Рис. 9.7. Внешний вид PLD-модулей НТО «ИРЭ-Полюс».

Изделия характеризуются высокой выходной мощностью в сочетании с малыми габаритными размерами и весом. Модули серии PLD обладают уникально высокой надежностью и превосходят по ресурсу существующие аналоги в десятки и сотни раз. Надежность модулей обеспечивается высоким уровнем технологии производства и чрезвычайно жесткой процедурой тестирования на всех этапах сборки каждого изделия.

Диодные модули излучения могут быть использованы для накачки волоконно-диодных лазеров (рис. 9.8.)

Рис. 9.8. Схема волоконного лазера с диодной накачкой.

И злучение лазерных диодов с помощью специальных сварных элементов сводится в единое волокно, из которого через разъем подается в рабочий световод. Разработанные технологии позволяют ввести в устройство участок активированного волокна с волоконными аналогами зеркал (брэгговские решетки), образующих лазер, обеспечивающий преобразование длины волны рабочего излучения с высоким коэффициентом полезного действия. Фактически такое устройство представляет собой моток оптического волокна с приваренными к нему лазерными диодами и, благодаря свойствам оптического волокна, не нуждается в юстировке и не боится внешних механических воздействий вплоть до величины, приводящей к разрушению волокна.

Первые лазеры на активированном волокне с ламповой накачкой, созданные еще в 70-е годы минувшего века, обладали крайне низкой эффективностью и в течение долгого времени не рассматривались как перспективные для практических применений. Однако в 90-е годы появились лазеры на активированном кварцевом волокне с накачкой от одномодовых лазерных диодов через торец волокна (рис.9.9.), что позволило поднять КПД лазера и получить перспективный для практики прибор. Такие лазеры получили название волоконно-диодных (ВДЛ) лазеров.

Рис. 9.9. ВДЛ с торцевой одномодовой накачкой.

Р

Оптическое волокно

M1

M2

Линза

Многомодовый

лазерный диод

Активированная

световедущая жила

Защитная оболочка

Светоотражающая оболочка

Внешняя

защитная оболочка

ис.9.10. ВДЛ с боковой многомодовой накачкой.

В основе современных волоконно-диодных лазеров лежит использование технологии накачки лазера на основе двухоболочечных световодов через боковую поверхность с помощью многомодовых лазерных диодов (рис.9.10). По оси такого световода проходит одномодовая активированная жила (сердцевина), в которой и формируется лазерное излучение. Эта сердцевина окружена многомодовым кварцевым световодом с меньшим показателем преломления, в который вводится излучение многомодовых лазерных диодов (на рисунке показан один из них). Излучение диодов, многократно отражаясь от внешней светоотражающей оболочки, постепенно поглощается центральной активированной жилой и накачивает активную среду. При таком подходе освобождаются концы световода, в которых можно сформировать отражатели резонатора, в качестве которых чаще всего используются брэгговские решетки.

Таким образом, лазер оказывается выполненным в виде интегрального волоконного устройства, элементы которого, в отличие от лазера из дискретных элементов, не нуждаются в юстировке и не подвержены воздействию окружающей среды и механических возмущений. Действительно, ни пыль, ни влага не могут попасть внутрь волоконного устройства, а его изгибы в широких пределах не нарушают условий распространения света по нему. Все это многократно повышает надежность лазеров и созданных на их основе приборов.

В 1991 г. В.П. Гапонцевым и И.Э. Самарцевым было теоретически и экспериментально показано [5], что на основе ВДЛ-лазеров могут быть созданы устройства с уровнями выходной мощности в десятки и сотни Ватт непрерывного излучения. Авторы сформулировали следующие предпосылки этого:

1. Высокая лучевая прочность кварцевого волокна, достигающая нескольких десятков ГВт на квадратный сантиметр. Такие величины недостижимы для активированных кристаллов.

2. Высокие уровни коэффициента усиления за один проход активной среды, позволяющие работать с малыми порогами накачки и большими коэффициентами вывода излучения. При этом отношение выходной мощности к мощности в резонаторе достигает 0,85…0,95.

3. Поскольку эффективность охлаждения определяется соотношением объема, в котором выделяется тепло к поверхности, с которой оно снимается, в тонких волокнах создаются прекрасные условия для охлаждения. Действительно, решая уравнение теплопроводности

(9.16)

где W(R) – распределение тепловыделения, λ – коэффициент теплопроводности, в предположении равномерного тепловыделения W(R)=W, можно получить выражение для разницы между температурами в центре цилиндрического стержня Т_ц и на его поверхности Т_п:

(9.17)

где R₁ –диаметр волокна.

В таблице 9.1 приведены сравнительные оценки разницы температур согласно (9.17) для разных типов лазеров [5].

Таблица 9.1

	D, мм	L, см	λ, Вт∙см-1∙С-1	Тц -Тп, С	РΣ, Вт	Тип охлажд.
АИГ лампа	4	5	0,1	8	10	Жидк.
АИГ 0,81 мкм	4	5	0,1	0,8	10	Жидк.
Волокно 0,81 мкм	0,1	2000	0,01	0,0001	10	Возд.
Волокно 0,81 мкм	0,3	2000	0,01	0,002	100	Возд.

Из таблицы 9.1 наглядно видны преимущества волоконных лазеров, в частности, достаточность воздушного охлаждения. При этом следует учесть, что всегда есть возможность повысить эффективность охлаждения, увеличив длину волокна, поскольку это не влечет снижения эффективности лазера.

Следует отметить, что для активации волокна требуется ничтожно малое количество активатора, что существенно снижает их себестоимость.

