Анализ развития импульсных ЛПМ

Анализ развития импульсных ЛПМ начиная с 1966 г., с момента получения лазерной генерации на парах меди, показал, что ЛПМ является одним из наиболее привлекательных типов газовых лазеров — лазером на самоограниченных переходах (с резонансных на метаста- бильные уровни) атомов металлов. Перспективное развитие коммерче­ ских ЛПМ со средней мощностью излучения 1-100 Вт обеспечивается созданием нового поколения эффективных и надежных высоковольт­ ных модуляторов наносекундных импульсов накачки и отпаянных вы­ сокотемпературных АЭ с высоким качеством излучения и воспроизво­ димыми параметрами.

ЛПМ обладает уникальным сочетанием положительных свойств, какого нет ни у одного из известных коммерческих лазеров, и находит широкое применение в науке, технике и медицине. Основные харак­ теристики его: видимый диапазон излучения (А = 0,51 и 0,58 мкм), высокая частота повторения импульсов (5-30 кГц), высокая средняя мощность излучения (Ризл = 1-750 Вт) и относительно большой прак­ тический КПД (0,5-2%), малая длительность импульсов излучения (10-50 не), большие усиления активной среды (КЯ-Ю2 дБ/м), низ­ кая энергия в импульсе (0,1-100 мДж) и высокая пиковая мощность (10-1000 кВт), расходимость излучения близкая к дифракционно­ му пределу и дифракционная, высокая плотность пиковой мощности в пятне фокусировки (до 101 3 -101 4 Вт/см2). Этими характеристиками определяется широкий спектр основных областей применения ЛПМ: накачка перестраиваемых по длинам волн лазеров на растворах кра­ сителей и нелинейных кристаллов, разделение изотопов и получение особо чистых веществ, усиление яркости изображения микрообъектов, прецизионная микрообработка тонколистовых металлических и неме­ таллических материалов, зондирование атмосферы и морских глубин (лидарные установки), проводка морских и посадка воздушных су­ дов в условиях ограниченной видимости (навигационные системы), создание цветной телевизионной проекционной системы на больших экранах, напыление и травление пленок, подводная обработка ма­ териалов и высокоскоростная фотография, голография и криминали­ стика, анализ состава воды, шоу-индустрия, лечение онкологических заболеваний методом фотодинамической терапии, внутрисосудистое разрушение атеросклеротических бляшек, лечение дерматологических, косметологических и других дефектов.

За основу конструкции при создании промышленных отпаянных саморазогревных АЭ для ЛПМ малой мощности серии «Кулон» и сред­ ней мощности серии «Кристалл» взята конструкция саморазогревного АЭ с внутривакуумным расположением теплоизолятора, предложен­ ная в 1974 г. сотрудниками ФИАН СССР им. П. Н.Лебедева и НПО «Исток».

Анализ причин низкой надежности и эффективности, низкого каче­ ства излучения и плохой воспроизводимости параметров первых оте­ чественных промышленных отпаянных саморазогревных ЛПМ типа «Криостат» и «Криоген» способствовал появлению новых конструктив­ ных, технологических и схемных решений, ставших основой для разра­ ботки первых промышленных отпаянных саморазогревных АЭ на парах меди серии «Кристалл»: ГЛ-201 (диаметр канала 2 см, длина кана­ ла 93 см, объем активной среды ^ 2 5 0 см3), ГЛ-201Д (соответственно 2 см, 123 см, -350 см3) и ГЛ-201Д32 (3,2 см, 123 см, -900 см3). Эти АЭ имеют среднюю мощность излучения в режиме генератора

10-55 Вт, КПД 0,5-1%, гарантированную наработку более 500 ч и со­ храняемость не менее 5 лет. Характеристики АЭ ГЛ-201, ГЛ-201Д и ГЛ-201 Д32 с генераторами паров меди различной конструкции иссле­ дованы в диапазоне давлений буферного газа неона 40-760 мм рт. ст. и ЧПИ 3-18 кГц. Установлено, что максимальная мощность излучения и КПД и лучшее согласование нагрузки (АЭ) с высоковольтным мо­ дулятором накачки достигается при использовании генераторов паров меди на молибденовой подложке после восстановления поверхности молибдена и расплавленной меди водородом при рабочих температурах ( — 1 6 0 0 ° С ) , когда происходит полное смачивание молибдена медью и повышается скорость испарения.

