«ЭкоГрад» продолжает публикацию научных работ разных лет профессора, академика РАЕН Виктора Аполлонова - специалиста по лазерам, номинанта конкурса РАЕН «Международная экологическая премия EcoWorld»-2017 (Академик Виктор Аполлонов, специалист по лазерам, номинант конкурса РАЕН «Международная экологическая премия EcoWorld»-2017 (ФОТО, ВИДЕО)). Список уже вышедших материалов - см. в разделе каждой публикации «Виктор Аполлонов в «ЭкоГраде», а также следите за обновлениями на нашем сайте!
Виктор Викторович Аполлонов –– генеральный директор ООО «Энергомаштехника», заведующий отделом мощных лазеров Института общей физики им. А. М. Прохорова РАН, доктор физико-математических наук, профессор, лауреат Государственных премий СССР (1982) и РФ (2001), академик АИН и РАЕН, член Президиума РАЕН. Член докторского совета Института, член Американских физического и оптического обществ. Ведущий специалист в области мощных лазерных систем и взаимодействия мощного лазерного излучения с веществом, автор более 1920 докладов, выступлений в средствах массовой информации, научных публикаций, в том числе 18 монографий и 144 авторских свидетельств и патентов. Окончил c отличием МИФИ в 1970 г. За 49 лет научной работы в ФИАН (до 1983 г.) и далее в ИОФ РАН он впервые:
–– получил многозарядные ионы тяжелых элементов при взаимодействии мощного лазерного излучения с твердыми мишенями и исследовал их энергетические характеристики. Идея использования многозарядных ионов в ускорителях была реализована в Дубне, сегодня она претворяется в жизнь в ЦЕРНе;
–– сформулировал и развил физико-технические основы статической и адаптивной охлаждаемой силовой оптики, сформулировал критерии разрушения зеркальных поверхностей в случае непрерывного, импульсного и импульсно-периодического режимов воздействия. Совместно с рядом предприятий оборонного комплекса им созданы мощные лазерные установки МВт-ного уровня;
–– предложил транспортировку носителей заряда с целью динамического профилирования электрического поля в разрядном промежутке и формирования устойчивых разрядов в промежутках до одного метра и в объемах до нескольких кубических метров, создал высокоэффективные импульсные лазерные системы;
–– провел исследования лазерной молниезащиты ценных объектов с помощью высокопроводящего искрового канала, создаваемого лазерным излучением;
–– разработал физико-технические принципы построения мощных полупроводниковых охлаждаемых матриц лазерных диодов и осуществил фазировку мощных лазерных диодов;
–– предложил, осуществил и исследовал высокочастотный импульсно-периодический режим в мощных лазерных системах, получил новый режим работы лазерного двигателя - резонансное сложение светодетонационных ударных волн;
–– предложил способ реализации сверхдлинных проводящих каналов для передачи энергии, а также обосновал использование предложенной технологии для борьбы с космическим мусором;
–– разработал физико-технические принципы и осуществил многократно воспроизводимый лазерный поджиг ракетного двигателя, работающего на экологически безопасном топливе;
–– исследовал физико-технические процессы лазерного устранения нефтяных загрязнений с поверхности воды, показал высокую эффективность разработанных методов для решения проблем экологии;
–– разработал физико-технические принципы построения высокочастотного моно-модульного дискового импульсно –– периодического лазера с параметрами, масштабируемыми до уровня в несколько десятков МВт.
Виктор Аполлонов является организатором международных конференций, членом организационных комитетов ведущих мировых симпозиумов в области мощных лазеров и их применений. Им подготовлено 32 кандидата и доктора физико-математических наук.
Высокочастотные И-П дисковые лазеры: преимущества и перспективы
Уже давно стало привычным, что как только новые технологии появляются на Божий свет, потенциальные пользователи и эксперты задаются вопросом, заменит ли это новое старые испытанные и хорошо отработанные подходы к решению известных проблем. Когда мы оглядываемся назад во времена, близкие к дате рождения лазера, становится ясно, что каждая новая и более совершенная технология, как правило, вытесняет существовавшие ранее и уже хорошо испытанные технологии. Тем не менее более дифференцированная и взвешенная оценка многочисленных инноваций в области лазеров показывает, что не существует такого явления, как идеальная разработка, идеальный лазер. Всегда остается место для совершенствования, для дальнейшего развития. Нельзя исключать, что в ближайшем будущем лазер с дисковой геометрией активной среды станет доминирующей технологией. Однако, несмотря на это, еще долго будет продолжаться совершенствование существующего ряда лазерных технологий с незначительными исключениями. Исходя из этих соображений, мы должны и дальше развивать большинство видов лазеров, каждый раз четко оговаривая их бесспорную технологическую нишу и хорошо понимая где и в чем заключаются их родимые пятна.
