АО «НИИ «Полюс» им. М.Ф.Стельмаха»

Первые лазеры с диодной накачкой


В. А. Пашков

Сегодня специалистам хорошо известны преимущества твердотельных лазеров с диодной накачкой по сравнению с накачкой ламповой. Это высокая эффективность и надежность лазеров, высокое качество лазерного излучения, отсутствие жидкостного охлаждения. А примерно 30 лет назад о возможностях реализации таких лазеров вряд ли кто думал всерьез.

В середине 70-х годов я занимался исследованиями процессов лазерного разрушения прозрачных диэлектриков и поиском путей повышения их световой стойкости. В это время Митрофан Федорович несколько неожиданно для меня предложил проработать возможность применения для накачки лазера на гранате лазерных диодов вместо традиционных ламп накачки. По тому времени это была оригинальная идея, т.к. такие лазеры можно было отнести к разряду экзотических.

Понаслышке мы знали, что идея применить полупроводниковые диоды для накачки сверхмощных лазеров для термоядерного синтеза обсуждалась в то время в ФИАНе в лаборатории академика Н.Г.Басова. Однако эта идея выглядела скорее как фантастический проект, да и сейчас она далека от практической реализации.

Митрофан Федорович увидел в идее диодной накачки другое полезное содержание – возможность применять накачку лазерными диодами для создания эффективных лазеров относительно небольшой мощности (тех, что сегодня называют мини-лазерами).

Особенно ему казалась важной возможность объединения в этой задаче усилий двух крупных направлений, созданных и развивающихся в институте, - полупроводниковых и твердотельных лазеров. Действительно, в то время такой возможностью вряд ли кто обладал в других научных центрах.

Первая работа – НИР «Колосок» - была поставлена по внутреннему плану института. Поскольку в работе участвовали на паритетных началах два направления в институте, несмотря на скромный (по финансированию) характер этой первой работы, мы попросили Митрофана Федоровича возглавить эту работу и получили его согласие.

Довольно скоро был запущен твердотельный лазер с накачкой многоэлементным диодным лазером, излучение которого фокусировалось в торец активного элемента из АИГ с неодимом. Этот лазер работал вблизи порога генерации с «глухим» резонатором, излучал очень небольшую мощность и был пригоден лишь для демонстрации возможности диодной накачки. Следует отметить, что за несколько лет до этого один из ведущих сотрудников «Полюса» Ю.И.Кружилин использовал (по-видимому, одним из первых в мире) диодную накачку для получения генерации на CaF2 c U2+. Однако в то время лазерные диоды с двойной гетероструктурой (ДГС) еще не были созданы, а лазеры с одинарной ГС требовали для работы охлаждения до температуры жидкого азота. Охлаждение активного элемента из CaF2 c уранил-ионом также снижало порог генерации. Поэтому лазер Ю.И.Кружилина работал лишь при «азотной» температуре.

Таким образом, в работе по теме «Колосок» мы, видимо, создали первый лазер с диодной накачкой, не требующей охлаждения.

Вслед за этим Митрофан Федорович поставил следующую задачу: создать лазер с диодной накачкой, которой мог бы применяться на практике, например, для юстировки более сложных неодимовых лазеров (с ламповой накачкой), измерения характеристик оптических материалов и лазерных кристаллов на длине волны генерации неодимового лазера и других измерительных задач.

Поскольку было ясно, что для получения заметной выходной энергии (или мощности) твердотельного лазера возможности «торцевой» накачки ограничены, было принято решение использовать «боковую» накачку с помощью линейки, состоящей из набора диодов. Однако лазерные диодные линейки в то время были слишком сложны в изготовлении (МОС-гидридной технологией роста структур мы тогда не владели и создать линейку с применением планарной технологии, естественно, не могли). Поэтому специалисты отделения 300 решили изготовить для накачки линейку светодиодов. Эта работа была выполнена в лаборатории, возглавляемой И.С.Голдобиным. Сборку линейки осуществлял Е.А.Белоновский.

Я помню, как, получив первые линейки для накачки, мы не могли получить генерацию, хотя долго возились с юстировкой, меняли пропускание зеркал, геометрию отражателей и т.д. Тогда придумали простое решение – использовать для накачки одновременно комбинацию из светодиодной линейки и обычной лампы накачки, расположив их с двух боковых сторон активного элемента. Синхронизовав во времени импульсы этих двух источников накачки, мы получили генерацию, однако оказалось, что доля диодной накачки составляет только около половины от требуемой пороговой энергии.