Снижение мощности излучения и КПД (до 40%) при увеличении давления неона от 40 до 760 мм рт.ст. связано преимущественно со снижением мощности излучения на зеленой линии (А = 0,51 мкм) из-за ухудшения условий накачки. При давлениях неона близких к атмосферному для получения мощности излучения, соизмеримой с мощностью при низких давлениях, напряженность в межэлектродном газоразрядном промежутке АЭ должна быть не менее 30 кВ/м, чтобы формировались импульсы тока с длительностью фронта не более 50 не и скоростью нарастания более 4 • 109 А/с. Например, при атмосферном давлении и напряжении на АЭ ГЛ-201 ~ 28 кВ мощность излуче­ ния составила 26 Вт, что лишь на 1 Вт меньше, чем при давлении 250 мм рт. ст.

Важным этапом развития лазерной техники стали эксперименталь­ ные исследования высоковольтных модуляторов накачки с разным ис­ полнением электрической схемы и их оптимизация. Схема с емкостным удвоением напряжения и звеньями магнитного сжатия импульсов тока является самой эффективной и простой схемой накачки с водородным тиратроном в качестве коммутатора. Схема накачки с вакуумной мо­ дуляторной лампой ГМИ-29А дает возможность формировать короткие импульсы тока (50-70 не) и работать при высоких ЧПИ (десятки кило­ герц), однако она имеет и недостаток — сравнительно малые значения амплитуды тока (^ 300 А) из-за ограничения по току насыщения.

Важной характеристикой Л П М наряду с мощностью излучения является расходимость лазерного пучка. Исследования структуры и ди­ намики формирования выходного излучения ЛПМ в режиме сверхсве­ тимости (без зеркал и с одним зеркалом), в режиме генератора (с оп­ тическим резонатором) и в режиме усилителя мощности (в системе З Г - У М ) показали следующее. Выходное излучение Л П М в режиме с одним зеркалом имеет двухпучковую структуру: один пучок сверх­ светимости сформирован из усиливающихся спонтанных «затравок» суммарной геометрической апертурой разрядного канала, а другой — зеркалом и выходной апертурой канала. В режиме генератора с опти­ ческим резонатором излучение имеет многопучковую структуру: два всегда присутствующих пучка сверхсветимости и несколько пучков, сформированных резонатором.

Количество резонаторных пучков ограничено временем существо­ вания инверсии (20-40 не) и обычно равно двум или трем. Пучки частично перекрываются в пространстве и во времени, конкурируя между собой по мощности в процессе формирования. Каждый пу­ чок излучения характеризуется своими пространственными, времен­ ными и энергетическими характеристиками — средней и пиковой мощностью, расходимостью, распределением интенсивности в ближней и дальней зонах, абсолютным значением и процентным содержанием мощности на отдельных длинах волн (А = 0,51 и 0,58 мкм), им­ пульсной энергией, длительностью, временем возникновения и исчез­ новения импульса, степенью стабильности импульсной энергии и оси диаграммы направленности. Характеристики пучков в однозеркальном режиме определяются параметрами зеркала, в режиме генератора — типом резонатора и параметрами его зеркал и существенно зависят от условий возбуждения (характеристик импульсов накачки, уровня вводимой мощности, давления буферного газа, ЧПИ).

В случае устойчивого резонатора расходимость пучков излучения ЛПМ остается на один-два порядка больше дифракционного предела, что ограничивает их практическое применение. При использовании телескопического НР с увеличением М = 100-300 формируются пучки с расходимостью близкой к дифракционному пределу и дифракцион­ ной. Первый резонаторный пучок отстает от второго пучка сверхсве­ тимости на время одного двойного прохода излучения в резонаторе, второй — на время двух двойных проходов и т.д., следовательно, п-й пучок — на АЬ = п -(2Ь/с), где п — число проходов, Ь — длина резонатора, с — скорость света. Соответственно последовательные ре- зонаторные пучки отстают друг от друга на АЬ = 2Ь/с. С каждым проходом процентное содержание мощности на зеленой линии падает, а на желтой возрастает. В однозеркальном режиме расходимость пучка сверхсветимости, формируемого при участии зеркала, с уменьшени­ ем его радиуса стремится к дифракционному пределу. Когда радиус зеркала на два порядка меньше расстояния от зеркала до выходной апертуры АЭ, расходимость пучка становится близкой к дифракци­ онной (в = (2-3)#диф). Максимальная плотность пиковой мощности в пятне фокусировки излучения (101 3 -101 4 Вт/см2) достигается при использовании телескопического НР. В режиме с одним выпуклым зеркалом достижимы уровни 10п-1012 Вт/см2, что на порядок больше, чем при работе АЭ с плоским резонатором. В однозеркальном режиме нестабильность импульсной энергии и оси диаграммы направленности практически отсутствует в отличие от режима работы с НР. Неста­ бильность положения оси диаграммы направленности в случае исполь­ зования НР соизмерима с расходимостью дифракционного пучка.