Высокая эффективность и отличное качество излучения дисковых лазеров, позволяют говорить об их широком применении в современной науке и промышленности для весьма значительного круга задач, включающих обработку поверхности диэлектрических материалов в микроэлектронике, резку, сверление, сварку, полировку и чистку поверхности, и прочие технологические операции с твердыми и композитными материалами. Импульсно-периодические (И-П) дисковые лазеры с модуляцией добротности и лазерные системы с синхронизацией мод и высокой средней мощностью обеспечивают оптимальные условия протекания процессов абляции (возгонки) материала. Ряд преимуществ высокочастотных И-П лазеров с короткой длительностью применительно к широкому спектру промышленных технологий положен в основу многих концепций современного использования дисковых лазеров. Высокая интенсивность излучения при незначительном проявлении эффекта тепловой линзы в центральной высоконагруженной зоне активной среды привела к снятию ограничений на яркость диодов накачки. Это позволило снизить стоимость лазерных источников, и при этом заметно повысить эффективность электрооптического преобразования, особенно в режиме высокой средней мощности. Варьирование мощности излучателя обеспечивается за счет масштабирования площади поперечного сечения генерируемого излучения. Следует заметить, что ее отношение к толщине активного материала в дисковой геометрии существенно больше отношения сечения типичных стержневых элементов активной среды к их длине в привычных твердотельных лазерных системах. Это устраняет проблемы, связанные с нелинейными искажениями геометрии активной среды, и позволяет реализовывать высокие значения как пиковых, так и средних мощностей лазерных источников в дисковой геометрии с неизменными параметрами излучения в дальней зоне.
Дисковые и волоконные лазеры
Совершенно очевидно, что каждый лазерный источник имеет свои сильные и слабые стороны. Качество луча современных лидеров твердотельных лазеров –– дисковых и волоконных лазеров –– довольно хорошее, а их эффективность чрезвычайно высока. Волоконный лазер имеет значительные преимущества при малых средней и пиковой мощностях излучения, в то время как дисковый лазер, наоборот, предпочтительнее использовать в диапазоне больших и очень больших мощностей.
Среди высокочастотных И-П источников когерентного излучения высокой средней и пиковой мощности сегодня и в будущем, несомненно, будут доминировать дисковые лазеры. Они дают наилучшее решение для значительного ряда промышленных применений в многокиловаттном диапазоне мощностей. Диск –– это простой и легко возбуждаемый элемент лазера, который позволяет без больших затрат генерировать очень хорошее по своим параметрам излучение. У него большой потенциал на будущее. Преимущество дискового лазера над его волоконным собратом уже хорошо заметно в киловаттном диапазоне мощностей. При большой излучающей поверхности дискового лазера плотность мощности для него не критична даже при высоких значениях пиковой мощности. А у волоконного лазера повышение пиковой мощности негативно влияет на эксплуатационную надежность резонатора. Основным недостатком волоконного лазера также является его высокая чувствительность к отраженному лучу, который часто возникает в лазере при взаимодействии генерируемого излучения с веществом. Если на резонатор волоконного лазера воздействует отраженное от мишени излучение, то его нужно мгновенно выключить, чтобы сохранить резонатор.
