Przedstawiona metoda momentu drugiego rzędu, w celu określenia jakości wiązki laserowej, tylko częściowo spełnia oczekiwania producentów i użytkowników sprzętu laserowego [3.16]:
¾ metoda zawodzi dla wiązek, których rozkład poprzeczny ma strome zbocza (duży moment <θ 2 > pola dalekiego), jak w przypadku modów supergaussowskich;
¾ nie odpowiada na pytanie, jaka wartość mocy promieniowania jest zawarta w szerokości wiązki danej przez moment drugiego rzędu < x2 > (ważny parametr w zastosowaniach technologicznych lasera i transmisji światłowodowej); stąd wynika przyjęte przez ISO (International Organization for Standardization) wymaganie podania przez producenta wartości mocy w 86,5% zmierzonej i obliczonej wartości szerokości wiązki;
¾ uzyskanie informacji o granicznych obszarach rozkładu wymaga rozpatrzenia modów wyższego rzędu;
46
Należy podkreślić, że parametr M2 odnosi się tylko do wiązek bardzo bliskich gaussowskiej. Dla wiązek bardzo odbiegających w swoim profilu od gaussowskiej (jak profile (b) i (c) z rys. 3.4), wprowadzony parametr może być iluzoryczną miarą jakości wiązki i tylko nic nie znaczącą liczbą. Praktycznie parametr ma sens dla war-tości M2 ≤ 2, dlatego podjęto próby wprowadzenia parametru uzupełniającego – pa-rametru jaskrawości Br [3.4] 2 2 2 y xM M P Br λ π = , (3.15) gdzie: P – moc w wiązce,
λ – długość promieniowanej fali,
2
x
M , M2y – odpowiednio parametr jakości na kierunku osi x i y.
Wnioskiem z powyższych rozważań jest to, że dopiero podanie przez producenta wszystkich trzech wymienionych wartości:
¾ wartości parametru M2,
¾ wartości mocy w 86,5% zmierzonej i obliczonej wartości szerokości wiązki (wymaganie ISO),
¾ wartości parametru jaskrawości Br może dać rzetelny opis jakości wiązki laserowej.
Omówiono między innymi struktury laserów falowodowych o pojedynczym kanale, z ma-cierzą falowodów jedno- i dwuwymiarową oraz z falowodami płaskimi. Opracowaniem włas- nym autora jest weryfikacja eksperymentalna takich struktur (zaprojektowanie i uruchomienie) [2.36].
Systemy laserowe dużej mocy wymagają chłodzenia ośrodka aktywnego. W ga-zowych laserach zamkniętych, bez przetaczania gazu roboczego, chłodzenie zwykle odbywa się przez konwekcję do ścianek zamykających ośrodek aktywny. Nie jest to sposób efektywny, zwłaszcza gdy ośrodek aktywny lasera jest uformowany w kształt tubusu. Do osiągnięcia mocy wyjściowej lasera pracy ciągłej rzędu kilowatów, nie-zbędnej w wielu zastosowaniach technologicznych, konieczne jest stosowanie długich rur wyładowczych, co jeszcze bardziej komplikuje problem efektywnego chłodzenia. Jedynym rozwiązaniem jest wprowadzenie systemów szybkiego przetaczania mie-szanki gazowej, wzdłuż lub poprzecznie do kierunku generowanej wiązki optycznej, po przetaczanie z prędkością naddźwiękową włącznie, co stosuje się w wielu lasero-wych systemach przemysłolasero-wych. Ale przy takim rozwiązaniu laserowe urządzenia technologiczne osiągają duże wymiary, na skutek stosowania wielu pomp i wymien-ników ciepła.
Przy zachowaniu odpowiedniego chłodzenia dalsze zwiększanie mocy wyjściowej lasera przez dostarczanie większej energii wzbudzenia napotyka swój kres na skutek osiągnięcia nasycenia laserowego ośrodka wzmacniającego. Rozwiązaniem jest zwiększenie gęstości ośrodka aktywnego, czyli – w przypadku laserów gazowych – ciśnienia mieszanki roboczej. To z kolei rodzi problemy z zasilaniem. Poprzeczne wzbudzanie mieszanki laserowej (poprzecznie do kierunku osi wiązki laserowej) roz-wiązuje problem [4.2, 4.13], ale ogranicza pracę lasera do reżimu impulsowego.
