Томский Гос. Университет

профессор, д.ф.-м.н. Анатолий Солдатов
е-mail: [email protected]
Национальный исследовательский Томский государственный университет
r-m переходы SrI:
 = 6.456 m
5s5 p1P1o  5s 4d 1D2
m-m переходы SrI :
 = 3.066 m 5s 4d 3D1  5s5 p 3P2o
 = 3.011 m 5s 4d 3D2  5s5 p 3P2o
 = 2.920 m
5s 4d 3D3  5s5 p 3P2o
 = 2.690 m 5s 4d 3D2  5s5 p 3P1o
 = 2.600 m 5s 4d 3D1  5s5 p 3P0o
r-m переходы SrII:
 = 1.033 m
4 p 6 5 p 2P3o2  4 p 6 4d 2D52
 = 1.091 m
4 p 6 5 p 2P1o2  4 p 6 4d 2D32
рекомбинационный режим:
 = 0.430 m
6S 12  5P3 2
 = 0.416 m
6S 12  5P12
Рис. 1 – Упрощенная схема уровней атома и иона Sr
2
Введение
1. Диаметр ГРТ d = 7 мм:
P = 0.2 Вт, f = 12 кГц
= 6.456, 3.066, 3.011 , 1.03 и 1.09 мкм
[J. S. Deech and J. H. Sanders, New self-terminating laser transitions in calcium and strontium, IEEE J. Quantum Electron. 1968. –
No. 4 (7), p. 474.]
2. Ph. Cahuzac, Raies laser infrarouges das les vapeurs de terres rares et
d’alcalineo-terreux, J. Phys. (Paris) 32(7) 499-505 (1971)
3. Бохан П.А., Бурлаков В.Д. О механизме генерации на переходах 4d 3D1,2
– 5p 3P02 атома стронция // Квантовая электроника, 6, №3, 623 – 625(1979)
4. Диаметр ГРТ d = 10 мм:
P = 1.2 Вт, f = 20 кГц
= 6.456, 3.066, 3.011 , 1.03 и 1.09 мкм
Распределение выходной мощности по спектральным линиям было
следующее:
75 % -  = 6.45 мкм, 20 % -  ~ 3 мкм, и 5 % -  ~ 1 мкм.
[A.V. Platonov, A.N.Soldatov, and A.G. Filonov, Pulsed strontium vapor laser, Sov. J Quantum electron. 1978. No. 8 (1), p. 120-121.]
5. Солдатов А.Н., Соломонов В.И. Газоразрядные лазеры на самоограниченных
переходах в парах металлов. Новосибирск: Наука, 152с .(1985)
Исследования частотно-энергетических характеристик Sr-лазера
Sr
4
3
1
2
3
500
a
L
C
T
Lsh
C0
GDT
b
Рис. 2 – Типичная конструкция АЭ Sr-лазера (а) и схема накачки (б):
1 – электроды, 2 – газоразрядный канал (BeO), 3 – окна (CaF2)
4 – испаритель Sr
Таблица 1. Энергетические характеристики Sr-лазера с активным объемом V = 200 – 450 cм3

 = 6.45 мкм
 ~ 3 мкм
 ~ 1 мкм
РHe,
Торр
PNe,
Торр
1. Диаметр газоразрядного канала 21 мм, V = 200 cм3 и f = 15 кГц
Средняя
мощность, Вт
а
5.7
3.1
1.5
1.1
150
15
b
3.8
2.6
0.7
0.5
150
-
с
2.0
1.4
0.1
0.5
-
150
2. Диаметр газоразрядного канала 21 мм, V = 200 cм3 and f = 2 кГц
Средняя мощность, Вт
1.6
-
-
-
70
-
Энергия в импульсе, mДж
0.8
0.64
0.1
0.06
70
-
190
10
57
-
3. Диаметр газоразрядного канала 27мм, V = 450 cм3 and f = 11.6 кГц
а
13.5
6.2
4.5
1.9
b
12.2
6.1
4.5
1.6
Энергия в импульсе, mДж
1.26
0.72
0.39
0.17
Средняя
мощность, Вт
4. Диаметр газоразрядного канала 10 мм, f = 18.6 кГц*
Средняя мощность, Вт

0.3
6.45 мкм
-
3.01, 2.69,
2.06 мкм
-
-
-
*B.L. Pan, G. Chen, J.-W. Zhong, Z.-X. Yao., Appl. Phys.B 76, p. 371 – 374 (2003);
Temelkov K.A., Vuchkov N.K., Sabotinov N.V., Pan B.L., Ivanov B., Lyutov L., J Phys. D: Appl. Phys., Vol. 39, No. 17, p. 3769 – 3772 (2006).
Soldatov A. N., Polunin Yu. P., Shumeiko A. S. and Sidorov I. V., The 7-th Int. Symp. Laser Physics and Laser Technology, Tomsk, Russia (2004) p. 202 – 207.
Масштабирование
АЭ –
V = 200 cм3
АЭ – V =
450 cм3
Г-У
f, кГц
15
11,6
10
, мкм
5,7 Вт
13,5 Вт
22 Вт
6,45 мкм
3,1 Вт
6,2 Вт
16 Вт
 3 мкм
1,5 Вт
4,5 Вт
5 Вт
 1 мкм
1,1 Вт
1,9 Вт
1 Вт
Е, мДж
0,38
1,26
2,2
P (Вт)
P, Вт
КПД(%)
,%
15
1
10
0,5
2
5
0,25
 = 0.1 – 0,5 %
P = 1 – 13 Вт
в ГРТ различного
объема (20 - 650 cm3).
0
150
300
450
600
750 См
V,3 cм 3
Рис. 3 - Зависимость средней мощности
генерации (1) и КПД (2) лазера на парах
6
стронция от величины активного объема
Система генератор-усилитель
Р(Вт)
18
Задающий генератор:
L=100см,
V = 650 см3 и D = 3 см.
Усилитель:
L=100см,
V = 540 см3 и D = 2,5 см.
1
16
14
12
10
8
6
2
4
2
3
4
8
12
16
20
24
Рср(Вт)
Рис. 4 - Распределение мощности генерации по спектральным линиям в зависимости от
средней мощности системы генератор-усилитель: 1 – мощность генерации на линии
6,456мкм; 2 – суммарная мощность генерации на блоке линий 3 мкм; 3 – суммарная
мощность генерации на блоке линий 1 мкм
7
Исследования высоких и предельных
частот следования импульсов в ЛПМ
Разработана экспериментальная методика формирования
инверсной населенности в ЛПМ на супервысоких частотах
следования импульсов (режим пониженных энерговкладов,
уменьшение длительности импульса накачки), 1980 г.
Предельные ЧСИ:
Cu – 235 кГц (1980);
Au – 150 кГц (1980);
Pb - 40 кГц (1982);
 Bi - 18 кГц (1990);
 Ba – 320 кГц (2011);
 Sr – 830 кГц (2011).
8
О возможности реализации ЧСИ = 1 МГц
1 мкс
Рис. 5 – Осциллограммы импульсов
генерации  ~ 1 мкм, ∆  = 1 мкс
Экспериментально достигнутая
минимальная задержка между
импульсами составила 720, что
соответствует f  1.4 МГц ( = 1.03 и
1.09 мкм) .
Рис. 6 - Рассчитанные приведенные населенности
рабочих уровней SrII (λ=1,033 мкм: N4→N2;
λ=1,091 мкм: N3→N1), концентрация nе и
температура Tе электронов при двухимпульсном
возбуждении с задержкой между
дополнительным и возбуждающим импульсами
2,6 мкс
Te(t) = Temax – Temin = 4.5 – 1 eV; ne(t) = (7 – 0.4)1014 cm-3
9
Высокочастотный импульснопериодический лазер на парах Sr
D ГРТ
8 мм
L ГРТ
180 мм
Рис. 7 - Осциллограммы импульсов тока (1) и напряжения (2)
при изменении ЧСИ от 240 до 830 кГц
Рис. 8 - Зависимость средней мощности генерации
от ЧСИ, где 1 – суммарная средняя мощность, 2,3 и
4 – средняя мощность генерации линий 6,.45 мкм,
1 мкм, 3 мкм, соответственно.
10
Исследования мультиэлементных ЛПМ с
пространственно-разнесенными активными
средами
Предпосылки для получения эффективной
многоцветной генерации в импульсном разряде на
самоограниченных переходах в мультиэлементной
(многокомпонентной) среде :
 подобие механизма создания инверсной населенности;
 близкие условия возбуждения паров металлов по
параметрам импульса возбуждения и
микрохарактеристикам разряда;
 спектральная прозрачность газоразрядной плазмы;
 большие коэффициенты усиления.
11
Таблица 2 – Мультиэлементные среды
Cu+Ba+Pb+Ne ,
Ba+Mn+Ne , нм
Ba+Pb+Ne , нм
-
-
-
312,3 AuI
-
-
510,6 CuI
510,6 CuI
542,0 MnI
-
-
-
-
-
578,2 CuI
578,2 CuI
614,2 BaII
614,2 BaII
614,2 BaII
-
649,7 BaII
649,7 BaII
649,7 BaII
627,8 AuI
-
722,9 PbI
722,9 PbI
-
1130 BaI
1130 BaI
1130 BaI
-
1362 MnI
-
-
-
1500 BaI
1500 BaI
1500 BaI
нм
Cu+Au+Ne ,нм
12
Двухэлементный лазер, генерирующий на 10
дискретных линиях в диапазоне от 0,51 до 6,45 мкм
Решаемые задачи:
 получение многоволновой генерации;
 визуализация
инфракрасного излучения.
Рис. 9 - Упрощенная схема уровней
SrI, SrII и CuI с указанием лазерных
переходов
SrI
SrII
13
CuI
Создание приборных образцов ЛПМ, лазерных
систем и их применения
Технические характеристики:
 Средняя выходная мощность: 1-2 Вт
 Длины волн: SrI - 6.45; 3.01; 3.06; 2.92; 2.69; 2.60 мкм
SrII - 1.03; 1.09 мкм
 Диаметр выходного пучка: 15 мм
 Расходимость: 1 мрад
 Частота повторения импульсов: 15-20 кГц
 Вес: 61 кг
 Габариты: 300 х 570 х 1200 мм
Технические характеристики:
 Средняя выходная мощность: 5 Вт
 Диаметр выходного пучка: 15 мм
 Расходимость: 1 мрад
 Частота повторения импульсов: 15 кГц
 Время выхода на рабочий режим: 20 мин
 Потребляемая мощность: 1,9 кВт.
Солдатов А., Полунин Ю., Бохан П., Кирилов А., Воронов В., Федоров В., Филонов А., Карманов Г.,
14
Соломонов В., Суханов Б., Мирза С., Васильева А. и др.
Уникальная лазерная установка для
резонансной лазерной абляции
Данная лазерная установка предназначена
для выполнения фундаментальных и
прикладных исследований в области лазерной
физики, биологии, материаловедения и
нанотехнологий.
Основные характеристики установки:
 Длина волны излучения – SrI – 6.45; 3.01; 3.06; 2.92; 2.69;
2.60 ; SrII - 1.03; 1.09 мкм;





Расходимость лазерного излучения – 0,5 мрад
Длительность импульса излучения – 50 нс;
Частота следования импульсов – 1÷2 кГц; 10÷15 кГц;
Энергия суммарного импульса излучения 0,1 – 1 мДж;
Средняя мощность генерации – 1 – 10 Вт;
Солдатов А.Н., Васильева А.В., Полунин Ю.П., Филонов А.Г. и др., Исследовательская лазерная установка для
резонансной абляции материалов // Оптика атмосферы и океана. – 2006. – Т. 19. – № 2–3. – С. 172–177
Абляция воды и мышечной ткани
Фотографии абляции воды лазером на
парах стронция.
F = 13 кГц, P=2 Вт.
Увеличенные снимки бычьей мышцы облученной лазером на парах
стронция. Разрез 1 ЧСИ=16 кГц, средняя мощность 2.4 Вт, размер пятна 130
нм, скорость сканирования 17 мм/с, 30 прохождений; Разрез 2 ЧСИ=5 кГц,
средняя мощность=0.9 Вт, размер пятна 130 нм, скорость сканирования=17
мм/с, 30 прохождений; Разрез 3 ЧСИ=5 кГц, средняя мощность=0.9 Вт, размер
пятна 130 нм, скорость сканирования=17 мм/с, 10 прохождений.
Haglund R. F., Ivanov B., Soldatov A. N., et. al., Ablation of Soft Tissue at 6.45 µm using a Strontium Vapor
Laser// to be presented at Photonics West, 24 – 29 January 2004.