В то же время резонатор дискового лазера нечувствителен к попаданию отраженных лучей. Даже в случае материалов, обладающих высокой отражающей способностью, можно проводить технологические операции без риска того, что может возникнуть необходимость аварийной остановки лазера. Еще одним преимуществом киловаттного уровня мощности дискового лазера является его модульная конструкция. Она позволяет заменять отдельные модули лазера для сервисного обслуживания, гарантируя тем самым, что в случае нарушения нормальной работы лазера время простоя, так же как и стоимость ремонтных работ, будут минимальны. Однако, для волоконного лазера, напротив, из-за моноблочной конструкции резонатора нельзя быстро заменить вышедший из строя модуль без трудоемкой переделки всей системы в целом. В то же время применение волоконного лазера дает определенные технологические преимущества, главным образом в диапазоне мощности до нескольких сотен ватт. Такой лазер хорошо подходит для микрообработки поверхностей диэлектрических и композитных материалов. Однако только дисковый лазер обладает высоким потенциалом в случае высоких пиковых мощностей, т.е. тогда, когда нужно обеспечить последовательность коротких импульсов с максимально высокой пиковой мощностью. Для типичной конструкции дискового лазера, в отличие от волоконного лазера, плотность мощности внутри резонатора остается значительно ниже критического порога разрушения активной среды лазера и поверхностей вспомогательных оптических элементов, даже при высокой пиковой мощности. По этой причине дисковый лазер позволяет, в том числе, и лучше использовать лазерную среду в целом и значительно повысить эффективность лазерного воздействия.
Таким образом, твердотельные дисковые лазеры с диодной накачкой в перспективе будут играть все более возрастающую роль. Лазерные диодные структуры являются центральными элементами многих новых типов лазеров. Сегодня решающим фактором становится приобретение необходимого опыта в наиболее эффективном конструировании новых лазерных систем. Полупроводниковые технологии и технологии применения лазерного оборудования на новых физических принципах становятся ключевыми технологиями современности. На протяжении многих лет в мире накапливался опыт, необходимый сегодня в данной области знания. Задача заключается в обеспечении технологического совершенства в вопросе применения лазерных систем не только сегодня, но и в будущем.
Конструкция и физические основы работы дискового лазера
Одним из наиболее перспективных видов твердотельных лазеров, несомненно, является дисковый лазер. Принцип работы дискового лазера основан на использовании охлаждаемого активного элемента в форме диска. Высокая эффективность охлаждения лазерной среды обеспечивается за счет большой площади поверхности диска, что важно с точки зрения процесса теплообмена. Поэтому средняя мощность излучения в пучке может достигать достаточно высоких значений. Важно отметить, что за счет эффективного теплопереноса в пределах площади диска не возникает эффекта тепловой линзы, характерного для стержневой и слэбовой (оптическая плита) геометрий активного элемента. В этом случае охлаждение осуществляется через боковую поверхность активного элемента, через нее распространяется двухмерный поток тепла, формирующий параболический профиль температурного искажения. Зависимость показателя преломления от температуры в этом случае приводит к возникновению сильного эффекта тепловой линзы. Такая линза ухудшает направленность выходящего потока излучения и существенно ограничивает эффективность его воздействия. Тонкий диск, напротив, охлаждается через тонкую контактную зону с его обратной стороны, при этом генерируется одномерный осевой поток тепла. Как следствие, температурный градиент распределяется параллельно лазерному лучу, что не приводит к появлению эффекта тепловой линзы. На практике тонкий лазерный элемент в дисковых лазерах с высокой мощностью либо соединен с теплоотводящим кондуктивного типа холодильником, либо охлаждается за счет вынужденной конвекции.
В обоих случаях нежелательное воздействие эффекта тепловых линз устраняется оптимальной компоновкой элементов конструкции дискового лазера. Интегральная теплопередача от активного материала к теплоотводящему холодильнику непосредственно зависит от площади зоны накачки и геометрии теплопередающего контакта. При постоянной температуре активного лазерного элемента достигаемая средняя выходная мощность прямо пропорциональна площади зоны накачки и, соответственно, площади сечения лазерного луча на диске. Это является уникальной особенностью дисковых лазеров и позволяет менять плотность мощности при постоянной энергии луча на диске. Данное свойство особенно важно для многокиловаттных источников, потому что оно позволяет регулировать значение пиковой мощности генерируемого излучения, не изменяя при этом многие другие параметры, оказывающие влияние на работоспособность системы в целом.
