Многокаскадные и многоканальные системы

Значительный прогресс в создании мощных импульсных лазеров связан с использованием столь удачного материала, как неодимовое стекло. Здесь излучателями служат включенные в стеклянную структуру ионы неодима Nd (один из лантанидов, 60-й элемент таблицы Менделеева), их в стекло вводится несколько процентов. Под действием накачки ионы неодима переходят на один из высоких энергетических уровней, а затем сами спускаются на некоторый метастабильный уровень, где могут находиться сравнительно долго, примерно 300 мкс. Это позволяет накапливать на метастабильном уровне довольно большое число ионов, а затем «высвечивать» их энергию в коротком импульсе. Излучение происходит на волне 1,06 мкм = 1060 нм = 10 600 Å, то есть в инфракрасном диапазоне самое длинноволновое видимое излучение — это красный свет с длиной волны примерно 750 нм (7500Å).

При хорошей накачке в неодимовом стержне удается получить плотность энергии 0,5 Дж/см3, то есть в каждом кубическом сантиметре накопить 0,5 Дж, рассредоточенных в огромном числе возбужденных ионов неодима. Здесь, казалось бы, виден простой путь повышения средней мощности — нужно просто увеличить число работающих ионов, то есть увеличить объем рабочего тела, и тогда общая накопившаяся в нем энергия возрастет. Именно так и поступают, но только разделяют в пространстве процесс генерирования лазерного излучения и повышения его мощности — установки делают многоступенчатыми, многокаскадными.

Первый каскад — это сам лазер-генератор, в котором формируется световой импульс. От него не требуется большой мощности — генератор должен выдать короткий импульс, а увеличение мощности произойдет в следующих каскадах, в лазерах-усилителях. Для усилителя световой импульс лазера-генератора — это и сигнал к действию, и образец, по которому нужно создать более мощный световой импульс. Излучение света ионами неодима происходит не самопроизвольно, а под действием светового импульса, поступающего от лазера-генератора. Усилитель в принципе устроен так же, как генератор, но в нем нет резонатора, то есть, нет зеркал.

Большой средней мощности от неодимового лазера не получить — стекло плохо проводит и отдает тепло. Что же касается импульсной мощности, то она ограничивается нелинейными процессами, такими, например, как самофокусировка, которая приводит к разрушению стекла в сильном световом поле. Чтобы неодимовый стержень отдал всю мощность, которую в нем можно накопить, по этому стержню должен идти поток световой энергии 6 Дж/см2. Но, к сожалению, такая энергетическая нагрузка для неодимового стекла недопустима — уже поток 1—2 Дж/см1 приводит к повреждению оптических элементов. А поток мощностью в 5 ГВт/см2, который при длительности импульса 0,1 нс сопровождается потоком энергии всего 0,5 Дж/см2, приводит к самофокусировке луча в резонаторе — из-за неравномерного изменения оптических свойств стекло искривляет лучи, искажает волновой фронт, концентрирует излучение до такой степени, что само же и разрушается. Чтобы увеличить поток энергии, не превышая допустимую ее плотность, то есть, не превышая терпимое еще число джоулей, которое приходится на каждый квадратный сантиметр сечения стержня, стараются сделать это сечение как можно больше. Таким образом, неодимовый стержень лазера-усилителя превращается в диск, его располагают под определенным углом и накачку производят через плоскости диска.

Типичный дисковый усилитель повышает мощность излучения в 3—4 раза, а наибольшая выходная мощность всей усилительной системы определяется размерами последнего диска — его диаметр обычно не превышает 30 см, а наибольшая выходная энергия составляет 1—2 кДж при длительности импульса 0,1 нс. Увеличение диаметра диска, а вместе с ним излучаемой мощности тоже ограничено несколькими сложными процессами, в частности возникновением самопроизвольной паразитной генерации.

Много трудностей связано также с многокаскадностью усилителей, и поэтому, стремясь к очень большой мощности, создают не только многокаскадные, но еще и многоканальные лазерные системы. В них несколько многокаскадных усилителей, получающих первичный импульс от общего генератора, работают параллельно, а затем с помощью оптических приборов — зеркал, призм, объективов — все эти параллельные каналы складывают свои излучения на общей мишени. Примером такой многоканальной установки может служить «Дельфин», созданный в Физическом институте Академии наук имени П. Н. Лебедева в лаборатории академика Н. Г. Басова. В «Дельфине» 216 параллельных многокаскадных усилительных каналов по 50 Дж, суммарная энергия лазерного излучения — около 10 кДж, что при длительности импульса 1 не дает мощность в импульсе 10 миллиардов кВт, то есть 10 ТВт (тераватт). В Ливерморской лаборатории имени Лоуренса в США была создана двенадцатиканальная установка «Шива» (стоившая, кстати, 20 миллионов долларов), каждый дисковый усилитель которой дает излучение с энергией 1 кДж в импульсе.

Другое вещество для рабочего тела мощных лазеров, сегодня, может быть, даже самое удачное, это углекислый газ, точнее, его смесь с азотом и гелием. В углекислотных, или, иначе, СО2-лазерах, основной излучатель — это молекула СО2, она в столкновениях получает энергию от молекулы азота N2, а он легко приобретает энергию в процессе накачки. Одно из важных достоинств углекислотного лазера — его универсальность, здесь характеристики самих процессов накопления энергии и излучения позволяют работать и в импульсном, и в импульсно-периодическом, и в непрерывном режимах. Во всех случаях СО2-лазер генерирует инфракрасные лучи на волне порядка 10 600 нм, что примерно в 15 раз длиннее волны, соответствующей красному свету.

Основной источник накачки в углекислотном лазере — электрический ток, а конкретно — тлеющий разряд в самом газе, в процессе которого молекулы N2 получают энергию от движущихся электронов.

