ПРИНЦИПЫ ЛАЗЕРОВ

СИСТЕМЫ НАКАЧКИ

Лампы, используемые для накачки лазеров, часто имеют цилиндриче­скую форму. На рис. 6.1 показаны две наиболее часто применяемые конфи­гурации накачки с использованием одной лампы [3]. В обоих случаях актив­ная среда имеет вид цилиндрического стержня, диаметр и длина которого близки к соответствующим параметрам лампы. Диаметр обычно находится в диапазоне от нескольких миллиметров до нескольких десятков миллимет­ров, а длина — от нескольких сантиметров до нескольких десятков санти­метров. На рис. 6.1а лампа помещена вдоль одной из двух фокальных осей зеркально отражающего цилиндра эллиптического сечения (обозначенного

Рис. 6.1

Конфигурации накачки с использованием одной лампы:

А) эллиптический цилиндр; б) плот­ная упаковка.

Цифрой 1 на рисунке и обычно называемого осветителем, англ. pumping chamber). Стержень помещен вдоль второй фокальной оси F2. Хорошо из­вестным свойством эллипса является то, что луч FiPy исходящий из первого фокуса F и проходит после отражения от эллиптической поверхности через второй фокус F2 (луч PF2). Это означает, что значительная доля излучения, испущенного лампой, передается осветителем активному элементу. Высокая отражательная способность такого осветителя достигается вакуумным напы­лением слоя золота или серебра на внутреннюю поверхность цилиндра. На рис. 6.1 б показан пример расположения элементов, которое называется плот­ной упаковкой (англ. close-coupled configuration): стержень и лампа разме­щены насколько возможно близко и плотно окружены цилиндрическим от­ражателем (обозначен цифрой 1 на рисунке). В этом случае вместо зеркально отражающего часто применяют осветитель, изготовленный из диффузно рас­сеивающего материала. При использовании слабоструктурированных мате­риалов, таких как спрессованный порошок BaS04 или белая керамика, кото­рые являются достаточно хорошо рассеивающими средами, эффективность осветителей с плотной упаковкой обычно не намного меньше, чем эффектив­ность зеркально отражающих цилиндров. Однако излучение накачки рас­пределено внутри лазерного стержня в этом случае гораздо более однородно.

На рис. 6.2 показаны два двухламповых осветителя. На рис. 6.2а попе­речное сечение зеркально отражающего цилиндра имеет форму двух эллип­сов, имеющих общий фокус. Лазерный стержень расположен вдоль оси, про­ходящей через этот фокус, тогда как лампы размещены вдоль двух других фокальных осей. На рис. 6.26 показаны две лампы, размещенные насколько возможно близко к лазерному стержню (плотная упаковка); цилиндриче­ский отражатель обычно опять изготавливают из диффузно рассеивающих материалов. Двухламповые конфигурации имеют более низкий КПД, чем соответствующие одноламповые, показанные на рис. 6.1. Однако однород­ность распределения излучения накачки в них лучше, и при фиксированной энергетической нагрузке на лампу в двухламповой конфигурации можно получить больше световой энергии, чем в одноламповой.

В системах высокой мощности или высокой энергии используют также многоламповые конфигурации. Широко используются конструкции, в ко­торых активная среда представляет собой пластину или плиту (рис. 6.3а) или несколько пластин (рис. 6.36). В обоих случаях каждую лампу распола­гают вдоль фокальной линии параболического отражающего цилиндра так, чтобы обеспечить однородное освещение каждой из пластин. Как показано на рис. 6.3а, лазерная генерация сопровождается полным внутренним отра-

Рис. 6.3

Конфигурации накачки с использованием многих ламп:

(а) активный элемент в виде одной пластины, которая пересекается лазерным лучом по зигзаго­образной траектории; (б) активная среда, составленная из многих пластин, расположенных под углом Брюстера к направлению падающего лазерного пучка.

Лампа
Источник хЧ питания	Импульс ) поджига
Импульс ~ поджига

Рис. 6.4

Импульсное электропитание лампы-вспышки с использованием либо (а) внешней, либо (б) последовательной цепи поджига

Жением на двух поверхностях пластины. Преимущество использования та­кого зигзагообразного оптического пути заключается в том, что он позволя­ет усреднить двулучепреломление (за счет внутренних напряжений) и тепло­вые линзы, наведенные в среде излучением накачки. Такие конструкции, несмотря на гораздо большую сложность по сравнению со схемами, исполь­зующими активные элементы в виде стержней, особенно предпочтительны, если требуется получить лазерный пучок высокого оптического качества. На рис. 6.36 лазерная генерация происходит вдоль направления, показанно­го стрелкой, а пластины ориентированы так, чтобы пучок падал на них под углом Брюстера. Основное преимущество такого расположения заключается в том, что поперечный размер активной среды может быть сделан очень боль­шим. Более того, пластины могут независимо охлаждаться, например с ис­пользованием газового хладоагента. Подобную конструкцию применяют в широкоапертурных (до 40 см в диаметре) усилителях на стекле с неодимом, используемых для экспериментов по лазерному термоядерному синтезу.

Для импульсных лазеров используются Хе или Кг импульсные лампы - вспышки от среднего до высокого давления (500 - г - 1500 Topp). Импульс из­лучения накачки получают при разряде через лампу электрической энер­гии, запасенной батареей конденсаторов, заряженной подходящим источни­ком питания (рис. 6.4). Для ограничения скорости развития тока разряда в электрическую цепь часто последовательно включают катушку индуктив­ности L. Разряд можно инициировать путем предыонизации газа в лампе с помощью поджигающего импульса высокого напряжения, приложенного
к дополнительному электроду, разме­щенному вокруг лампы (параллель­ный поджиг, см. рис. 6.4а). С другой стороны, предыонизацию можно обес­печить с помощью импульса напряже­ния, приложенного непосредственно между двумя основными электродами лампы (последовательный поджиг, см. рис. 6.46). Будучи ионизована, лампа дает интенсивную вспышку света, дли­тельность которой определяется емко­стью и индуктивностью цепи, а также электрическими характеристиками лампы (обычно эта длительность находится в интервале от нескольких микросекунд до нескольких миллисекунд). Для не­прерывных лазеров наиболее часто используют Кг лампы высокого давления (1^8 атм); регулируемый по величине непрерывный ток обеспечивается источ­ником питания (рис. 6.5), а для подавления пульсаций тока в цепь включают Ь-С фильтр. В этом случае для создания требуемой начальной ионизации газа также необходим электрический импульс поджига, который обычно при­кладывается последовательно. Для надежного запуска лампы напряжение источника питания необходимо в течение достаточно длительного интерва­ла времени, соответствующего стадии поджига, увеличить до сравнительно высокого значения, которое обеспечит достаточно высокие для стабилиза­ции разряда плотности ионов и электронов в лампе. Это оказывается удоб­ным сделать путем импульсного возбуждения трансформатора поджига с помощью слаботочного вспомогательного источника напряжения смещения.