На первый взгляд, определенную проблему создает выбор толщины диска, необходимой для эффективного отвода тепла, так как обычно применяемая схема предполагает низкую поглощательную способность активного вещества диска. Однако, схема накачки позволяет найти изящное решение этой проблемы. Процесс возбуждения в активном веществе диска можно представить в виде многоканальной оптической конфигурации, состоящей из параболического зеркала и системы отклонения излучения накачки. Параболическое зеркало фокусирует коллимированный пучок в резонатор лазера, содержащего активный элемент. После частичного поглощения излучения при прохождении тела диска часть энергии пучка отражается от расположенного на тыльной стороне диска зеркала, имеющего высокий коэффициент отражения. В результате многократного отклонения через призмы и параболическое зеркало получается в общей сложности до 20 итераций прохождения излучения через тело диска. Этим достигается высокая эффективность поглощения световой энергии пучка накачки. Оптическая схема таких резонаторов допускает не строгие ограничения яркости для источника накачки. Как правило, для накачки дискового лазера с высокой средней мощностью требуется пучок не высокого оптического качества. Именно поэтому допускается применение, как лазерных диодов, так и довольно сложных лазерных диодных структур с равномерным распределением интенсивности. С точки зрения практического использования лазерные диоды с равномерным распределением интенсивности более предпочтительны ввиду заметно меньших энергетических затрат, приходящихся на один ватт мощности накачки.
Для эффективной обработки материалов: резки, сверления, полирования и удаления тонкой пленки с поверхности различных материалов нужны лазерные импульсы с высокой пиковой мощностью и высокой частотой повторения. Типичная длительность импульса дискового лазера с модуляцией добротности на основе Yb YAG, находится в пределах одной микросекунды. Модуляция добротности осуществляется с помощью акустооптического модулятора. В зависимости от геометрии резонатора, возможна генерация импульсов с длительностью от нескольких сотен пикосекунд до микросекунды. Наилучшие результаты, достигнутые в области И-П дисковых лазеров, обладающих большой средней мощностью, на сегодня следующие: частотa повторения импульсов до 10 кГц, максимальная энергия импульса в пределах –– 100 мДж, пиковая мощность –– 200 кВт, средняя мощность в диапазоне 100-1000 Вт. Однако, существует ряд принципиальных физических ограничений дальнейшего масштабирования параметров дисковых лазеров, о которых мы будем говорить далее.
Законы масштабирования дискового лазера
Мощность дисковых лазеров ограничена не только мощностью накачки, но и перегревом среды, а также потерями на усиленное спонтанное излучение (УСИ) и фоновыми потерями излучения в резонаторе. Чтобы избежать перегрева, размер активной среды должен меняться в соответствии с законом масштабирования мощности. Тогда, чтобы избежать сильных потерь в связи с экспоненциальным ростом потерь на УСИ, усиление излучения, соответствующее поперечным проходам, не должно быть большим. Это требует снижения коэффициента усиления G.Усиление определяется отражательной способностью выходного зеркала и толщиной диска. Усиление излучения на проход туда и обратно, тем не менее, должно оставаться существенно большим по величине, чем потери излучения на проход по тому же оптическому пути. Разница между усилением и потерями на проход определяет оптическую энергию, которая выводится из резонатора лазера. Снижение коэффициента усиления при данном уровне потерь требует увеличения толщины диска. В этом случае, при некоторых критических размерах, диск становится оптически слишком толстым и не может быть накачан выше порога без перегрева. Некоторые особенности масштабирования могут быть показаны на простой модели. Пусть М есть интенсивность насыщения среды. Соответствующая оптимальная толщина диска может быть оценена как h~T/Mb. Соответствующие оптимальные поперечные размеры диска могут быть представлены в следующем виде D~T/Mb2, где Т есть параметр тепловой нагрузки. Грубо говоря, потери на проход туда и обратно должны масштабироваться обратно пропорционально кубическому корню из требуемой мощности: P~ nT2/Mb3
Дополнительным вопросом является вопрос эффективной доставки энергии накачки. В случаях с низким усилением однопроходное поглощение накачки также является низким. Отсюда следует, что эффективная утилизация энергии накачки весьма необходима для эффективной работы дискового лазера. Для масштабирования мощности излучения, среда должна быть оптически тонкой и при этом требуется большое количество проходов энергии накачки через среду, боковой подвод энергии накачки также может быть возможным решением проблемы эффективной накачки.
