Физический институт АН СССР им. П. Н.Лебедева

В России (СССР) первые успехи в исследовании ЛПМет были получены в Физическом институте АН СССР им. П. Н. Лебедева. В на­чальный период, в основном, усилиями были проведены широкие исследования на парах различных металлов — свин­ца, золота, бария, марганца, меди. В конструкциях активных эле­ ментов (АЭ) в качестве газоразрядно­ го канала использовались керамические трубки из АL₂О₃ , внешней оболочкой служили кварцевые трубки, катодом и анодом — электроды от импульсных ламп-вспышек. Между разрядным ка­ налом и оболочкой располагался мел­ кодисперсный теплоизолятор из окиси циркония (2Ю2). К торцам оболочки были приклеены оптические окна, через которые осуществлялся выход лазерного излучения. В 1971-1972 гг. А. А. Исаевым, М.А. Казаряном, Г. Г. Петрашом в ФИАНе был про­ демонстрирован первый в мире практический многоваттный ЛПМет (рисунок), а именно ЛПМ, с саморазогревным АЭ (без внешней сотрудников этого института лазеровпечки) и тиратронным коммутатором высоковольтных импульсов на­ качки [50], что фактически предопределило в основном все даль­ нейшее развитие этого важного на сегодняшний день типа лазера, самого мощного в видимой области спектра. В саморазогревном ЛПМ разогрев разрядного канала с металлическим активным веще­ ством до рабочей температуры происходит за счет энергии импульсно- периодического разряда, следующего с большой частотой повторения, который возбуждает и атомы металла. Саморазогревный режим позво­ лил упростить конструкцию ЛПМ и увеличить его мощность и КПД. При диаметре разрядной трубки 15 мм, длине ее нагреваемой ча­ сти 700 мм и ЧПИ 15-19 кГц получена средняя мощность генерации до 15 Вт и пиковая мощность 200 кВт с практическим КПД ~ 1%. (Практический КПД определяется как отношение средней мощности излучения к электрической мощности, потребляемой от выпрямите­ ля источника питания.) При диаметре разрядной трубки 4 мм был достигнут рекордный удельный съем мощности — 0,4 Вт/см3. В ра­ боте [54] была продемонстрирована возможность получения в ЛПМ высоких значений мощности излучения. При ЧПИ до 20 кГц средняя мощность излучения в нестационарном тепловом режиме достигала 43,5 Вт с практическим КПД -1%. В 1974-1975 гг. в ФИАНе был ис­ следован неустойчивый резонатор телескопического типа в целях сни­ жения расходимости излучения ЛПМ [68-71]. В случае использования такого резонатора при увеличениях в сотни раз формировались пучки излучения с дифракционным качеством. В настоящее время основное внимание и усилия исследователей ФИАНа направлены на изучение различных разновидностей ЛПМ, генерация в которых происходит на одних и тех же КМ-переходах атомов меди. К ним относятся лазеры на галогенидах меди (СиС1, СиВг, Си1) с добавками водорода (ЬЬ), «гибридный» лазер (Си-Ые-НВг) и ЛПМ с добавками Н2, НВг, НС1, называемый еще ЛПМ с улучшенной кинетикой.

Для лазеров первых двух типов достигнуты КПД до 3% при сред­ ней мощности генерации 100-200 Вт [73]. В работе для «ги­бридного» лазера с объемом активной среды 19,5 л (длина АЭ 3 м) и ЧПИ 17 кГц получена средняя мощность излучения в режиме усилителя 280 Вт и КПД АЭ 3,8%. Основную роль в кинетике актив­ ной среды этих лазеров играют молекулы НВг или НС1, обладающие относительно большими сечениями диссоциативного прилипания. Авторы считают, что будущее — за лазерами с добавками, и из таких лазеров более перспективным в промышленном отношении является лазер на бромиде меди.

В работе [19] приводятся их преимущества перед «чистыми» ЛПМ. «Чистые» саморазогревные ЛПМ (и ЛПЗ), получившие широкое рас­ пространение, работают при температурах стенки разрядной труб­ ки 1500-1800 °С, что снижает долговечность АЭ из-за ограниченного выбора конструктивных элементов, и имеют большое время разогрева (примерно 1 ч).

Наиболее изученный лазер на бромиде меди имеет ряд потенци­ альных преимуществ: у него температура разрядной трубки примерно на 1000°С ниже, что позволяет использовать плавленый кварц. Это упрощает и удешевляет конструкцию АЭ, дает возможность поместить рабочее вещество в отростки и регулировать его концентрацию в ак­ тивной среде независимо от вводимой мощности, а также существенно сокращает время разогрева. В принципе, возможно практическое со­ здание полностью нагреваемого АЭ, в котором не будет ограничения срока службы, связанного с выносом рабочего вещества в «холодные» зоны. Добавление водорода приводит к существенному повышению как мощности излучения, так и КПД (до 3% и более).

Однако нельзя согласиться со всеми выводами, сделанными в.

Несмотря на совокупность приведенных положительных свойств, проблема, связанная со сроком службы лазеров на галогенидах меди и сохранением высокой стабильности параметров выходного излучения, остается открытой. В этих лазерах происходит более интенсивный расход рабочего вещества, что может быть обусловлено несколькими причинами. Во-первых, идет осаждение атомов меди из газоразрядной среды непосредственно на стенки относительно «холодной» разряд­ ной трубки; во-вторых, происходит диффузионный уход атомов меди и его молекулярных соединений в еще более «холодные» концевые секции АЭ; в-третьих, низкое давление буферного газа увеличивает скорость диффузии рабочего вещества. Высокая химическая актив­ ность хлора и брома приводит к интенсивному (преждевременному) разрушению элементов электродных узлов и нестабильности горения разряда. Также не изучены процессы физико-химического взаимодей­ ствия газовой среды с кварцем и газовыделение кварца. К тому же для длительного сохранения параметров выходного излучения требует­ ся стабилизация на оптимальном уровне многокомпонентного состава активной газовой среды, в которой происходит большое количество физических процессов и химических реакций. Д л я «чистого» Л П М многие проблемы, связанные с долговечностью и стабильностью пара­ метров, уже успешно решены. КПД в промышленных «чистых» ЛПМ составляет 0,5-1%, а съем средней мощности с одного АЭ достиг уровня 500-750 Вт.

Необходимо подчеркнуть, что в ФИАНе также проведен цикл тео­ ретических и экспериментальных исследований активных оптических систем с усилителями яркости изображения на основе ЛПМ, ЛПЗ, ЛПВа и др.