Для обеспечения эффективной работы лазерной системы З Г - У М необходимо выделить качественный пучок ЗГ из фоновой составля­ ющей с низкой пространственной когерентностью, затем выделенный пучок пространственно согласовать с апертурой разрядного канала (активной средой) УМ, длительность импульса излучения этого пучка увеличить до длительности импульса УМ и произвести синхронизацию каналов ЗГ и УМ в пределах не более 2 не. Плотность мощности фонового излучения на входе УМ должна быть не больше 0,3 мВт/см2, а качественного пучка — не менее 1 Вт/см2.

При использовании в ЗГ телескопического НР в лазерной системе ЗГ-ПФК-УМ при увеличениях М ~ 102, когда расходимость первого резонаторного пучка отличается от дифракционного лишь в 2-3 ра­ за, а нестабильность оси диаграммы направленности дифракционно­ го пучка также часто соизмерима с его расходимостью, практически невозможно пространственно выделить один чистый дифракционный пучок, и поэтому выходное излучение системы имеет преимущественно двухпучковую структуру. Так как импульсы излучения этих пучков перекрываются во времени лишь частично и импульс дифракционного пучка отстает от импульса первого резонаторного пучка на I = 2Ь/с, то опережение сигнала ЗГ по отношению к сигналу УМ приводит к увеличению мощности в дифракционном пучке.

При работе ЗГ в однозеркальном режиме в лазерной системе ЗГ - ПФК - УМ при соответствующих параметрах ПФК выходное из­ лучение имеет строго однопучковую структуру. Для этого пучка ха­ рактерна высокая стабильность импульсной энергии и оси диаграммы направленности. Съем мощности излучения с АЭ УМ в режиме насы­ щения в однозеркальном режиме работы ЗГ, в отличие от режима с НР, увеличивается на ~ 1 5 % , так как длительность импульсов излучения качественного пучка с одним зеркалом на I = 2Ь/с больше.

В лазерной системе ЗГ-ПФК-УМ с АЭ модели ГЛ-201 в каче­ стве генератора и усилителя мощности средняя мощность излучения в пучке дифракционного качества составила 3 4 - 3 5 Вт, практический КПД -0,5% (КПД АЭ усилителя -1,6%) при ЧПИ 8 кГц, что в че­ тыре раза больше мощности отдельного генератора (при использова­ нии АЭ ГЛ-201Д в качестве УМ соответствующие значения равны —60 Вт и 0,8% (2,5%)). В случае же применения в такой лазерной системе маломощного АЭ ГЛ-204 (—2 Вт) в качестве ЗГ и двух АЭ ГЛ-201Д в качестве УМ достигнута средняя мощность излучения 70 Вт с расходимостью 0,4 мрад и практический КПД —0,93% (КПД АЭ усилителя -2,1%) при ЧПИ 12,5 кГц, с двумя АЭ ГЛ-201Д32 - 105 Вт с расходимостью 0,3 мрад и практический КПД 0,87% (2%) при ЧПИ 10 кГц.

Исследована лазерная система З Г - П Ф К - И Г - У М с телескопиче­ ским НР в задающем (ЗГ) и инжекционном (ИГ) генераторах. Было выяснено, что идеальным условием пространственного и временного согласования такой системы представляется режим, когда начало воз­ никновения инверсии в АЭ ИГ совпадает с моментом начала третьего прохода в нем инжектируемого пучка от ЗГ и длительность импульсов излучения инжектируемого пучка равна 21//с + тиг, где тиг — время существования инверсии в инжекционном генераторе, Ь — длина ре­ зонатора этого генератора.

Мощность излучения лазерной системы ЗГ - УМ с любым коли­ чеством одинаковых АЭ с непросветленными окнами в качестве УМ не может превышать мощности шести АЭ.

Следует особо отметить, что лазерная система ЗГ - УМ являет­ ся идеальным устройством не только для определения усилительных свойств отдельного АЭ, но и для исследования оптических свойств его газовой среды, оценки температуры газа и состояния среды до возник­ новения и после исчезновения инверсии.

Первый разработанный в СССР (России) отечественный двухка- нальный синхронизированный ЛПМ «Карелия» с двумя модернизиро­ ванными тиратронными источниками питания ИП-18 имеет среднюю мощность излучения в качественном пучке до 32-34 Вт при ЧПИ 10 кГц, а с двухканальным ламповым источником типа ИПЛ-10-001 и «Плаз» — до 3 8 - 4 0 Вт при ЧПИ 12,5 кГц. Практический КПД лазера при этом составляет —0,5%. Излучатель ЛПМ «Карелия» раз­ работан на основе двух отпаянных АЭ ГЛ-201 и работает по схеме ЗГ-ПФК-УМ с телескопическим НР (М = 180) или с одним выпук­ лым зеркалом (Я3 = 3 см) в ЗГ.

