Главная Архив номеров N-18 март 2008 МОЩНЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ СТРУКТУРЫ ЛАЗЕРНЫХ ДИОДОВ И ИХ НОВЫЕ ПРИМЕНЕНИЯ
 

Авторизация



МОЩНЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ СТРУКТУРЫ ЛАЗЕРНЫХ ДИОДОВ И ИХ НОВЫЕ ПРИМЕНЕНИЯ Печать

В.В. Аполлонов, д.ф-м.н., профессор.

Лазер сегодня
Первый источник когерентного светового излучения – лазер был создан в 60-годы XX столетия. За следующие 40 лет исследований разработаны различные типы лазеров: газовые, твердотельные, жидкостные, полупроводниковые и др. Получены большие выходные мощности лазерного излучения при малой расходимости пучка, что позволило передавать световую энергию на большие расстояния.
Однако до настоящего времени лазеры, и в особенности мощные лазеры, являются больше лабораторными приборами, требующими постоянного кропотливого надзора, осуществляемого специально обученным персоналом. Следует отметить, что практически все современные мощные лазерные системы имеют невысокую эффективность (порядка единиц процентов), что вызвано большими массогабаритными характеристиками установок. Невысокий КПД, в частности, определяется малой эффективностью систем возбуждения большинства современных лазеров.
Наиболее перспективными в настоящее время являются полупроводниковые лазеры. Они обладают наивысшим коэффициентом полезного действия, достигающим более 70%. Современные технологии изготовления полупроводниковых структур позволили существенно увеличить время жизни лазеров, которое составляет десятки тысяч часов непрерывной работы. Вариация состава полупроводникового материала позволяет изменять спектральный диапазон излучения от инфракрасного до ультрафиолетового.
Полупроводниковые лазеры – единственные лазерные приборы, используемые в бытовой технике, а именно, в средствах связи и электронных приборах. Цена полупроводниковых лазеров все еще высока, но падает из года в год по мере роста объемов производства. Полупроводниковые лазеры очень компактны и просты в эксплуатации.
Главная особенность лазеров на основе полупроводниковых структур, которая позволила работать им при комнатных температурах – это небольшой объем активной среды. Поэтому выходная мощность одиночного диода невысока. В настоящее время она не превышает 10 Вт. Для увеличения выходной мощности необходимо задействовать одновременно большое количество лазерных диодов, которые формируются в одномерные (линейки) или двумерные (матрицы) структуры. Это направление создания мощных полупроводниковых лазерных систем стало развиваться сравнительно недавно, но в последнее время очень бурно.
Сборка (блок из нескольких) лазерных диодов обладает практически всеми замечательными свойствами одиночных полупроводниковых лазеров: высокой интенсивностью, высокой надежностью, большим временем жизни (до 1012 циклов). Эти лазеры имеют существенно меньшие массогабаритные размеры (до порядка) в сравнении с другими типами лазеров, легко могут быть выполнены с автономными низковольтными источниками питания (солнечная, ядерная энергетики) без громоздких преобразователей. Оборудование на основе сборок лазерных диодов действительно становится надежным высокоэффективным инструментом, который может использоваться как в обрабатывающем цехе, в медицине, так и военном деле.
Практически все развитые страны, так или иначе, участвуют в разработке и создании подобных лазерных систем. Лидирующая роль здесь принадлежит США, Германии, Англии и Франции. Интерес к созданию этих систем огромен. Буквально за последние два года в США, например, появилось множество маленьких фирм, специализирующихся исключительно на производстве таких лазеров.
К сожалению, в силу специфики излучения полупроводникового лазера, а тем более большого числа одновременно работающих независимых лазеров, собранных в матрицу (линейку), не представляется возможным его непосредственное использование в каких-либо технических приложениях. Поэтому сейчас наметились три основных направления использования мощных сборок лазерных диодов.
Первое: накачка твердотельных кристаллических лазеров. Последние, обладая высоким качеством выходного излучения, работают как световой трансформатор. Эффективность такой системы невелика в силу низкого КПД твердотельных лазеров, однако, накачка полупроводниковыми лазерами делает ее максимально возможной. Излучение полупроводниковых лазеров абсолютно не портит рабочую среду кристаллических лазеров, чем существенно продлевает срок службы всей лазерной системы. Массогабаритные характеристики таких систем невелики, что позволяет делать их транспортабельными. Основная цель – это разработка и создание диодных матриц (линеек) с возможно большей плотностью мощности излучения. Рекордные цифры – 100 – 115 Вт с одной диодной линейки длиной 1 см получены в компании “Когерент” в США. Предельная величина мощности с одной линейки, как показывают расчеты, может достигать величины 500 Вт. В ИОФ РАН в отделе “Мощные лазеры” также ведутся работы в этом направлении. Наибольшая достигнутая мощность – 80 Вт с одной диодной линейки длиной 1 см. Твердотельными лазерами с диодной накачкой занимаются большое количество фирм в разных странах мира. Мощные же системы с диодной накачкой разрабатываются в основном в крупных фирмах США, таких как Ливерморская Национальная лаборатория, компании “Рафин-Синар”, “Когерент”, “Спектра-физикс”.
Второе: важная задача – это ввод излучения диодной матрицы в световод для последующей транспортировки к объекту обработки. Потери излучения в системе лазер – световод составляют 20 – 30%. В настоящее время известно о подобных системах мощностью 200?300 Вт, промышленно изготавливаемых в США и Германии.
Третье и, видимо, наиболее перспективное направление использования сборок лазерных диодов – это создание фазированной диодной матрицы. Выходное излучение такого лазера представляет собой набор узконаправленных интерференционных пиков (в частном случае один пик) с малой расходимостью. По оценкам выходная мощность может достигать мощности обычной несфазированной диодной матрицы. Таким образом, этот лазер представляет собой источник излучения с высоким КПД, присущим полупроводниковым лазерам и малой расходимостью характерной для твердотельных кристаллических лазеров. По аналогии с техникой фазированных антенн в радиодиапазоне, расходимость излучения в случае фазированных диодных матриц может легко быть доведена до 10-6 рад без дорогостоящих телескопических систем, что обеспечивает сверхдальнюю связь и передачу энергии на большие расстояния.
В настоящее время подобные системы находятся в стадии научного исследования, однако в ООО “Энергомаштехника”, где эта работа ведется с 1997 года, был создан макет сфазированного лазерного источника с выходной мощностью ок. 20 Вт. Показана возможность масштабирования процесса фазировки линеек и матриц лазерных диодов.В настоящее время нами созданы матрицы лазерных диодов мощностью до 500Вт. Продолжаются исследования фазировки лазеродиодных структур на больших уровнях мощностей. По данным открытой печати в других странах максимальная выходная мощность в фазированном режиме зарегистрирована на уровне всего лишь 1,5 Вт.

