Волноводные лазеры

ВОЛНОВОДНЫЕ ЛАЗЕРЫ, лазеры, в которых генерация излучения происходит в активной среде, расположенной в полом волноводе. Волноводными могут быть газовые лазеры (например, на СО₂, СО), эксимерные лазеры на Хе и KrF. Идея использования волноводов в газоразрядных лазерах впервые была высказана американскими учёными Э. Маркатили и Р. Шмельцером в 1964 году. Первый волноводный лазер на СО₂ создан американским учёным П. Смитом с сотрудниками (США) в 1972.

В отличие от обычных газовых лазеров, в волноводных лазерах между зеркалами резонатора расположен диэлектрический волновод, который выполняет несколько функций: он ограничивает объём, заполненный активной средой, по нему распространяется лазерное излучение, и он определяет модовый состав излучения. Волновод в волноводном лазере представляет собой, как правило, диэлектрическую газоразрядную трубку (или несколько трубок), длина которой значительно больше внутреннего диаметра, в свою очередь в сотни раз превышающего длину волны излучения. Волноводы для волноводного лазера изготавливают из бериллиевой керамики, кварца, стекла, нитрида бора.

Наличие у резонатора волноводного лазера полого волновода порождает, в отличие от дифракционных потерь традиционных открытых резонаторов, специфические, так называемые волноводные потери, связанные с выходом части энергии распространяющейся по полому каналу излучения в материал волновода. Волноводные потери вместе с потерями на согласование собственных мод волновода с модами свободного резонатора и с потерями на связь с зеркалами образуют собственные потери волноводного резонатора, от которых существенно зависит выходная мощность и эффективность лазера.

Для волноводного лазера характерны малые поперечные размеры активной среды, поэтому в них используют эффективный отвод тепла для охлаждения трубок, иначе они нагреваются, и параметры лазера меняются.

Экспериментально реализованные мощности излучения волноводных лазеров на СО - не более 10 Вт/м. Область применения волноводных лазеров на СО ограничивается необходимостью глубокого охлаждения газа при малых длинах активной среды.

Удельная погонная мощность излучения волноводных лазеров на СО₂ при использовании узких волноводных каналов может достигать 100 Вт/м при небольших средних мощностях излучения. Волноводные  лазеры на СО₂ не требуют высокого охлаждения, и они конструктивно компактны (основное их преимущество).

В зависимости от схемы соединения трубок - параллельной или последовательной - получают многолучевую или однолучевую генерацию. В волноводных лазерах на СО₂ с числом трубок до 60 получены средние мощности излучения до 6 кВт, а в однолучевом волноводном лазере - до 1,5 кВт. При этом удельные мощности излучения достигают 50 Вт/м.

Волноводные  лазеры с многолучевыми волноводными излучателями применяются для обработки различных материалов. Однолучевой одномодовый волноводный излучатель со средней мощностью 1 кВт является основой лазерной кардиохирургической установки для операций на сердце.

Лит.: Белянко А. Е. и др. Электродинамика полых диэлектрических волноводов газоразрядных лазеров среднего ИК-диапазона // Труды Института общей физики Академии Наук СССР. 1989. Т. 17; Беришвили И. И. и др. Мощный волноводный одномодовый СО₂-лазер с диффузионным охлаждением для трансмиокардиальной реваскуляризации // Известия РАН. Сер. физическая. 1999. Т. 63. № 10.