В трехканальном синхронизированном ЛПМ с излучателем «Карелия-М», в котором в качестве ЗГ использован маломощный АЭ ГЛ-204, а в качестве УМ — два АЭ ГЛ-201Д, достигнуто значение средней мощности излучения 70 Вт с практическим КПД -0,93% при ЧПИ 12,5 кГц, с двумя АЭ ГЛ-201Д32 - 105 Вт с КПД -0,87% при ЧПИ 10 кГц.

На базе излучателя «Клен» и модернизированного источника пита­ ния ИП-18 был разработан ЛПМ «Курс» с полезной (без фона) средней

284 Заключение

мощностью излучения 10-15 Вт и практическим КПД на уровне 0,5% при ЧПИ 9-11 кГц. Излучатель «Клен» состоит из трубного корпуса из легкого и коррозионно-устойчивого алюминиевого сплава (АМц), внутри которого соосно установлен АЭ, а по торцам — механизмы юс­ тировки зеркал резонатора. Несущая труба выполняет функции тепло- съемника, обратного токопровода, защитного и декоративного кожуха.

ЛПМ оказался перспективным для различного рода применений в медицине. На базе ЛПМ «Курс» были созданы первые отечественные высокоинтенсивные медицинские установки: «Янтарь-2Ф» с длинами волн излучения А = 0,51 и 0,58 мкм, которая использовалась для внут- рисосудистого разрушения атеросклеротических бляшек, и «Яхрома-2» с А = 0,51-0,67 мкм — для лечения онкологических заболеваний ме­ тодом фотодинамической терапии, а также в дерматологии и космето­ логии и других областях. Физическим институтом им. П. Н. Лебедева РАН совместно с НПП «Исток» на базе АЭ «Кулон ЬТ-1Аи» разра­ ботана медицинская установка нового поколения «Ауран» для лечения онкологических заболеваний и на базе «Кулон ЬТ-ЗСи» — «Яхрома- Мед» для применения в дерматологии и косметологии.

Естественным развитием работ по созданию перспективных Л П М явилось создание нового поколения промышленных отпаянных само- разогревных А Э на парах меди серии «Кулон» со средней мощно­ стью излучения 1-15 Вт и серии «Кристалл» с мощностью 30-55 Вт и гарантированной наработкой более 1000 ч (в последних испытаниях достигнуты и более высокие результаты — 2000-3000 ч). Срок службы нового поколения АЭ «Кристалл» определяется практически только массой запасенного в молибденовых генераторах рабочего вещества (меди) и давлением буферного газа, так как в конструкции учте­ ны и устранены причины разрушения разрядного канала, попадания частиц теплоизолятора в разрядный канал и концевые секции, кон­ денсирования капель меди на «холодных» концах разрядного канала и запыления выходных окон. В режиме генератора практический КПД для новых моделей АЭ серии «Кристалл» составляет около 1,2%, КПД АЭ - 2,5%.

Для АЭ серии «Кристалл» на парах меди важными показателями являются КПД и мощность излучения в режиме УМ, так как эти АЭ применяются в основном в мощных лазерных системах типа З Г - У М . В режиме УМ съем мощности излучения с АЭ «Кристалл ЬТ-ЗОСи», практический КПД и КПД АЭ составляют соответственно 45 Вт, 1,5% и 3,0%, с АЭ «Кристалл ЬТ-40Си» - 60 Вт, 1,7% и 3,4%, с АЭ «Кристалл ЬТ-50Си» - 75 Вт, 1,63% и 3,3%.

В экспериментальном АЭ «Кристалл» модели ГЛ-201Д32 с длиной разрядного канала 150 см (на 30 см длиннее, чем в АЭ «Кристалл ЬТ-50Си») в режиме УМ с двухканальным ламповым источником пи­ тания (две лампы ГМИ-29А включены параллельно) при ЧПИ 12 кГц достигнут съем мощности излучения 85-90 Вт с практическим КПД ~ 1,5% и КПД АЭ ~3%. В экспериментальном АЭ «Кристалл ЬТ-75Си»

Заключение 285

и АЭ «Кристалл ЬТ-100Си» с диаметром разрядного канала 4,5 см и длиной 123 и 150 см соответственно достигнута средняя мощность излучения в режиме генератора 74 Вт (ЬТ-75Си) и 90 Вт (ЬТ-100Си).