Создание лазерной системы многократного поджига компонентов ракетного топлива в камере сгорания ракетоносителя.

Одним из наиболее важных применений источника излучения на основе структуры лазерных диодов является создание системы многократного поджига компонентов ракетного топлива в камере сгорания ракетоносителя. Помимо того, что параметры излучения лазерной системы должны обеспечивать многократный поджиг смеси со 100% вероятностью, конструкция лазера должна соответствовать следующим требованиям, характерным для применяемых в настоящее время в космической технике бортовых лазеров:
1. Компактность
2. Малые габариты и вес
3. Отсутствие высокого напряжения в системе питания
4. Устойчивость к вибрациям и перегрузкам
5. Отсутствие системы активного охлаждения (включающей замкнутый контур с хладогентом и насос для его прокачки)
6. Большой ресурс работы.
Новым и специфическим требованием к лазеру, связанным с особенностями конструкции ракетоносителя, является необходимость ввода лазерного излучения в камеру сгорания через оптическое волокно. Соответственно, пиковая и средняя мощность лазера должны позволять ввести его излучение в волокно с минимальной вероятностью его повреждения.

Полученные ранее результаты и их обсуждение.

Начиная с июля 2002 года в рамках проекта МНТЦ № 1926 на стенде в ИЦ им. М.В.Келдыша с участием специалистов этого института, а также специалистов ООО «Энергомаштехника» и КБХА проводились работы по созданию лазерной системы многократного поджига компонентов ракетного топлива в форкамере (или запальнике) двигателя третьей ступени ракетоносителя. В ходе этих работ использовались следующие источники лазерного излучения:
1. Твердотельный лазер, работающий в модифицированном пичковом режиме, впервые предложенном и запатентованном в ООО «Энергомаштехника» со следующими параметрами излучения:
длина волны – 1.054 мкм,
выходная энергия – 4 – 10 Дж,
временная форма излучения – пачка из 100-150 импульсов с нерегулярным периодом,
частота повторения цугов импульсов – однократный режим,
длительность пачки - 600 – 700 мкс,
длительность отдельного импульса – 200-400 нс,
интервал между импульсами – 4 – 7 мкс,
пиковая мощность излучения ~ 100 кВт,
расходимость излучения – 4 10-4 ,
тип накачки активного элемента – ламповая.
Отличия временной формы модифицированного пичкового режима позволили реализовать существенно более высокую пиковую мощность излучения по сравнению с традиционным импульсом той же энергии.
Лазер представлял собой лабораторный макет с достаточно громоздкими источниками питания и охлаждения и габаритами излучателя ~ 200 х 200 х 1400 мм. Внешний вид излучателя лазера показан на Рис.1.