Dwa nakładające się problemy:
¾ temperatura ośrodka aktywnego i sposoby jej obniżenia,
¾ ciśnienie mieszanki roboczej lasera i wzbudzenie w takim ośrodku równomier-nego wyładowania,
można rozwiązać dzięki zastosowaniu innej geometrii ośrodka aktywnego lasera oraz innego sposobu wzbudzania. Takim rozwiązaniem jest falowodowa geometria ośrodka
48
aktywnego i sposób wzbudzania: prądem w.cz. poprzecznie do kierunku wiązki lase-rowej. W laserze takim o chłodzeniu decyduje odległość między elektrodami formują-cymi część ścianek falowodu. Zwykle zawiera się ona w zakresie od 1,5 mm do 3 mm, aby były spełnione warunki dla propagacji falowodowej w laserach CO2. Przy takich odległościach między elektrodami atomy (czy molekuły) potrzebują znacznie mniej czasu na dotarcie do chłodzonych ścianek elektrod lasera, a taka konfiguracja pozwala na pracę lasera w reżimie odciętym. Długość falowodu lasera CO2 wynosi zwykle kilkadziesiąt centymetrów i rzadko przekracza 1 m, ze względu na problemy z chło-dzeniem środkowej części falowodu [4.3, 4.4, 4,11, 4.12].
wzbudzanie wzdłużne
(zwykle prądem stałym) impulsowe wzbudzanie poprzeczne
b) a)
Rys. 4.1. Sposoby zasilania laserów gazowych: a) konwencjonalna rura wyładowcza, b) wzbudzany poprzecznie laser TEA (Transversely Excited Atmospheric)
Fig. 4.1. Methods of gas laser supply: a) conventional discharge tube, b) TEA laser
wzbudzanie poprzeczne prądem w.cz.
a) b) c)
Rys. 4.2. Lasery falowodowe: a) jednokanałowy, b) jednowymiarowa macierz falowodów, c) dwuwymiarowa macierz falowodów (widoczne przekładki chłodzące)
Fig. 4.2. Waveguide lasers: a) single-channel, b) one-dimensional array c) two-dimensional array (cooling ceramic plates are visible)
Przy zachowaniu wszystkich trzech wymiarów falowodu jedynym sposobem na zwiększenie mocy wyjściowej lasera jest powielenie takiej struktury do jednowymia-rowej [4.10] lub dwuwymiajednowymia-rowej macierzy wielofalowodowej [4.1]. Innym sposobem jest, przy zachowaniu długości falowodu i jednego z wymiarów porzecznych (odległo-ści międzyelektrodowej), zwiększenie pozostałego wymiaru poprzecznego (odległo(odległo-ści między ściankami bocznymi) [4.5], po całkowite usunięcie ścianek bocznych lasera [4.6]. W laserach takich moc wyjściowa lasera jest nie tyle zależna od długości ośrod-ka aktywnego, ile od jego powierzchni. Moc wyjściowa lasera „sośrod-kalowana” jest zatem nie przez długość obszaru wyładowania (np. dwukrotne zwiększenie długości lasera daje dwukrotne zwiększenie jego mocy wyjściowej), lecz przez jego powierzchnię (np. dwukrotne zwiększenie powierzchni daje dwukrotne zwiększenie jego mocy wyj-ściowej). Jeśli zachowamy zatem warunki falowodowe na jednym z poprzecznych wymiarów ośrodka aktywnego, to ten sposób skalowania mocy wyjściowej lasera prowadzi wprost do kształtu falowodu płaskiego [4.6], gdzie drugi wymiar ośrodka jest wielokrotnie większy od wymiaru w kierunku falowodowym, a wyjście lasera ma kształt długiej szczeliny (nawet kilkunastocentymetrowej). Struktury takie mogą być również powielane tak, jak to pokazano na rysunku 4.3c [4.7–4.9].
b) c)
a)
Rys. 4.3. Lasery z falowodami płaskimi: a) płaski pojedynczy z ceramicznymi ściankami bocznymi (struktura zamknięta), b) płaski pojedynczy bez ścianek bocznych (struktura otwarta, hybrydowa)
– widoczne paski ceramiczne powiększające przestrzeń rezonatora, c) struktura powielona (wg Lappucciego [4.5])
Fig. 4.3. Slab-waveguide lasers: a) slab-waveguide with ceramic side-walls (closed structure), b) slab-waveguide without side-walls (open – hybrid-structure), c) multi-slab-waveguide