Чтобы уменьшить воздействие УСИ, была предложена оптическая крышка, состоящая из нелегированного материала на поверхности лазерного диска. Такая крышка позволяет спонтанно испускаемым фотонам выйти из активного слоя и препятствует их резонансу в объеме активного материала. Лучи не могут отражаться от поверхности, как в случае открытого диска. Это позволяет на порядок увеличить максимальную мощность, достигаемую дисковым лазером. Отражение УСИ от края диска должно быть также подавлено. Это можно сделать с помощью поглощающего слоя, расположенного на образующей цилиндра диска. В режиме генерации, близком к режиму максимальной мощности, значительная часть энергии уходит в УСИ, поэтому поглощающие слои также должны быть снабжены аккумулирующими тепло радиаторами. В случае максимальной плотности накачки дискового лазера его эффективность представляется довольно низкой, большая часть мощности накачки идет на УСИ, и поглощается по краям устройства. В этом случае распределение энергии накачки между несколькими дисками может значительно повысить производительность лазерной системы. Действительно, неоднократно сообщалось о лазерах, состоящих из нескольких модулей, содержащих дисковые элементы, объединенных в одном резонаторе. Один из таких лазеров, созданный компанией TRUMPF, являющейся мировым лидером в данном классе лазерных систем, представлен на рис.1
Рис.1. Лазер, состоящий из серии дисковых модулей в одном резонаторе
В квазинепрерывном режиме мощность может быть оценена путем масштабирования интенсивности насыщения с коэффициентом заполнения накачки, и умножением продолжительности накачки на частоту повторения импульсов. При умеренных значениях частоты повторения (например, более 1 Гц), максимальная энергия импульсов на выходе примерно обратно пропорциональна кубу фоновых потерь b; Нелегированная крышка может обеспечить дополнительный порядок величины для значения средней выходной мощности, при условии, что эта крышка не способствует увеличению фоновых потерь. На низкой частоте следования импульсов (в режиме одиночных импульсов) и достаточной мощности накачки, нет общего ограничения энергии, но необходимый размер устройства быстро растет с увеличением необходимой энергии импульса, устанавливая практический предел энергии. В соответствие с оценками, от нескольких джоулей до нескольких тысяч джоулей может быть извлечено в оптическом импульсе от одного активного элемента, в зависимости от уровня внутренних потерь сигнала в диске.
Дисковый лазер, так же как и волоконный, характеризуется большим отношением площади охлаждаемой поверхности к коэффициенту усиления лазера. Однако, эти две разные концепции устройства лазера отличаются значениями достижимой пиковой мощности. Качество луча волоконных лазеров определяется свойствами волноводов, разностью показателей преломления между сердцевиной и оболочкой, а также величиной внутреннего диаметра волокна, передающего излучение. С другой стороны, качество луча дискового лазера зависит от конструкции резонатора. Увеличивая размер зоны оптической накачки (ее диаметр, как правило, составляет несколько миллиметров) при постоянной оптической плотности мощности на поверхности диска, осуществляют масштабирование выходной мощности. Регулировка резонатора тоже обладает подобными возможностями. Фазовая автомодуляция определяет типичный предел нелинейного усиления ультракоротких импульсов. Она приводит к расширению спектральной линии пропорционально отношению эффективной величины оптического хода внутри материала с нелинейными характеристиками к эффективной площади сечения пучка, умноженной на квадрат длительности импульса. Электрооптический переключатель в регенеративном усилителе дискового лазера вносит существенный вклад в нелинейные характеристики процесса усиления, больший, чем вклад собственно диска. Нужно подчеркнуть, что значения пиковой мощности, сегодня достигаемые в одиночных дисковых модулях, существенно уступают значениям, получаемым в стержневых и слэбовых твердотельных лазерных системах. Однако и уровень средней мощности, генерируемый одиночным дисковым модулем, также оставляет желать много большего
Регенеративное усиление импульсов
В настоящее время в научно-технических исследованиях и технологических процессах, использующих лазеры cбольшой средней мощностью, нашли применение, по существу, только источники, работающие в двух режимах –– непрерывном и И-П с частотой повторения импульсов от единиц до сотен Гц и длительностью импульсов в пределах десятков микросекунд –– единиц миллисекунд. При этом в большинстве технологических процессов, в основном, реализуется чисто тепловой механизм воздействия, т. к. используется возможность лазерного источника подвести достаточно большое количество энергии к малой площади поверхности обрабатываемой детали. Высокочастотные лазерные системы с большой средней мощностью, работающие в режиме модуляции добротности, который обеспечивает длительности импульсов в периодической последовательности от единиц до сотен наносекунд, позволяют реализовать принципиально другой механизм взаимодействия излучения с веществом –– абляцию, обеспечивающую локальность выделения энергии не только в пространстве, но и во времени. При этом происходит взрывное локальное испарение вещества без промежуточной жидкой фазы. Такой механизм может существенно расширить область технологических применений лазерных источников. Он сегодня нашел реальное применение на практике только при незначительном уровне выходной мощности в пределах 1000 Вт. Однако, возникает резонный вопрос, почему до сих пор не представлено на международном лазерном рынке мощных И-П высокочастотных лазеров. Ответ прост, сложность их изготовления заключается в невозможности применения классических методов модуляции к лазерным системам с большой средней и пиковой мощностью. В то же время весьма ясно, что создание мощных (>1кВт) высокочастотных И-П лазеров с частотами до 100 кГц и более с пиковой мощностью, превышающей среднюю на два-три порядка величины позволило бы значительно расширить область применения лазерных источников, увеличить эффективность их использования, реализовать качественно новые эффекты.
