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!