В.П. Гапонцевым с сотрудниками успешно решена задача создания на основе своих достижений по существу единственного на сегодняшний момент высокотехнологичного холдинга компаний IPG-Photonics с российским менеджментом, ставшего мировым лидером в области волоконных лазеров, а затем и в области мощных полупроводниковых лазеров. Выходная мощность коммерческих волоконных лазеров, работающих в непрерывном режиме, достигла 50 кВт, а одномодовых – 2 кВт. При этом ресурсы работы мощных волоконных лазеров составляют десятки тысяч часов, а лазеров, предназначенных для телекоммуникаций – миллионы часов.

На активированных волокнах в виде интегральных волоконных устройств просто реализуются не только оптические генераторы, но сверхизлучательные источники, оптические усилители, системы, построенные по прин-

ц
ипу МОРА (Master Oscillator Power Amplifier). В последних достаточно просто обеспечить управление маломощным задающим лазером, излучение которого эффективно использует инверсную населенность, накопленную в усилителе. Более того, в качестве задающего можно использовать одномодовый лазерный диод, излучающий на подходящей длине волны. При этом высокочастотное управление может осуществляться модуляцией тока накачки. Используя разработанные для волоконных лазеров модуляторы, можно обеспечить различные временные режимы, включая режим синхронизации мод с генерацией импульсов фемтосекундного диапазона.

Наибольшее распространение в промышленных образцах получили лазеры на Yb-активированном волокне (более эффективные, чем на Nd-активированных) с λ =1,04…1,08 мкм; на Er-активированном волокне с λ=1,56 мкм при накачке лазерными диодами с λ=0,97 мкм; на Tm-активированном волокне с λ =1,8-2,1 мкм при накачкой 1,56 мкм эрбиевым волоконным лазером. Использование рамановского рассеяния на волокне позволяет создать конвертеры, расширяющие доступный диапазон длин волн. При использовании в качестве задающего лазера на Yb-активированном волокне, оказывается возможным получить излучение с длинами волн в диапазоне 1,1…1,7 мкм. В российской группе компаний «Милон» был создан «белый лазер» (рис.9.11.), излучающий континуум длин волн в диапазоне 0,45-1,7 мкм (рис.9.12.), имеющий лазерную расходимость излучения и мощность 4 Вт.

Созданы волоконные лазеры с генерацией второй гармоники, основной проблемой для которых оказался малый ресурс работы нелинейных кристаллов.

На основе полупроводниковых и волоконных лазеров в российской кой части «IPG – Photonics», фрязинском НТО «ИРЭ-Полюс» было разработано семейство лазерных аппаратов для хирургии и силовой терапии. Cоответствующие серийно выпускаемые аппараты приведены в таблице 9.2. Все это создает большие и во многом еще не использованные возможности для использования описанных лазеров в биологии и медицине.

Качественный скачок по сравнению с традиционными лазерами аналогичен переходу от аналоговой электроники к цифровой. Соответственно перспективы применения ВДЛ в медицине являются настолько захватывающими, что вполне реально рассматривать ближайшее будущее как период вытеснения практически всех типов лазеров из медико-биологической практики и замену их ВДЛ.

Таблица 9.2.

Отечественные аппараты для хирургии и силовой терапии на основе полупроводниковых и ВДЛ-лазеров

(серийный выпуск)

Марка аппарата	АЛод-01 "АЛКОМ"	Лазон-10П	ЛС-0,97-ИРЭ- Полюс	ЛС-1,56-ИРЭ- Полюс	АТКУС-15	Кристалл	ЛМА
Длина волны, нм	810 или 980	970	970	970	810 или 980	808	980…1040
Мощн. изл., Вт	3(6;9;12)	10	10 (20;30)	5 (10)	15	7	40(10;20;80)
Режим.	Имп., непр.	Непр.	Имп., непр.	Имп., непр.	Имп., непр.	Имп., непр.	Имп., непр.
Пилот-лазер	Красный	зеленый	зеленый	зеленый	красный	красный	красный
Масса, кг	7,5(?)	6,5	6,5(9)	6,5(9)	15	5	28
Габариты, см		12х26х33	12х26х33	12х26х33	37х50х17	13х26х30	27х26х90
Потр. мощн. ВА	От 50 до 600	70	70 (100)	70 (100)		<100	200 (до 900)
Ресурс, час.		20000	20000	20000	10000
Øвол., мм	0,4	0,4…0,6	0,3…0,6(0,6)	0,3…0,6(0,6)	0,6	0,6	0,8(0,4;0,6;1)
Цена, руб.экв.*, $	3750…15000	6500	5900(8500, 12700)	10500(18500)	12500	8000	16800
Изготовитель	НПО "АЛКОМ-медика", С.-Петерб.	ФНПЦ "Прибор", Москва	НТО"ИРЭ-Полюс" Фрязино	НТО"ИРЭ-Полюс" Фрязино	"Полупро- воднико-вые приборы" С.-Петерб.	ИППВО, Москва	КБП, Тула

ЛИТЕРАТУРА к лекции 9.

1. П.С. Киреев. Физика полупроводников. ― М.: Высшая школа, 1969. ― 592 с.

2. Н.В. Карлов. «Лекции по квантовой электронике».

3. Л.С. Стильбанс. «Физика полупроводников».

4. Прикладная лазерная медицина. Учебное и справочное пособие. Под редакцией Х.-П. Берлиена, Г. Й. Мюллера: Пер. с нем. — М: «Интерэксперт», 1997 – 356 с.

5. V.P. Gapontsev and I.E. Samartsev. High-Power Fiber Laser // OSA Proceedings on Advanced Solid-State Lasers, 1991, 6 p. 258.