8.1 Оптимизация параметров резонатора мощного импульсного CO2- лазера

Благодаря оптимизации параметров оптических элементов резонатора можно заметно повысить мощность излучения и КПД лазера. В этом разделе работы приведены экспериментальные данные об улучшении характеристик четырёхсекционного импульсного электроразрядного CO₂- лазера, подробно описанного в работе [А 10] путём использования полученных в предыдущих разделах работы результатов.

Резонатор лазера длиной 3000 мм был образован вогнутым зеркалом из бескислородной меди марки МОБ с радиусом кривизны 40000 мм и плоскопараллельной прозрачной пластиной в качестве выходного зеркала. Как правило, выходное зеркало выполняло также функцию выходного окна между активной средой лазера и атмосферой. Диаметр зеркал - 160 мм. Исследовались следующие выходные зеркала:

1. Плоскопараллельные пластины из монокристаллического германия марки ГМО с однослойным просветляющим покрытием (трёхсернистый мышьяк - As₂S₃) на внешней поверхности (френелевское отражение от поверхности германия - R = 0,36).

2. Плоскопараллельные пластины из монокристаллического германия с однослойным просветляющим покрытием на внешней поверхности и отражающим интерференционным покрытием со слоями из As₂S₃и BaF₂на внутренней, рабочей поверхности с коэффициентами отражения R = 0,25; 0,7; 0,8.

3. Плоскопараллельные пластины из монокристаллического германия без покрытия (френелевское отражение от двух поверхностей германия -R = 0,51).

4. Плоскопараллельные пластины из монокристаллического NaCl с отражающим интерференционным покрытием со слоями из As₂S₃и BaF₂на внутренней, рабочей поверхности с коэффициентом отражения R = 0,8 и влагозащитным покрытием из As₂S₃ на внешней поверхности.

Рисунок 8.1- Общий вид экспериментальной установки стенда для исследования характеристик импульсных электроразрядных лазеров

Оптические параметры медных зеркал и результаты исследования их свойств приведены в главе 6. Выходные зеркала - плоскопараллельные пластины из монокристаллов германия, результаты исследования которых изложены в главах 3 и 4, либо из монокристаллов NaCl (главы 3 и 5). После изготовления зеркала имели

следующее оптическое качество: форма поверхности N = 2, ошибка формы AN = 0,2, класс оптической чистоты - (для Ge - P = IV, для NaCl -P = VI), клиновидностъ θ = 5".

Рисунок 8.2 - Лазерные кюветы с окнами Брюстера из монокристаллов NaCl диаметром 300 мм

Рисунок 8.3 - Зависимости энергии лазерного импульса E от длины активной среды L (1 присадка 3-п-пропил-амин, 2 - метаксилол)

Рисунок 8.4 - Зависимости энергии лазерного импульса E от коэффициента отражения выходного зеркала К при L(cm)= 40 (1); 80 (2); 120 (3) и 160 (4)

Cцелью оптимизации выходных характеристик лазера исследовались зависимости выходной энергии излучения от длины активной среды и от коэффициента отражения выходного зеркала. На рисунке 8.3 приведены зависимости выходной энергии излучения от длины активной среды, полученные при использовании различных легкоионизуемых присадок.

Рисунок 8.5 - След лазерного луча с энергией ~ 500 Дж на поверхности анодированного алюминия

В результате проведённых исследований, сочетая оптимизацию оптических характеристик зеркал резонатора и параметров легкоионизуемых присадок в активную среду, удалось получить выходную энергию излучения - 820 Дж. В этом случае КПД преобразования электрической энергии накачки в энергию выходного лазерного излучения составил 22%. Удельный съём энергии выходного излучения в этом случае - 51 Дж/л, а

полный КПД - 13%. Этот результат в настоящее время является рекордным для лазеров

данного типа.

Рисунок 8.6 - Внешний вид зеркала из Ge диаметром 160 мм после длительной эксплуатации в составе лазера, показанного на рисунках 8.1 и 8.2

На рисунке 8.6 показана рабочая поверхность германиевого зеркала диаметром 160 мм после длительной эксплуатации в составе лазера (рисунок 8.1). На поверхности наглядно видны многочисленные дефекты. Если присмотреться, то они, в основном локализованы в области размером ~ 10?10 см² , совпадающей по форме и размерам с отпечатком лазерного луча (рисунок 8.5). Исследования таких зеркал, описанные в главе

4, показали, что эти дефекты - результат многократного взаимодействия излучения допороговой интенсивности, декорирующего малозаметные структурные дефекты приповерхностного слоя кристалла.

Разработанные при выполнении работы оптические элементы применялись и в других экспериментальных установках. На рисунке 8.7 приведена фотография блока выходных окон из просветлённых монокристаллических пластин Ge диаметром 420 мм для экспериментального 4-х лучевого лазерного комплекса.

Рисунок 8.7 - Блок выходных окон из монокристаллов Ge диаметром 420 мм экспериментального 4-х лучевого лазерного комплекса