2. Твердотельный импульсный лазер с модуляцией добротности:
длина волны – 1.06 мкм,
энергия импульса излучения – до 1 Дж,
пиковая мощность – до 100 МВт,
длительность импульса – 10 нс,
частота повторения – однократный режим или 10 Гц.
Лазер тем не менее представлял собой достаточно громоздкий лабораторный стенд.
3. Серийный волоконный лазер на иттербиевом волокне марки YPL1/100/20 :
длина волны излучения – 1.062 мкм,
средняя мощность излучения – 20 Вт,
длительность импульсов – 120 – 150 нс,
частота повторения – 20 – 80 кГц.
максимальная энергия в импульсе – 1 мДж,
максимальная пиковая мощность – 10 кВт,
расходимость излучения - 10-3—3•10-3рад
Лазер обладал существенно меньшими габаритами, чем два вышеупомянутых, суммарный вес блока питания и излучателя составлял 8 кг. (рис. 2).

В экспериментах исследовалось воспламенение следующих топливных смесей в форкамере (или запальнике) двигателя третьей ступени ракетоносителя: кислород – керосин, кислород – спирт, кислород – водород. На первом этапе исследований излучение вводилось внутрь форкамеры через оптическое окно, которое устанавливалось в посадочное место штатной электрической свечи зажигания. Излучение фокусировалось линзой установленной вне камеры на мишень расположенную внутри камеры. В экспериментах:
1) металлическая сетка, устанавливаемая в канал ввода лазерного луча. С этой мишенью успешно осуществлялся поджиг топливной смеси. За счет большого капиллярного сопротивления мишень в виде сетки эффективно защищала сапфировое окно ввода лазерного луча от попадания на него капель конденсата. К недостаткам данной мишени можно отнести наличие проблемы обеспечения ее теплостойкости при работе камеры сгорания;
2) графитовый стержень, закрепленный в медном кольце, вставленном в камеру сгорания. Данную мишень можно перемещать по оси камеры сгорания, определяя тем самым оптимальные зоны для инициирования поджига. С данной мишенью удавалось поджечь топливную смесь при очень низких уровнях энергии лазерного излучения. Недостатком мишени является возможность ее разрушения в высокотемпературной окислительной среде;
3) покрытая окислами стенка дозвуковой части выходного сопла, специальные мишени в камере сгорания отсутствуют. Лазерный луч фокусировался на стенку при помощи длиннофокусной линзы. Данный вариант представляется наиболее надежным для осуществления поджига, так как не предъявляются высокие требования к фокусировке и отсутствуют какие-либо изменения в схеме камеры сгорания.
Результаты экспериментов показали существенное преимущество лазера №1 над остальными: с его помощью были подожжены все вышеупомянутые смеси с большим запасом по энергии излучения. В частности, порог зажигания для смеси кислород-водород составил 90 мДж.
С помощью лазера №2 была подожжена только смесь водород – кислород (известно, что именно эта смесь наиболее легко воспламеняется) , порог по зажиганию составил 60 мДж.
С помощью лазера №3 были подожжены все вышеупомянутые смеси. Однако, надежный поджиг осуществлялся только при использовании полной мощности лазера (20 Вт), оптимальной частоты повторения 50 кГц и мишени конической формы, которая обеспечивала кумуляцию испаренного с мишени вещества и, соответственно, его дополнительный разогрев.
По нашему мнению, в экспериментах с лазерами №1,3 порог оптического пробоя смеси газов вблизи мишени не достигался, основной механизм поджига – контакт газовой смеси с нагретыми парами материала мишени. Так как в случае лазера №1 пиковая мощность была примерно в 10 раз выше, то существенно больше была температура испаренного вещества. Скорее всего, именно этот параметр сыграл решающую роль в успешном поджиге более трудновоспламенимых смесей кислород – керосин и кислород – спирт.
В экспериментах с лазером №2 вследствие существенно большей пиковой мощности существенно превышался порог оптического пробоя газовой смеси. При этом плазма образовавшаяся вблизи мишени на фронте лазерного импульса экранирует ее от остальной части импульса и существенного испарения вещества мишени не происходит. Поэтому основной механизм поджига – воспламенение газовой смеси при ее контакте с лазерной плазмой. Однако, судя по результатам экспериментов, этот тип поджига менее эффективен, так как не позволяет поджечь более трудновоспламенимые смеси. На основании проведенных экспериментов можно сделать следующие выводы:
1. Механизм лазерной абляции более эффективен для поджига ракетных топливных смесей ,чем оптический пробой смеси. Дополнительным аргументом в пользу абляции является тот факт, что сама топливная смесь в этом процессе не участвует. Следовательно, горячие пары мишени могут быть созданы до или во время впрыска компонентов топлива. В случае же оптического пробоя смеси его порог существенно зависит от состава газовой смеси и давления в камере. В этом случае пробой может происходить уже после заполнения камеры смесью. Такой режим проходит в случае малогабаритной форкамеры, но может привести к самовоспламенению смеси и взрыву при больших объемах камеры сгорания двигателя.
2. Энергия лазерного импульса (а, следовательно, и его пиковая мощность) существенно влияют на температуру испаренного вещества, а общая энергия цуга импульсов на его массу. Увеличение как температуры, так и массы испаренного вещества обеспечивают более надежное зажигание топливных смесей. Следовательно, при создании идеального лазера для поджига необходимо оптимизировать как пиковую мощность отдельного импульса, так и энергию цуга импульсов (в случае импульсно-периодического лазера, среднюю мощность). Вероятно также, что важным параметром лазера является частота повторения импульсов. При оптимальной частоте следования возможен дополнительный нагрев паров мишени последующими импульсами, но таким образом, чтобы пары мишени не полностью поглощали падающее излучение и позволяли осуществляться абляции во всех импульсах цуга. Так при работе с лазером №3 оптимальной оказалась частота 50 кГц, при которой наблюдался непрерывный оптический разряд вблизи мишени.

