Специальные технологии с использованием лазера на парах стронция

1. Специальные технологии с использованием лазера на парах стронция профессор, д.ф.-м.н. Анатолий Солдатов е-mail: general@tic.tsu.ru Национальный исследовательский Томский государственный университет

2. 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 Рис. 1 – Упрощенная схема уровней атома и иона Sr

3. 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.] Введение 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)

4. Исследования частотно-энергетических характеристик Sr-лазера a L C T Lsh GDT C0 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

5. Таблица 1. Энергетические характеристики Sr-лазерас активным объемомV = 200 – 450 cм3 *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.

6. Масштабирование P, Вт  , %  = 0.1 – 0,5 % P = 1 – 13 Вт в ГРТ различного объема (20 - 650 cm3). V, cм 3 Рис. 3 - Зависимость средней мощности генерации (1) и КПД (2) лазера на парах стронция от величины активного объема

7. Система генератор-усилитель Задающий генератор: L=100см, V = 650 см3 и D = 3 см. Усилитель: L=100см, V = 540 см3 и D = 2,5 см. 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

8. Исследованиявысоких 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. • Cu – 235 кГц (1980); • Au – 150 кГц (1980); • Pb - 40 кГц (1982); Предельные ЧСИ: • Bi - 18 кГц (1990); • Ba – 320 кГц (2011); • Sr – 830 кГц (2011).

9. О возможности реализации ЧСИ = 1 МГц 1 мкс 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. 5 – Осциллограммы импульсов генерации  ~ 1мкм, ∆ = 1мкс Экспериментально достигнутая минимальная задержка между импульсами составила 720, что соответствует f  1.4 МГц( = 1.03 и 1.09 мкм). Te(t) = Temax – Temin = 4.5 – 1 eV; ne(t) = (7 – 0.4)1014 cm-3

10. Высокочастотный импульсно-периодический лазер на парах Sr 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. Рис. 7 - Осциллограммы импульсов тока (1) и напряжения (2) при изменении ЧСИ от 240 до 830 кГц

11. 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.

12. Таблица 2 – Мультиэлементные среды

13. Двухэлементный лазер, генерирующий на 10 дискретных линиях в диапазоне от 0,51 до 6,45 мкм • Решаемые задачи: • получение многоволно-вой генерации; • визуализация инфракрасного излучения. Рис. 9 - Упрощенная схема уровней SrI, SrII и CuI с указанием лазерных переходов SrI SrII CuI

14. 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: 15мм • Расходимость:1 мрад • Частота повторения импульсов: 15-20 кГц • Вес: 61 кг • Габариты: 300х570х1200 мм 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. Технические характеристики: • Средняя выходная мощность: 5 Вт • Диаметр выходного пучка: 15мм • Расходимость:1 мрад • Частота повторения импульсов: 15 кГц • Время выхода на рабочий режим: 20 мин • Потребляемая мощность: 1,9 кВт.

15. 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

16. 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.

17. 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 нанообработкаи 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 Аблированный рез ПА-6 при плотности энергии 12,5 Дж/см2. Параметры реза: ширина 150 мкм, глубина 100 мкм 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. капли полиамида (d - 10 и 3 мкм)

18. Применение лазеров среднего ИК-диапазона для управляемого термораскалывания стекол • Предварительные эксперименты по обработке стекла показали: • По предварительным оценкам качество получаемого реза выше, чем при использовании СО-лазера ( = 5,32 мкм) и СО2-лазера ( = 10,6 мкм) ; Отмечено уменьшение величины дефекта на входе и выходе лазерного пучка из заготовки при мощности лазера на парах стронция 6 – 8 Вт. 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

19. 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. 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 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.

20. 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.

22. Импульсно-периодические лазеры на парах стронция и кальция: ТМЛ-Пресс. – 2012. – 526 с. Монография: 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. Спасибо за внимание!