ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» В.Ф. Лосев МОЩНЫЕ ГАЗОВЫЕ ЛАЗЕРЫ Издательство Томского политехнического университета 2009 Рекомендовано в качестве учебного пособия Редакционноиздательским советом Томского политехнического университета УДК 621.373.826.038.823 (075.8) ББК 32.865я73 Л79 Лосев В.Ф. <...> Формирование высококогерентного излучения в эксимерных лазерах . <...> Узкополосное излучение с малой расходимостью в задающем генераторе . <...> Расходимость излучения в мощных лазерах с неустойчивым резонатором . <...> Использование нелинейной среды в эксимерных лазерных системах . <...> Влияние турбулентности атмосферы на изменение расхо димости лазерного пучка и возможность компенсации этой неоднородности с помощью ОВФ при ВРМБ . <...> Формирование короткой длительности импульса излучения XeClлазера при ВРМБ . <...> Формирование излучения в резонаторе с ВРМБсредой . <...> Механизм генерации лазера на молекуле KrF . <...> Прокачка лазерной смеси в разрядном промежутке . <...> Их отличительными особенностями являются высокая стабильность частоты, временная и пространственная когерентность излучения, разнообразие способов создания инверсной населенности, а также возможность регулировать мощность излучения в очень широких пределах за счет отсутствия ограничения на размер активной среды. <...> В газовых лазерах низкого давления инверсная населенность создается в процессе тлеющего разряда. <...> В зависи мости от типа лазера (молекулы) можно рассматривать следующие два класса. лазер, генерирующий на длине волны 10,6 или 9,5 мкм. <...> Интересен также азотный лазер ( = 337,1 нм), который относится к лазерам на электронноколеба тельных переходах. <...> Он не столь эффективен, как эксимерный лазер, но отличается простотой и дешевизной. <...> Наиболее интересный пример этой категории лазеров с точки зрения эффективности и мощности представляют эксимерные <...>
Мощные_газовые_лазеры.pdf
УДК 621.373.826.038.823 (075.8)
ББК 32.865я73
Л79
Лосев В.Ф.
Л79
Мощные газовые лазеры: учебное пособие / В.Ф. Лосев. –
Томск: Издво Томского политехнического университета, 2009. –
110 с.
В учебном пособии изложены основы взаимодействия оптического
излучения с веществом, рассматриваются принципы работы мощных га
зовых лазеров, основные физические процессы в лазерных активных сре
дах, свойства лазерного излучения и методы управления им, способы соз
дания активных сред, методы формирования мощных лазерных импуль
сов с высоким качеством излучения.
Разработано в рамках реализации Инновационной образовательной
программы ТПУ по направлению "Энергосберегающие, базовые, спе
циальные и промышленные электроразрядные, радиационные и плаз
меннопучковые технологии" и предназначено для студентов физико
технических специальностей.
УДК 621.373.826.038.823 (075.8)
ББК 32.86-5я73
Рецензент
Доктор физикоматематических наук
ведущий научный сотрудник ИСЭ СО РАН
В.М. Орловский
© Лосев В.Ф., 2009
© Томский политехнический университет, 2009
© Оформление. Издательство Томского
политехнического университета, 2009
Стр.2
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5
Глава I
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЕЩЕСТВОМ,
СВОЙСТВА ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И АКТИВНОЙ СРЕДЫ . . . . . . . . .7
1.1. Три основных процесса взаимодействия излучения с веществом . . . . .7
1.2. Принцип прохождения волны через среду . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10
1.3. Схемы накачки и лазерной генерации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12
1.4. Свойства лазерного излучения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15
1.4.1. Монохроматичность лазерного излучения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15
1.4.2. Когерентность лазерного излучения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15
1.4.3. Направленность лазерного излучения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17
1.4.4. Яркость лазерного излучения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18
1.5. Свойства активной среды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19
Глава 2
ФОРМИРОВАНИЕ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В РЕЗОНАТОРЕ . . . . . . . .22
2.1. Резонаторы с плоскими зеркалами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .22
2.2. Резонаторы со сферическими зеркалами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .25
2.3. Схемы резонаторов для формирования одномодового пучка . . . . . . . .31
2.4. Схемы лазеров с модуляцией добротности резонатора . . . . . . . . . . . . .33
2.5. Усиление лазерного излучения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .36
2.6. Расходимость излучения лазерного пучка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .38
2.7. Формирование высококогерентного излучения
в эксимерных лазерах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39
2.7.1. Узкополосное излучение с малой расходимостью
в задающем генераторе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39
2.7.2. Расходимость излучения в мощных лазерах
с неустойчивым резонатором . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .43
2.7.3. Режим инжекционной синхронизации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .50
2.7.4. Использование нелинейной среды
в эксимерных лазерных системах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .56
2.7.4.1. Вынужденное комбинационное рассеяние света . . . . . . . . .56
2.7.4.2. Вынужденное рассеяние Мандельштама–Бриллюэна . . . . .58
2.7.4.3. Использование в эксимерных лазерах ВРМБсреды . . . . . . .59
2.7.4.4. Обращение волнового фронта . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .59
2.7.4.5. Влияние турбулентности атмосферы на изменение расхо
димости лазерного пучка и возможность компенсации
этой неоднородности с помощью ОВФ при ВРМБ . . . . . . . .62
3
Стр.3
2.7.4.6. Формирование короткой длительности импульса
излучения XeClлазера при ВРМБ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .65
2.7.4.7. Формирование излучения в резонаторе с ВРМБсредой . . .69
2.7.4.8. Преобразование излучения УФлазеров в процессе ВКР . . .73
Глава 3
МОЩНЫЕ ГАЗОВЫЕ ЛАЗЕРЫ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .75
3.1. Эксимерные лазеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .75
3.1.1. Общая характеристика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .75
3.1.2. Механизм генерации лазера на молекуле KrF . . . . . . . . . . . . . . . . .77
3.1.3. Схемы предыонизации разрядного промежутка . . . . . . . . . . . . . . .78
3.1.4. Электрические схемы возбуждения газовой смеси . . . . . . . . . . . . .80
3.1.5. Прокачка лазерной смеси в разрядном промежутке . . . . . . . . . . .83
3.1.6. Эксимерные лазеры, разработанные в городе Томске . . . . . . . . . .85
3.1.6.1. Частотные электроразрядные лазеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .85
3.1.6.2. Лазеры с накачкой электронным пучком . . . . . . . . . . . . . . . .87
3.2. Азотные лазеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .91
3.2.1. Принцип работы азотного лазера . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .91
3.2.2. Описание азотного лазера NL1100 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .93
3.3. Электроразрядные СО2
лазеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .95
3.3.1. Общая характеристика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .95
3.3.2. Механизм создания инверсии в СО2
3.3.3. Конструкции СО2
3.3.4. Схемы питания СО2
лазерах . . . . . . . . . . . . . . . . .96
лазеров и способы их возбуждения . . . . . . . . .98
лазера с продольным разрядом . . . . . . . . . .107
3.4. Элементная база ультрафиолетовых лазеров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .108
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .109
4
Стр.4