 5-10 раз больше дифракционной [(0,5-1).10 ] и поэтому обычно I ~ 10 — 10 Вт/см . Причиной столь высокой

а

б

в

Рис. 28

Таблица 2. Типы диффузионных ГЛ на СО

Название лазера (его общая характеристика)	W,кВт	Длина одной трубки L, м	Число трубок N ,шт	Число зеркал N ,шт	W/N L
"Кардамон". Однолучевой лазер с возбуждением среды самостоятельным продольным ГР постоянного тока.	0,8
2. "Юпитер-0,3". Кольцевой лазер с щелевидным зазором разрядной камеры, возбуждаемый несамостоятельным ГР с периодической ионизацией.	0,3	~1.0	-
"Иглан-3".Многолучевой лазер с накачкой самостоятельным ГР постоянного тока.	3,0	3.6
4. МКТЛ-2. Многолучевой лазер с возбуждением ГР переменным током	2,0	1.5

расходимости является большое число оптических элементов и большоие размеры диффузионных лазеров, а также генерация высоких поперечных мод излучения. Реальные значения коэффициента B , характеризующего нагревательную способность лазерного пучка составляет для лазеров данного класса составляет примерно 0,4-0,3 (кВт/мрад см),что достаточно для

проведения некоторых термических технологических процессов, не требующих достижения очень высоких температур.

Для лазерного оборудования промышленного назначения весьма важным параметром являются габариты установки. Поэтому типичные значения характеризующей габариты лазера длины разрядных трубок для некоторых технологических СО - лазеров с диффузионным охлаждением приведены в табл.

2. Ограничение предельной мощности однолучевых трубчатых СО - лазеров с диффузионным охлаждением обусловлено прежде всего тем, что предельная мощность накачки и объем рабочего тела при фиксированной длине зависят от радиуса трубки противоположным образом: V ~ R , a ~ R . Рост объема V при этом полностью компенсируется уменьшением . Рост удельной мощности возможен лишь в том случае, если увеличение объема не будет сопровождаться падением скорости теплоотвода.

Такая ситуация возможна в газоразрядном зазоре щелевой геометрии (рис. 28,б). В этом случае рабочий объем активной среды пропорционален Lh, где h — ширина цели; L — ее длина в направлении, перпендикулярном оптической оси, а скорость теплоотвода ~ h .

Поэтому мощность лазера ~ L/h и таким образом открывается возможность увеличения W/L с ростом L.

Мощность излучения лазера с целевым зазором h длиной L можно оценить из энергетических соображений. Она составит

. 1, 96hLη . (1.22)

В случае кольцевого зазора диаметром ~10 см (L -30 см) и типичных значениях

h ~ 1см удельный съем излучения с единицы длины такого лазера при

η (0,1 — 0,2) составляет (3 - 6)·10 Bm/м. Кольцевая геометрия газоразрядной камеры позволяет существенно увеличить удельный съем мощности при реальных поперечных размерах лазера, уменьшить габариты и число используемых оптических элементов.

3. Дальнейшее увеличение мощности и снижение габаритов СО - лазера с диффузионным охлаждением возможно при использовании так называемых многолучевых и многоканальных лазерных систем, состоящих из большого числа газоразрядных элементов с малым поперечным размером, помещенных в общий для всех этих элементов оптический резонатор. Малый поперечный размер каждого элемента обеспечивает при этом эффективный теплоотвод, а неограниченные физическими причинами возможности увеличения всей сборки газоразрядных элементов открывают путь существенного увеличения полной мощности лазера. Простейшим вариантом многолучевого лазера является изображенная на рис. 2S,в система из набора параллельных оптической оси охлаждаемых газоразрядных трубок, помещенных между двумя плоскими зеркалами резонатора. Предельная мощность такого лазера составит

W WL ПL, (1,23)

где D и d — диаметры соответственно всей сборки и каждой трубки отдельно; П— коэффициент заполнения, зависящий от конструкционного решения и способа возбуждения среды. Подставляя в (1.23) значения d ~ 1см, D ~ 10см и

П ~ 0,5, нетрудно оценить, что предельная с энергетической точки зрения удельная мощность такого лазера составит 2 — 3 кВт/м, что существенно выше значений, приведенных в предыдущем случае. Таким

образом, многолучевые лазеры открывают реальные пути существенного увеличения мощности при сохранении малых габаритов и поэтому являются перспективными системами для технологии.

Для возбуждения активной среды в многоканальных лазерах в настоящее время успешно используют самостоятельные разряды постоянного и переменного тока. Параметры наиболее интересных многоканальных устройств приведены в табл. 2. Их характеристики еще далеки от предельных, но уже существенно превышают предельные значения для диффузионных С02-лазеров, созданных по традиционной схеме (рис. 28,а).

4. Говоря о многолучевых лазерных системах, необходимо отметить некоторые особенности пространственных характеристик их излучения. Достижение одновременной генерации большого числа газоразрядных трубок в общем плоском резонаторе возможно лишь при высокой степени параллельности этих трубок. Конструирование и эксплуатация лазера существенно облегчаются при волноводном режиме работы резонатора, т.е. при выполнении условия . Если не предпринимать специальных мер, каждая газоразрядная трубка работает как независимый лазер и поэтому излучение всей сборки представляет собой набор некогерентных между собой лазерных пучков. Предельная расходимость каждого из них составляет — /d .

Ранее было показано, что при сложении некогерентных пучков происходит сложение интенсивностей этих пучков. Поэтому суммарная интенсивность фокального пятна многолучевого лазера составит , где I — интенсивность пятна каждой трубки. Максимальное значение достигается при оптимальном фокусном расстоянии линзы, которое в случае многолучевого лазера составит . Так как 1 , где — мощность генерации одной трубки, а N ~ , то то есть не зависит от d и D. Поэтому увеличение числа трубок в сборке приводит к пропорциональному росту мощности лазера, но не приводит к росту плотности мощности в фокальном пятне. Предельная величина I при этом составляет

(1.24)

где r — радиус фокального пятна. Ситуация коренным образом меняется, если если все лазерные пучки в сборке являются когерентными. В этом случае в фокальной плоскости происходит сложение амплитуд электромагнитного поля, а характерным, определяющим дифракцию размером становится размер всей сборки D. Из-за периодического характера распределения излучения на выходе из лазера в фокальной плоскости возникает дифракционная картина, основной пик распределения интенсивности которой содержит энергию ~ ПW, сосредоточенную в пятне с размером ~ . Естественно, что рост числа трубок в этом случае будет сопровождаться пропорциональным ростом мощности и плотности мощности в фокальном пятне. Значения 1 ограничены величиной

. (1.25)

При L =1м, N ~100 и П ~ 0,5 она составит ~ 10 Вт/см . Такая плотность мощности в пятне позволяет решать практически все задачи термической лазерной технологии.

Возможность когерентного режима работы большого числа газоразрядных трубок в общем резонаторе в настоящее время уже подтверждена экспериментально.

В качестве иллюстрации на рис. 29 приведены снятые в одном масштабе распределения интенсивности в фокальной плоскости линзы при некогерентном (а) и когерентном (б) режимах генерации многолучевого лазера, состоящего из 71 газоразрядной трубки, собранных в сборку диаметром ~ 7 — мм с П ~ 0,3.

а б

Рис. 29