Помимо чисто физических проблем, связанных с тонкими молекулярными механизмами излучения и накачки, создатели мощных лазеров сталкиваются еще и с непростыми инженерными задачами. Одна из них — снижение температуры активного вещества в резонаторе. В частности, СО2-лазеры имеют сравнительно высокий кпд, примерно 10%, но даже при этом на каждый киловатт излучаемой средней мощности приходится 9 киловатт мощности теряемой, выделяющейся в газе в основном в виде тепла. А сильный нагрев газовой смеси снижает усиление, нарушает оптическую однородность газа, наконец, просто производит разрушения — разваливает молекулы активного вещества, разрушает кювету, в которой находится газ.

Одно из ограничений мощности — пробой газовой смеси самим инфракрасным излучением, он происходит при плотности лазерного потока в резонаторе 10 Дж/см2. Но реальный допустимый порог плотности еще ниже. Уже при потоках 3 Дж/см2 повреждаются элементы инфракрасной оптики и при еще меньшей энергии возникают сложные явления, нарушающие когерентность излучения. В первых углекислотных лазерах использовался продольный разряд — высокое напряжение действовало вдоль трубы с газом, а мощность наращивали, увеличивая длину труб, создавая очень длинные, многометровые резонаторы. В итоге удавалось получать мощности порядка киловатта непрерывного излучения, один из первых мощных киловаттных СО2-лазеров был построен в Физическом институте имени П. Н. Лебедева в лаборатории академика А. М. Прохорова. Полезно вспомнить, что первые непрерывные гелий-неоновые лазеры имели мощности в несколько милливатт и какое-то время казалось, что милливаттами, в лучшем случае ваттами дело и ограничится.

Заметное продвижение вперед по шкале мощности лазерного излучения связано с идеей быстрой прокачки газа. Слово это созвучно «накачке», но ничего общего с ней не имеет — углекислый газ прокачивают, прогоняют через резонатор и создают, таким образом, интенсивную циркуляцию газа, обеспечивая последующее его охлаждение в теплообменниках. Прокачку производят не вдоль резонатора, а поперек, и электрический разряд тоже создают не продольный, а поперечный. Интересное направление в части накачки газовых лазеров открыли работы лаборатории академика Н. Г. Басова. Чтобы получить равномерное возбуждение плотного газа, при давлении вплоть до 25 атмосфер, на него извне воздействуют пучком быстрых электронов. Так родилось семейство лазеров с несамостоятельным разрядом. Примером современного мощного СО2 лазера с непрерывным излучением может служить установка ЛТ-1, созданная в Институте атомной энергии имени И. В. Курчатова в лаборатории академика Е. П. Велихова. В ней осуществляется поперечная циркуляция смеси СО2: N2: Не, в которую эти составляющие входят в пропорции 1:20:20. Через теплообменник ежесекундно проходит 2—3 кубометра газа, от которого отбирается 50 кВт тепловой мощности. Предварительные исследования позволили применить сравнительно маломощный источник внешней ионизации газа и, не повышая его давления, создать непрерывное лазерное излучение мощностью 5 киловатт.

В числе самых мощных источников непрерывного когерентного излучения — газодинамические лазеры. Эти приборы не имеют аналогов в квантовой электронике, в них когерентное излучение рождается непосредственно из тепловой энергии. В одном из вариантов газодинамического лазера сильно нагретая смесь азота, углекислого газа и паров воды N2: СО2: Н2О под высоким давлением входит в расширяющееся сопло. На выходе поток газа достигает сверхзвуковых скоростей, его температура и давление резко падают. При этом энергия хаотического движения молекул переходит в энергию упорядоченного движения газового потока. Только молекулы азота N2, обладающие большой инерцией собственных колебательных движений, оказываются хранителями заметных энергетических запасов. Эти запасы с большой эффективностью передаются молекулам углекислого газа CO2, которые, попадая в пространство между двумя зеркалами, то есть попадая в оптический резонатор, генерируют инфракрасное излучение с обычной для СО2 длиной волны—10600 нм. Газовая смесь, отдавшая свою энергию лазерному лучу, сама уходит из резонатора, на смену ей приходят другие порции газа, и таким образом нет проблемы перегрева, хотя и расход газа велик. Созданы и описаны в литературе газодинамические лазеры с мощностью непрерывного излучения до 100 кВт, их кпд 1 — 2%, расход газа — 1 кг на 10—20 кДж, энергии излучения. Обсуждается идея фотонной машины, в которой газ, выбрасываемый газодинамическим лазером, будет поступать в компрессор и из него вновь возвращаться к началу расширительного сопла. Во многих лабораториях разрабатываются химико-газодинамические и электрогазодинамические лазеры, где для накопления энергии и формирования исходного газового потока используются электрические или химические процессы.

Интересный способ накачки газового лазера был продемонстрирован в лаборатории академика Е. П. Велихова и двух американских лабораториях — накачка углекислотного лазера осуществлялась нейтронами прямо от ядерного реактора. При этом гелий, который входил в газовую смесь, под действием нейтронной бомбардировки превращался в тритий, выбрасывая протон, и именно энергией протонов производилась накачка молекул газовой смеси. Рассматриваются другие возможности использования ядерной энергии для создания лазерного излучения, вплоть до введения излучающих элементов непосредственно в реактор. В этом случае появляется возможность создания замкнутой системы реактор—лазер, в которой будет происходить прямое, без посредников, преобразование ядерной энергии в когерентное световое излучение высокой мощности. Такой реактор-лазер мог бы стать важным элементом энергетики будущего. В частности, работая на космической орбите, он мог бы передавать энергию на Землю в виде мощного лазерного луча.

ГЛАВА 2. ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРОВ