профессор, д.ф.-м.н. Анатолий Солдатов

е-mail: general@tic.tsu.ru

Национальный исследовательский Томский государственный Национальный исследовательский Томский государственный университетуниверситет

Рис. 1 – Упрощенная схема уровней атома и иона Sr

r-m переходы SrI:

 = 6.456 m

m-m переходы SrI :

 = 3.066 m

 = 3.011 m

 = 2.920 m

 = 2.690 m

 = 2.600 m

r-m переходы SrII:

 = 1.033 m

 = 1.091 m

рекомбинационный режим:

 = 0.430 m

 = 0.416 m

21

11 4555 DdsPps o

oPpsDds 23

13 5545

oPpsDds 23

23 5545

oPpsDds 23

33 5545

oPpsDds 13

23 5545

oPpsDds 03

13 5545

25

23

2626 4454 DdpPpp o

23

21

2626 4454 DdpPpp o

23

21 56 PS

21

21 56 PS

2

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.]

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.]

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)

5. Солдатов А.Н., Соломонов В.И. Газоразрядные лазеры на самоограниченных переходах в парах металлов. Новосибирск: Наука, 152с .(1985)

ВведениеВведение

Исследования частотно-энергетических характеристик Исследования частотно-энергетических характеристик SrSr--лазералазера

Рис. 2 – Типичная конструкция АЭ Sr-лазера (а) и схема накачки (б):1 – электроды, 2 – газоразрядный канал (BeO), 3 – окна (CaF2)

4 – испаритель Sr

*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.

Таблица 1. Энергетические характеристики Sr-лазера с активным объемом V = 200 – 450 cм3

= 6.45 мкм= 6.45 мкм ~ 3 мкм~ 3 мкм ~ 1 мкм~ 1 мкмРРHeHe,,

ТоррТорр

PPNeNe, ,

ТоррТорр

1. Диаметр газоразрядного канала 21 мм, V = 200 cм3 и f = 15 кГц

Средняя Средняя

мощностьмощность, , ВтВт

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 мощностьСредняя мощность, , ВтВт 1.6 ‑ ‑ ‑ 70 ‑

Энергия в импульсе, Энергия в импульсе, mmДжДж 0.8 0.64 0.1 0.06 70 ‑

3. Диаметр газоразрядного канала 27мм, V = 450 cм3 and f = 11.6 кГц

Средняя Средняя

мощностьмощность, , ВтВт

а 13.513.5 6.2 4.5 1.9

190 10b 12.2 6.1 4.5 1.6

Энергия в импульсе, Энергия в импульсе, mmДжДж 1.261.26 0.72 0.39 0.17

4. Диаметр газоразрядного канала 10 мм, f = 18.6 кГц*

Средняя мощностьСредняя мощность, , ВтВт 6.45 мкм3.01, 2.69, 2.06 мкм

‑57 ‑

0.3 ‑ ‑ ‑

МасштабированиеМасштабирование

6

Рис. 3 - Зависимость средней мощности генерации (1) и КПД (2) лазера на парах стронция от величины активного объема

0 150 300 450 600 750

5

10

15

0,25

0,5

1

2

См3

P (Вт) КПД(%)P, Вт , %

V, cм 3

АЭ – V = 200

cм3

АЭ – V = 450 cм3 Г-У

f, кГц 15 11,6 10

, мкм 5,7 Вт 13,5 Вт22 Вт

6,45 мкм 3,1 Вт 6,2 Вт16 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 = 0.1 – 0,5 %P = 1 – 13 Вт

в ГРТ различного объема (20 - 650 cm3).

Система генератор-усилительСистема генератор-усилитель

7

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

4 8 12 16 20 24

2

4

6

8

10

12

14

16

181

2

3

Р(Вт)

Р (Вт)ср

Задающий генератор: L=100см,

V = 650 см3 и D = 3 см. Усилитель: L=100см,

V = 540 см3 и D = 2,5 см.

ИсследованияИсследования высоких и предельных высоких и предельных

частот следования импульсов в ЛПМчастот следования импульсов в ЛПМ

Cu – 235 кГц (1980);Au – 150 кГц (1980);Pb - 40 кГц (1982);

8

Предельные ЧСИ:

Разработана экспериментальная методика формирования инверсной населенности в ЛПМ на супервысоких частотах следования импульсов (режим пониженных энерговкладов, уменьшение длительности импульса накачки), 1980 г.

Bi - 18 кГц (1990); Ba – 320 кГц (2011); Sr – 830 кГц (2011).

О возможности реализации ЧСИ = О возможности реализации ЧСИ = 1 МГц1 МГц

9

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) .

Te(t) = Temax – Te

min = 4.5 – 1 eV; ne(t) = (7 – 0.4)1014 cm-3

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

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.

Высокочастотный импульсно-Высокочастотный импульсно-периодический лазер на парах периодический лазер на парах SrSr D ГРТ

8 мм

L ГРТ

180 мм

10

Исследования мультиэлементных ЛПМ Исследования мультиэлементных ЛПМ с пространственно-разнесенными с пространственно-разнесенными

активными средамиактивными средами

11

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.

Ba+Mn+Ne ,

нм

Ba+Pb+Ne ,

нм

Cu+Ba+Pb+Ne

, нм

Cu+Au+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  

Таблица 2 – Мультиэлементные среды

12

Двухэлементный лазер, генерирующий на Двухэлементный лазер, генерирующий на 10 дискретных линиях в диапазоне от 0,51 10 дискретных линиях в диапазоне от 0,51

до 6,45 мкмдо 6,45 мкм

13

Рис. 9 - Упрощенная схема уровней SrI, SrII и CuI с указанием лазерных

переходов SrI SrII CuI

Решаемые задачи:

получение многоволно-вой генерации;

визуализация инфракрасного излучения.

Создание приборных образцов ЛПМ, Создание приборных образцов ЛПМ, лазерных систем и их применениялазерных систем и их применения

Солдатов А., Полунин Ю., Бохан П., Кирилов А., Воронов В., Федоров В., Филонов А., Карманов Г., Соломонов В., Суханов Б., Мирза С., Васильева А. и др. 14

Технические характеристики:

Средняя выходная мощность: 1-2 Вт Длины волн: SrI - 6.45; 3.01; 3.06; 2.92; 2.69; 2.60 мкмSrII - 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.

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

Фотографии абляции воды лазером на парах стронция.

F = 13 кГц, P=2 Вт.

Абляция воды и Абляция воды и мышечной тканимышечной ткани

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.

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.

Резонансная абляция полиамидовРезонансная абляция полиамидов

Применения технологии обработки полиамидов: 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,

лазерная физика);микроэлектромеханические (MEMS-) 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.

Аблированный рез ПА-6 при плотности энергии 12,5 Дж/см2. Параметры реза: ширина 150 мкм, глубина 100 мкм

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.

край отверстия

капли полиамида

(d - 10 и 3 мкм)

Применение лазеров среднего ИК-диапазона для Применение лазеров среднего ИК-диапазона для управляемого термораскалывания стеколуправляемого 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) ;

Шероховатость торцов стекол, полученных различными способами: а) – термораскалывание излучением Sr- лазера; б) – термораскалывание излучением СО2 лазера;

в) – алмазное скрайбирование

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.

Лазер на парах стронция для решения задач лидарного зондирования газового состава атмосферы

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

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.

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 Исследование импульсно-периодической генерации лазера на атомах и ионах стронция в условиях ионизационной и атомах и ионах стронция в условиях ионизационной и

рекомбинационной неравновесностирекомбинационной неравновесности

Впервые реализована одновременная генерация на самоограниченных (6,45; 3,06; 3,01; 2,92; 2,69; 2,60; (6,45; 3,06; 3,01; 2,92; 2,69; 2,60; 1,09 и 1,03 мкм)1,09 и 1,03 мкм) и рекомбинационной (λ = 0,43 мкм)(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.

МонографиМонография:я:

22

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.

23