ИОФ РАН
Газоразрядный волоконный лазер с СВЧ накачкой
Пресс-релиз публикации: А.В. Гладышев, Д.Г. Комиссаров, С.М. Нефедов, А.Ф. Косолапов, В.В. Вельмискин, А.П. Минеев, И.А. Буфетов. Газоразрядный волоконный лазер с СВЧ накачкой. Краткие сообщения по физике ФИАН. – 2023. – № 9. – С. 62-71.
Создание световодов с полой сердцевиной (СПС) открыло путь к разработке лазеров нового типа ‑ газовых волоконных лазеров (ГВЛ). Используя в качестве активной среды газ, заполняющий сердцевину СПС, такие источники излучения могут объединить в себе преимущества как волоконных лазеров (компактность, низкий порог генерации, одномодовое излучение), так и газовых лазеров (высокая выходная мощность, малая ширина линии генерации).
До настоящего времени ГВЛ были реализованы только с оптической (лазерной) накачкой и их генерационные характеристики ограничивались параметрами лазеров накачки. Для того, чтобы в полной мере реализовать возможности СПС (устойчивость к высокоинтенсивному излучению, широкий спектральный диапазон пропускания, низкие значения дисперсии и т.д.) в полностью волоконных оптических схемах, необходимо решить задачу генерации лазерного излучения непосредственно в СПС, не используя в качестве источника накачки другие волоконные лазеры на световодах с полностью твердотельной сердцевиной. Данная цель в принципе может быть достигнута при условии создания газоразрядных волоконных лазеров (ГРВЛ), в которых активной средой является плазма газового разряда, возбуждаемого в СПС. Попытки создания таких лазеров, возбуждаемых разрядами постоянного тока, ВЧ и СВЧ диапазона предпринимались исследователями в течение последних 15 лет, но лазерная генерация не была получена.
В результате совместных исследований, выполненных сотрудниками НЦВО РАН и отдела ВКИВ ИОФ РАН, впервые в мире создан газоразрядный волоконный лазер, возбуждаемый СВЧ-разрядом. Ксеноновый лазер работал на газовой смеси Xe:Ar:He=1:10:100 при давлении 130 торр. Разряд в отрезке СПС длиной 32 см и диаметром сердцевины 130 мкм возбуждался импульсным СВЧ излучением с частотой 2,45 ГГц (длительность импульса 20 мкс, частота следования импульсов 400 Гц, средняя СВЧ мощность менее 20 Вт).
Получена лазерная генерация с максимальной мощностью ~1 мВт на длине волны излучения линии атома ксенона 2,027 мкм (см. Рис. 1 и 2). Результаты исследования были опубликованы в статье: А.В. Гладышев, Д.Г. Комиссаров, С.М. Нефедов, А.Ф. Косолапов, В.В. Вельмискин, А.П. Минеев, И.А. Буфетов. Газоразрядный волоконный лазер с СВЧ накачкой. Краткие сообщения по физике ФИАН. – 2023. – № 9. – С. 62-71.
Данный результат был достигнут не в последнюю очередь благодаря предложенной авторами новой схеме возбуждения протяженного разряда в СПС, подобной щелевой антенне в СВЧ-волноводе. Схема допускает возможность дальнейшего совершенствования конструкции лазеров при масштабировании как длины разряда в СПС, так и выходной лазерной мощности, и создания нового поколения более компактных и эффективных ГРВЛ на различных газах (например, в Ne, Kr, Ar, Xe) и их смесях. Особый интерес представляет дальнейшее продвижение в средний ИК диапазон (например, на Хе возможно получение генерации в диапазоне длин волн 1,73 ‑ 3,65 мкм). ГРВЛ, обладающие преимуществами и волоконных, и газоразрядных лазеров, найдут многочисленные применения в различных областях науки и техники.
Работа была выполнена при поддержке Российского научного фонда, грант № 22-19-00542.
Пресс-релиз подготовил: заведующий лабораторией отдела Взаимодействия когерентного излучения с веществом ИОФ РАН, кандидат физико-математических наук А.П. Минеев.
Рис. 1. a) Осциллограммы СВЧ импульса накачки и излучения ксенонового газоразрядного волоконного лазера в различных условиях. b) Поперечное сечение револьверного СПС, использованного в экспериментах.
(Источник: А.В. Гладышев, Д.Г. Комиссаров, С.М. Нефедов, А.Ф. Косолапов, В.В. Вельмискин, А.П. Минеев, И.А. Буфетов. Газоразрядный волоконный лазер с СВЧ накачкой. Краткие сообщения по физике ФИАН. – 2023. –№ 9. – С. 62-71.)
Рис. 2. Спектр излучения ксенонового газоразрядного волоконного лазера.
(Источник: А.В. Гладышев, Д.Г. Комиссаров, С.М. Нефедов, А.Ф. Косолапов, В.В. Вельмискин, А.П. Минеев, И.А. Буфетов. Газоразрядный волоконный лазер с СВЧ накачкой. Краткие сообщения по физике ФИАН. – 2023. –№ 9. – С. 62-71.)