Одно из успешно развиваемых направлений в реализации новых методов высокочастотной модуляции излучения мощных лазерных источников связано с регенеративным усилением слабого сигнала, инжектируемого в резонатор мощного газового или твердотельного лазера с классической стержневой геометрией. Применение же внутрирезонаторных модуляторов в мощных лазерных системах затруднено, т.к. большая плотность мощности внутри резонатора приводит к возникновению плазмы на поверхностях элементов модулятора, к экранировке излучения и к разрушению оптических элементов модулятора. Перспективным представляется метод создания И-П режима генерации в мощных лазерах, основанный на использовании самофильтрующего резонатора. Такой резонатор представляет собой конфокальный резонатор, состоящий из двух софокусных сферических зеркал разной кривизны, в общей фокальной плоскости которых расположено кольцевое выводное зеркало с отверстием связи. Из-за высокой степени дискриминации высших мод по потерям в резонаторе надежно выделяется низшая мода. Сферическое зеркало резонатора находится вне активной среды и содержит блок модуляции, собранный на основе сферических зеркал. Формирование лазерной моды должно происходить достаточно быстро за время нарастания фронта гигантского импульса. Задача лазерной микрообработки, как правило, включает резку, сверление, чистку поверхности и полировку, а также удаление тонких слоев за счет абляции материала. В целях микрообработки используются лазеры с различной длительностью импульса. Геометрия луча и частота повторения импульсов играют решающую роль, обычно длительность импульса не превышает нескольких десятков наносекунд и в некоторых случаях доходит до нескольких сотен пикосекунд. Технология дискового лазера обеспечивает превосходную гибкость в масштабировании выходной мощности, сочетая ее с высокой энергией импульса и превосходным качеством луча.
Перспективы масштабирования мощности дисковых лазеров
Как уже говорилось выше, конструкция дискового лазера идеально подходит для сварки и резки металлов, где необходимо высокое оптическое качество луча, генерирующего непрерывную и достаточно высокую мощность. Это важно для таких отраслей, как автомобилестроение, транспорт, аэрокосмическая и тяжелое машиностроение. Однако, конструкция дискового лазера еще более подходит для целого ряда новых технологий, которые в настоящее время востребованы жизнью. На сегодня лазер мощностью до 16 кВт при качестве пучка >2 мм • мрад, созданный компанией TRUMPF, представляется безусловным лидером в данном классе лазерных систем. Непрерывные твердотельные дисковые лазеры с диодной накачкой отличаются высокой эффективностью. Качества пучка лазерного диска является выдающимся, что позволяет работать с объектом воздействия с больших расстояний, обеспечивая при этом экстремально высокую концентрацию излучения в зоне взаимодействия при использовании фокусирующей оптики. В данной конструкции лазерного модуля размер диска составляет не более 4-5 мм, т. к. при больших размерах потери энергии на усиление спонтанного излучения возрастают с абсолютно неприемлемым темпом. Представленная выше лазерная система состоит из набора дисковых модулей, находящихся в едином резонаторе. Данная геометрия лазерной системы позволяет реализовывать И-П режим с довольно высокой пиковой мощностью, но средняя мощность при этом оказывается в пределах киловатта. Параллельная работа дисковых лазеров может привести к увеличению пиковой мощности системы, но фазировка дисковых каналов в И-П режиме требует дополнительных научных изысканий. Дальнейшее наращивание мощности до мегаваттного уровня как средней, так и пиковой мощностей в обеих геометриях представляется весьма проблематичным.
