В.В. Аполлонов, д-р физ.-мат. наук, профессор Институт общей физики им. А. М. Прохорова РАН
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. При этом вероятно, что в ближайшем будущем именно лазер с дисковой геометрией активной среды станет доминирующей технологией.
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 и многое другое. 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 (возгонка) 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 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 нелиней-ными искажениями геометрии активной среды, и позволяет реализовывать высокие значения как пиковых, так и средних мощ-ностей лазерных источников в дисковой геометрии с неизменными параметрами излучения в дальней зоне.
* * *
Очевидно, что каждый лазерный источник имеет свои сильные и слабые стороны. Современные лидеры среди твердотельных лазеров — дисковые и волоконные. При этом волоконный лазер имеет значительные преимущества при малых средней и пиковой мощностях излучения, в то время как дисковый предпочтительнее использовать в диапазоне больших и очень больших мощностей.
Дисковые лазеры дают наилучшее решение для значительного ряда промышленных применений в многокиловаттном диапазоне мощностей. Диск — 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 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 для сервисного обслуживания, гарантируя тем самым, что время простоя и стоимость ремонтных работ будут минимальны.
Для волоконного лазера, напротив, из-за моноблочной конструкции резонатора нельзя быстро заменить вышедший из строя модуль без трудоемкой переделки всей системы. 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.
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.
* * *
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.
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 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 поглощающую 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 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 УЬ: УАС 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: частота 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.
* * *
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. Чтобы потери на УСИ, усиление излучения, соответствующее поперечным проходам, не должно быть большим. 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.
Существенен также вопрос эффективной доставки энергии накачки. Для масштабирования мощности излучения, среда должна быть оптически тонкой и при этом требуется большое количество проходов энергии накачки через среду, боковой подвод энергии 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 ТРЛМРР, являющейся мировым лидером в данном классе, представлен на рис. 1.
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
В настоящее время в научно-технических исследованиях и технологических процессах использующих лазеры с большой 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 1000Вт. 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 ЮОкГц 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. Это 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.
* * *
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 ТКПМРР, представляется безусловным лидером в данном классе лазерных систем. 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 «Нортроп Грумман» создан лазер мощностью >100кВт с высоким качеством лазерного пучка, равным 1.5 дифракционного предела (усредненная величина) при времени экспозиции не менее ЗООсекунд. Эффективность лазера-30% . Авторы проекта указывают 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. 100кВт лазер собранный по приведенной в статье схеме обеспечивает расходимость на уровне двух дифракционных пределов от 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 х 10-5 рад для непрерывного режима генерации и 0,6 х 10-5 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. Ведь 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 — сверхсложная задача. Исходя из выше сказанного, ясно, что таким лазером может и должен быть только дисковый лазер!
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!
Be the first to comment on "ДИСКОВЫЕ ЛАЗЕРЫ: ПРЕИМУЩЕСТВА И ПЕРСПЕКТИВЫ"