Резонансная абляция полиамидов
Фрагмент печатной платы, выполненной
из металла и полимера
Получены следующие параметры резов для полиамида:
ширина 100 – 300 мкм, глубина 30 – 300 мкм,
минимальная толщина материала, удаляемого за один импульс: 7 – 10 мкм.
Применения технологии обработки полиамидов:
 микро- и нанообработка и резка полиамидов (резка миниатюрных
структур, создание масок и сеточных структур поперечным размером от 30 мкм из материала
толщиной до 50 мкм);
 получение наночастиц, нанокластеров;
 напыление полимерных нанопленок;
 научные исследования (масс-спектроскопия,
Аблированный рез ПА-6 при
плотности энергии
12,5 Дж/см2. Параметры
реза: ширина 150 мкм,
глубина 100 мкм
край
отверстия
лазерная физика);
 микроэлектромеханические
системы.
Край отверстия d = 230 мкм в полиамиде под
микроскопом. С быстрым расширением факела
сильный газовый поток на выходе из отверстия может
индуцировать выброс капель жидкого полиамида за
пределы микроотверстий.
(MEMS-)
капли
полиамида
(d - 10 и 3 мкм)
Применение лазеров среднего ИК-диапазона для
управляемого термораскалывания стекол
Предварительные эксперименты по обработке стекла
показали:
1. По предварительным оценкам качество получаемого реза
выше, чем при использовании СО-лазера ( = 5,32 мкм) и
СО2-лазера ( = 10,6 мкм) ;
2. Отмечено уменьшение величины дефекта на
входе и выходе лазерного пучка из заготовки при
мощности лазера на парах стронция 6 – 8 Вт.
3. Излучение Sr-лазера может явиться основным
инструментом для лазерного управляемого
термораскалывания при создании плоских
панелей дисплеев LCD и тонких стекол для
термооптического
покрытия
космических
радиаторов.
Шероховатость торцов стекол, полученных
различными способами:
а) – термораскалывание излучением Sr- лазера;
б) – термораскалывание излучением СО2 лазера;
в) – алмазное скрайбирование
Лазер на парах стронция для решения задач лидарного
зондирования газового состава атмосферы
Результаты исследований демонстрируют перспективность использования
многоволнового лазера на парах стронция для проведения измерений
макропараметров атмосферы (температуры, влажности), а также контроля
примесей в атмосфере.
Работа осуществляется при поддержке гранта
РФФИ №09-05-99035-Р-ОФИ.
Spectrum of the atmospheric (mixture of gases)
transmittance for the 1-km near-ground path and
position of the Sr-laser line (intense absorption line at
3.011 m) in the range of HCN absorption
Vasilieva A.V., Polunin Y.P., Romanovskii O.A., Soldatov A.N., Kharchenko O.V., Yudin N.A., The
possibilities of a strontium vapor laser using for laser sensing of minor gaseous components of the
atmosphere // Optical memory and neural networks. – 2009. – Vol. 18. – No.2. – pp. 108-113.
Исследование импульсно-периодической генерации лазера на
атомах и ионах стронция в условиях ионизационной и
рекомбинационной неравновесности
Впервые реализована одновременная
генерация на самоограниченных
(6,45; 3,06; 3,01; 2,92; 2,69; 2,60;
1,09
и
1,03
мкм)
и
рекомбинационной (λ = 0,43 мкм)
переходах в атоме и ионе стронция.
Определены условия получения
высокого коэффициента усиления на
рекомбинационной линии стронция и
8 лазерных линиях в ИК-области
спектра. Одновременная генерация с
суммарной мощностью в несколько
ватт получена в газоразрядных
трубках объемом 160 и 570 см3,
имеющих внутренний диаметр 2 и
2,7 см.
Монография: Импульсно-периодические лазеры на
парах стронция и кальция:
ТМЛ-Пресс. – 2012. – 526 с.
авторы: А.Н. Солдатов, Е.Л. Латуш,
Г.Д. Чеботарев, Н.А. Юдин,
ЮП. Полунин, А.В. Васильева,
О.О. Пруцаков
Национальный исследовательский Томский
государственный университет,
Южный федеральный университет
Представлены результаты многолетних экспериментальных и
теоретических исследований лазеров на самоограниченных
переходах и рекомбинационных лазеров на парах стронция и
кальция.
22
23