Компактный щелевой СО лазер с накачкой ВЧ разрядом

Компактный щелевой СО лазер с накачкой ВЧ разрядом

В последнее время достигнут значительный прогресс в разработке капиллярных и щелевых газовых (в том числе проточных и отпаянных СО₂ и СО) лазеров с диффузионным охлаждением, возбуждаемых емкостным поперечным высокочастотным (ВЧ) разрядом. В этих лазерах отвод тепла из газовой смеси производится через охлаждаемые электроды, к которым прикладывается возбуждающее ВЧ напряжение. ВЧ разряд обладает рядом преимуществ по сравнению с наиболее простым и часто используемым разрядом постоянного тока. Известно, что СО лазер демонстрирует наилучшие выходные характеристики при криогенных температурах активной газовой смеси. Это особенно актуально для обертонного СО лазера [Ionin A.A. et al. Laser Physics 21 500 (2011)]. Практически важной задачей является создание компактного щелевого СО лазера с ВЧ возбуждением и диффузионным охлаждением его активной среды до низких температур. Такой лазер, сочетающий в себе относительную простоту и компактность, присущие щелевым ВЧ конструкциям, и высокую эффективность и широкий спектр генерации, характерные для электроразрядных СО лазеров, может стать уникальным спектроскопическим инструментом для детектирования различных взрывчатых, ядовитых и других опасных веществ и материалов. В ЛГЛ были созданы компактные щелевые СО лазеры с накачкой емкостным ВЧ разрядом и криогенным охлаждением электродов с различными длинами активной среды (250 и 400 мм). Определены оптимальные условия (состав и давление газовой смеси, параметры ВЧ разряда) для реализации наилучших выходных лазерных характеристик. Максимальная полученная в экспериментах средняя мощность лазера на основных переходах молекулы СО (спектральный диапазон 5.1-5.4 мкм) составила ~12 Вт, а его КПД достигал ~14%. Реализован также частотно-селективный режим работы этого лазера. Одночастотная генерация была получена на ~100 лазерных линиях в спектральном диапазоне 4.9-6.5 мкм со средней выходной мощностью от нескольких единиц до нескольких десятков милливатт. Впервые в щелевом криогенном СО лазере с ВЧ накачкой была реализована генерация излучения на обертонных переходах молекулы СО в спектральном диапазоне 2.5-4.0 мкм . В результате оптимизации экспериментальных параметров в режиме свободной многочастотной генерации недавно была достигнута средняя мощность ~2.0 Вт с эффективностью до 1.6 %. Все результаты были получены без принудительной замены газовой смеси. При фиксированных экспериментальных условиях стабильная генерация (с флуктуациями выходных характеристик не более 10 %) была реализована на временном промежутке более одного часа, что позволяет говорить о том, что впервые осуществлен отпаянный режим работы криогенного СО лазера. 

Щелевой ВЧ СО лазер с длиной активной среды 250 мм	Щелевой ВЧ СО лазер с длиной активной среды 400 мм

Диапазон перестройки частоты излучения CO лазера перекрывает спектральные диапазоны, в которых расположены линии и полосы поглощения как обычных веществ (H₂O, CO₂, O₃, N₂O, NO₂, NO, SO₂, NH₃ и др.) и органических соединений (таких как метан, ацетон, бензол, метанол, этанол и др.) так и сильных загрязнителей. Благодаря большому количеству спектральных линий СО лазер является привлекательным источником излучения для решения задач спектрального анализа как многокомпонентных газовых смесей, так и отдельных веществ, присутствующих в составе атмосферы. При использовании обертонного СО лазера проведены модельные эксперименты по измерению концентраций газов в двухкомпонентной смеси (N₂O+CH₄) в области перекрытия их спектров поглощения. Показано, что точность восстановления концентрации газов в многокомпонентной смеси возрастает при увеличении количества лазерных линий.

1. Ionin A.A., Kozlov A.Yu., Seleznev L.V., Sinitsyn D.V., RF discharge slab CO laser operating in both fundamental and first-overtone bands // Optics Communications, 282, p.629, 2009.
2. Ionin A.A., Kozlov A.Yu., Seleznev L.V., Sinitsyn D.V., Slab overtone CO laser operating in the 2.5 - 4.0 micron spectral range // IEEE Journal of Quantum Electronics, 45, (3), p.215, 2009.
3. Ионин А.А., Козлов А.Ю., Селезнев Л.В., Синицын Д.В., Криогенный щелевой лазер на окиси углерода // Квантовая электроника, 39, (3), c.229, 2009.
4. Ионин А.А., Климачев Ю.М., Козлов А.Ю., Котков А.А., Селезнев Л.В., Синицын Д.В., Активная среда для электроразрядного СО лазера или усилителя и способ ее накачки / Патент РФ №2354019 от 27.04.2009 // Бюллетень "Изобретения. Полезные модели", № 12, с.1016, 2009.
5. Ionin A., Kozlov A., Seleznev L., Sinitsyn D., Slab RF discharge overtone CO laser // Proc SPIE, 7994, p.79941N, 2011.