Теперь было понятно, сколько энергии диодной накачки нам не хватает, и мы рискнули постепенно увеличить ток накачки через диодную линейку, хотя заранее не знали, при каком токе она может сгореть. Итак, мы увеличивали долю диодной накачки, снижая долю накачки ламповой. Какова же была наша радость, когда ламповая накачка была отключена, а лазер генерировал только от диодной линейки. В этой работе участвовали сотрудники лаборатории И.И.Куратев, В.И.Билак, в дальнейшем молодой специалист Ю.В.Цветков.

Митрофан Федорович высоко оценил этот первый скромный результат и решил сообщить о нем в ГНТУ нашего Министерства с тем, чтобы привлечь внимание руководства к перспективному направлению. А в ГНТУ нам сообщили, что мы отстали от жизни, и в организации «Гириконд» завершается разработка лазера с диодной накачкой с выходной мощностью 1 Вт (средняя мощность нашего лазера исчислялась милливаттами).

Конечно, Митрофан Федорович сразу же предложил познакомиться с работой «Гириконда» на месте, и мы выехали в Ленинград. Оказалось, срок работы ленинградцев подходил к концу, однако генерация не была получена вовсе. Мы вместе проанализировали возникшую ситуацию и убедились в том, что имеющиеся в наличии диодные линейки аналогичны нашим и позволят получить выходные мощности лазера значительно меньшие, чем заданные в ТЗ.

Тем не менее, наш опыт создания лазера с диодной накачкой позволил в «Гириконде» запустить лазер и так или иначе выйти из затруднительного положения. В дальнейшей работе мы использовали сложившуюся кооперацию: «Гириконд» г.Ленинград – изготовитель светодиодных линеек, «НИИМЭТ» г.Калуга – разработчик и изготовитель полупроводниковых структур для линеек.

В результате последующей работы мы попытались создать конструкцию лазера, которую можно было выпускать на производстве в «Полюсе». Была создана конструкция лазера, которая обеспечивала нужные параметры, но вид ее был, мягко говоря, непрезентабельным.

Митрофан Федорович предложил обратиться к нашим дизайнерам (возглавлял лабораторию дизайна А.А.Кутеров) для приведения конструкции в приемлемый вид.

Ранее по роду моей работы мне не приходилось работать с дизайнерами, и я, не слишком веря в успех, перед своим отпуском передал имеющиеся наработки и технические особенности лазера Кутареву. Через месяц, вернувшись из отпуска, я обнаружил у себя на столе небольшую изящную лазерную головку с удачной колеровкой и каким-то иностранным лейблом на крышке. Мне сказали, что этот лазер передал в мое отсутствие А.А.Кутеров. Я позвонил ему и спросил, что за фирма и из какой страны выпускает такие лазеры, и как он его достал. В ответ услышал, что это и есть наш макетный лазер-уродец, переработанный дизайнерами. Я был просто потрясен – вид лазера мне очень понравился. Уже сообща мы спроектировали небольшой сетевой источник питания вполне приличного вида, и такой лазер был запущен в производство. Это было в 1978 году.

Лазеры с диодной накачкой выпускались несколько лет и применялись как на «Полюсе», так и покупались другими организациями, разрабатывающими или производящими лазерные или оптические системы.

Не могу не похвастаться. Митрофан Федорович организовал небольшую комиссию по приемке работы и пригласил председателем Ж.И.Алферова, которого заинтересовали возможности новых лазеров. В дальнейшем мы неоднократно бывали в Ленинградском физико-техническом институте, пытаясь совместно повысить эффективность светодиодных линеек, увеличив т.н. их «внешний квантовый выход» (работали с Д.Гарбузовым и Портным).

В дальнейшем диодная накачка оказалась одним из ключевых направлений.

К сожалению, последовавшие в дальнейшем изменения в руководстве института и в приоритетах работ нарушили сложившуюся кооперацию, и в то же время, когда диодной накачкой стали интенсивно и успешно заниматься в США, Японии и других странах, в «Полюсе» работы в этом направлении продолжила небольшая группа энтузиастов, которую возглавил И.И.Куратев. Эта группа, ставшая теперь известной в мире фирмой, специализируется на разработке и производстве одного из видов лазеров с диодной накачкой – мини-лазеров.

Возможно, «Полюс» мог бы стать лидером в этом перспективном направлении лазерной техники в значительно более широком плане, если бы Митрофан Федорович с его энтузиазмом и чувством перспективы оставался бы и дальше руководителем этих работ.

В. А. Пашков,
доктор технических наук, профессор,
Лауреат Государственной премии СССР,
начальник отделения НИИ «Полюс» им. М.Ф.Стельмаха

Почтовый адрес
РФ, 117342, г. Москва,
ул. Введенского, д. 3, корп. 1
Телефон и факс
Телефон:
+7 495 333-91-44
Факс:
+7 495 333-00-03
Интернет
E-mail:
bereg@niipolyus.ru
Skype:
niipolyus