Увеличение объема активной среды ЛПМ от 4,2 см3 («Кулон ЬТ-1Си») до 900 см3 («Кристалл ЬТ-50Си») приводит к снижению рабочей температуры стенки разрядного канала от 1700 до 1570°С, что соответствует уменьшению концентрации атомов меди примерно в четыре раза (с 11• 1015 до 2,5 • 1015 см-3) и во столько же раз — удельного съема мощности (с 0,36 до 0,083 Вт/см3). Следовательно, для повышения эффективности АЭ с большим объемом активной среды необходима такая комбинация конструкции АЭ, состава газовой среды

и условий его возбуждения, которая обеспечивала бы рабочую концен­ трацию паров меди, близкую к 1016 см- 3 (Ткан ~ 1700°С).

Промышленные отпаянные саморазогревные АЭ серий «Кулон» и «Кристалл» по эффективности, гарантированной наработке и усло­ виям эксплуатации более предпочтительны, чем близкие зарубежные аналоги: съем мощности излучения с единицы объема АЭ «Кулон» примерно в два, а АЭ «Кристалл» — в четыре раза выше, их мини­ мальная наработка в два-три раза больше и благодаря отпаянному исполнению АЭ не требуются дополнительные элементы непрерывного функционирования.

Экспериментальные результаты исследований процессов резки и сверления различных материалов с помощью ЛПМ «Карелия» стимулировали создание первой отечественной лабораторной тех­ нологической установки АЛТУ «Каравелла», предназначенной для прецизионной обработки тонколистовых (до 1 мм) материалов изделий электронной техники. Средняя мощность излучения АЛТУ «Каравелла» в пучке дифракционного качества составляет не менее 20 Вт при ЧПИ 10 кГц. Многолетняя эксплуатация АЛТУ «Каравелла» убедительно показала, что импульсным излучением ЛПМ можно эффективно производить прецизионную обработку целого ряда материалов: тугоплавких металлов (Мо, АДА, Та и т.д.), металлов с высокой теплопроводностью (Си, А1, А^, Аи и др.) и их сплавов, полупроводников (51, Се, СаАз, 51С и др.), керметов, графита, естественных и искусственных алмазов, прозрачных материалов (стекло, кварц, сапфир) и др. Прецизионная обработка излучением ЛПМ имеет следующие преимущества: высокую производительность изготовления деталей по сравнению с традиционными методами обработки (включая и электроискровой способ), прогнозируемое и контролируемое удаление обрабатываемого материала микропор­ циями, малую зону термического влияния, отсутствие расслоения материала, возможность обработки сложных поверхностей и под разными углами. Излучением ЛПМ эффективно производятся следующие технологические операции: прямая прошивка отверстий диаметром 3-100 мкм, прецизионная контурная резка, скрайбирование, фрезерование, поверхностная обработка, формирование изображений в объеме прозрачных материалов.

Лабораторная АЛТУ «Каравелла» стала основой для разработки промышленной компактной высокоэффективной и высокоточной тех­ нологической установки АЛТУ «Каравелла-1» со средней мощностью излучения 15-20 Вт в пучке дифракционного качества при ЧПИ (14 ± 2 ) кГц. Разработка установки «Каравелла-1» закончена в 2003 г.

Промышленные отпаянные АЭ серии «Кулон» были использованы для создания компактных высокоэффективных и надежных лазеров на парах металлов с воздушным охлаждением со средней мощностью излучения 1,5-15 Вт. Они работают в автоматическом режиме и управ­ ление их осуществляется с помощью персонального компьютера. Важ­ ным преимуществом этих лазеров является возможность оперативного управления выходными характеристиками излучения. Можно изменять ЧПИ лазера по любому наперед заданному закону и соответственно формировать моноимпульсный и пакетный режимы модуляции выход­ ного излучения, а также изменять энергию импульса в пределах от ну­ ля до максимального значения. Эти режимы работы позволяют мак­ симально расширить возможности применения ЛПМ в науке, технике и медицине.

Отметим, что развитие коммерческих ЛПМ, работающих по схеме ЗГ - УМ, должно идти и по пути повышения мощности излучения в пучке дифракционного качества до уровня 50-100 Вт и выше, когда возможна высокопроизводительная прецизионная обработка материа­ лов толщиной до 2-4 мм. Также важно развитие ЛПМ с нелинейными кристаллами для преобразования излучения в УФ-диапазон.

К настоящему времени, несмотря на то что Л П М как с научной, так и с практической стороны изучен достаточно подробно, имеются технологические резервы для дальнейшего повышения мощности гене­ рации, КПД и надежности этих лазеров [26, 271, 274].