В то же время, известен другой подход к реализации масштабируемых твердотельных лазерных систем, который заключается в наборе активных элементов в виде «слэбов» с последующей фазировкой генерируемого ими лазерного излучения. Компанией Northrop Grumman Corp. создан лазер мощностью >100кВт с высоким качеством лазерного пучка, равным 1.5 дифракционного предела (усредненная величина) при времени экспозиции не менее 300 секунд, эффективность лазера –– 30%. Авторами проекта указывается на возможность легкой замены отдельных лазерных каналов в случае их выхода из строя, говорится о преимуществах данной параллельной структуры усилительных каналов в плане легкости дальнейшего наращивания выходной мощности, если это необходимо. 100 кВт-ный лазер, собранный по приведенной в статье схеме, обеспечивает расходимость на уровне двух дифракционных пределов oт общей (составной) апертуры. Из общих физических соображений можно считать, что при данном уровне мощности и разумной величине лучевой прочности оптических элементов может быть достигнута расходимость лазерного излучения на уровне 2 x10-5 рад для непрерывного режима генерации и 0,6 x10-5 рад для И-П режима. Дальнейшее увеличение числа каналов до уровня выходной мощности в 1 Мвт. потребует когерентного сложения мощности по крайней мере 80 каналов, что представляется весьма проблематичным.
Возникает вопрос, каким образом средняя мощность в несколько МВт может быть достигнута на основе твердотельных лазеров. А именно такая мощность требуется для решения многих задач, связанных с удалением космического мусора из околоземного пространства, с лазерным запуском ракет, с созданием проводящих каналов большой дальности и тому подобного. Волоконные лазеры для этих целей не применимы в силу малости площади выходного зрачка волокна и, следовательно, невозможности работы таких лазеров в высокочастотном И-П режиме с большой пиковой мощностью при средней мощности в несколько МВт. Лазерная система на основе «слэбов» также представляется малореализуемой, т.к. юстировка такой системы и поддержание ее в надежном рабочем состоянии сопоставимы со сложностью работы с многоэлементной системой по УТС в Ливерморе (Калифорния, США). Исходя из выше сказанного, ответ достаточно ясен –– таким лазером может и должен быть только дисковый лазер!!!
Это связано с непререкаемыми преимуществами дисковой геометрии в плане минимальности термической линзы в активном веществе и высокой лучевой стойкости диска в условиях И-П режима в силу большой площади оптической поверхности для вывода излучения. Но для этого необходимо найти решение вопроса, связанного с подавлением усиленного спонтанного излучения вдоль диаметра диска. А размер диска при мегаваттном уровне средней мощности выходного излучения составит не менее 50 см. т. е., по крайней мере, в десять раз больше размера диска, используемого сегодня в существующих системах. Излучение такой лазерной системы, полученное при генерации в активном веществе единого диска, не требует дополнительных усилий по фазировке. В то же время такой лазер в едином модуле очень хорошо будет сочетаться с телескопом большого диаметра для обеспечения концентрации высокой пиковой мощности лазерного импульса на фрагментах космического мусора. Известно, что с момента предложения дисковой геометрии лазера прошло 26 лет, Однако до сего дня решение проблемы подавления УСИ при увеличении поперечных размеров активного вещества в дисковой геометрии не найдено! Таким образом, все еще открыта перспектива создания суперлазера для нового класса современных задач!
Заключение
Только будущее покажет, какой тип лазера будет эффективно использоваться для обработки материалов и решения других важных задач, стоящих перед наукой и технологическими прорывами будущего. Тем не менее, уже сегодня можно утверждать, что создание мегаваттного класса высокочастотных И-П лазеров с большим поперечным сечением активной среды откроет большие перспективы их применения в решении различных задач –– лазерного запуска малых космических аппаратов, создания сверхдлинных проводящих каналов в космосе и атмосфере, очистки окружающего землю пространства от космического мусора.
Фото Валерия ЛОМОВА.
Виктор Аполлонов в «ЭкоГраде»
Борьба с космическим мусором с помощью лазеров
Многозарядные ионы и их эффективные применения
Лазер на службе в ледокольном флоте
Силовая оптика и ее новые проявления
Лазерное лечение острых форм туберкулеза
Какой режим работы лазера является максимально эффективным?
