Все новости

Элегаз и гелий подняли эффективность лазера на азоте

До сих пор КПД таких систем оставался неприемлемо низким.

Исследователи из Института сильноточной электроники Сибирского отделения РАН, Томского государственного университета, Томского политехнического университета и Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники разработали новую модель для изучения накачки азотной рабочей среды для лазеров с наносекундными импульсами. Согласно ей, при особо тонких электродах и специфическом способе накачки подобные лазеры могут работать с широким по составу спектром рабочих сред, в которых кроме азота будут и примеси других газов. Соответствующая статья опубликована в Optics Communications.

Газовые лазеры с различными рабочими средами продолжают оставаться весьма интересной темой для научных групп по всему миру, так как спектр излучения разных газовых сред может сильно отличаться от других лазеров, что позволяет эффективнее использовать их для абляции или обработки поверхностей различных материалов. В теории газовые лазеры позволяют сравнительно легко менять длину излучаемой волны за счет небольшого изменения химического состава рабочей среды. Но на деле все куда сложнее: обычно изменение ее состава ведет к тому, что прежние методы накачки не могут эффективно работать. Например, для молекулярного азота большинство схем накачки дает слишком низкий КПД. Однако в ряде публикаций последних лет было заявлено о достижении КПД вплоть до одного процента. При этом азот крайне дешевая рабочая среда для лазеров, и подобная эффективность сделала бы их широко применимыми в самых разных отраслях промышленности.

Авторы новой работы провели моделирование процесса накачки азотной рабочей среды лазера при помощи быстрого диффузного разряда. Его формируют так называемые убегающие электроны, вырабатываемые в зазорах между длинными электродами, сделанными на базе фрагментов стальных лезвий.

На основании моделирования выяснилось, что оптимальным методом накачки для азотной среды будет использование убегающих электронов, поступающих в газовую среду с длинных и тонких электродов. Максимальная эффективность для азотных лазеров достигается при добавлении в азот сравнительно дешевого и химически стабильного элегаза — в этом случае КПД азотного лазера можно поднять до 0,2 процента. При этом излучение подобного газового лазера будет иметь два пика — в районе длин волн в 337 и 357 нанометров (ультрафиолетовый диапазон). Добавление в газовую смесь гелия дополнительно повышает КПД до 0,23 процента, при этом в зависимости от концентрации гелия пики ультрафиолетового излучения лазера также слегка смещаются в область чуть более коротких длин волн. Заявленные в ряде более ранних экспериментальных работ уровни КПД до 1,0 процента в модели подтверждения не нашли.

Эксперименты, проведенные авторами, показали корректность их модели: КПД в них было получено соответствующее расчетам, а максимальную эффективность действительно показали электроды из лезвий, работающие в смеси азота с элегазом и гелием. Достичь указанных выше результатов КПД в один процент в экспериментах также не удалось — по всей видимости, более ранние работы не являются воспроизводимыми.