Волоконно-оптический ввод излучения и его преимущества.

Использование оптического волокна для ввода излучения в камеру сгорания позволяет исключить установку оптического окна в стенку камеры и вводить излучение через малое отверстие в корпусе, сравнимое по диаметру с теми, которые используются для впрыска компонентов топливных смесей (сотни мкм). Установка оптического окна часто невозможна из конструктивных соображений, кроме того, представляет собой дополнительную опасность из-за возможности взрыва окна при сверхвысоких температурах и давлениях в камере сгорания.
Поэтому на втором этапе работ былa разработана и изготовлена оригинальная конструкция для ввода оптического излучения в волокно и ввода этого волокна внутрь камеры сгорания. Конструкция обеспечивала высокую надежность крепления волокна, его хороший ресурс без переполировки торца, находящегося в каме ре сгорания и оптимальную подачу излучения на мишень. Оптическая схема системы поджига с волоконно-оптическим вводом показана на рис. 3. В последующем эта конструкция использовалась для ввода излучения лазеров №1, 3.

Излучение лазера №2 не могло быть введено в волокно вследствие высокой пиковой мощности, приводящей к повреждению торца волокна.
Параметры излучения и особенности конструкции предлагаемых новых разработок лазеров.
Исходя из вышеизложенного, предлагается последовательно протестировать для поджига компонентов ракетного топлива в камере сгорания разгонного блока ракетоносителя (смесь кислород–водород) лазеры собственной разработки ООО «Энергомаштехника» со следующими параметрами излучения:
I. Твердотельный лазер с полупроводниковой накачкой
длина волны излучения – 1.06 мкм,
длительность импульса излучения – 100 – 200 нс,
энергия импульса – 10 – 50 мДж,
пиковая мощность – 50 - 500 кВт,
интервал следования импульсов – 5 – 100 мкс (оптимальный интервал определяется для каждой рабочей смеси),
время непрерывной работы – 5 с.
Исходя из опыта создания твердотельных лазеров с полупроводниковой накачкой и матриц лазерных диодов в ООО «Энергомаштехника», мы пришли к выводу, что такие параметры может обеспечить твердотельный лазер с поперечной диодной накачкой, использующий для модуляции излучения пассивный оптический затвор, а также матрицы лазерных диодов в несфазированном и сфазированном режимах. В настоящее время получен режим генерации лазера с энергией импульса излучения 50 мДж и частотой повторения 50 Гц. В случае, если не требуется долговременный непрерывный режим работы (лазер работает в пределах 1 – 5 с), возможно существенное увеличение частоты повторения импульсов (до 1 кГц) без снижения энергии импульса.
II. Матрица лазерных диодов в несфазированном режиме
(промежуточный этап)
длина волны излучения – 0.808 мкм,
режим работы – импульсно-периодический,
длительность импульса излучения – 100 мкc,
энергия импульса – 0.2 Дж,
пиковая мощность – 2 кВт,
максимальная пиковая плотность мощности при фокусировке - 2 МВт/см2,
частота повторения импульсов – 1 кГц,
время непрерывной работы (без охл.) – 5 с.
III. Матрица лазерных диодов в сфазированном режиме
длина волны излучения – 0.940 мкм,
режим работы - непрерывный,
мощность – 40 Вт,
максимальная плотность мощности при фокусировке - 40 МВт/см2,
время непрерывной работы (без охл.) – 5 с.
По сравнению с твердотельным лазером с полупроводниковой накачкой матрица лазерных диодов, работающая как в несфазированном (более дешевом), так и в сфазированном режимах представляется еще более компактным и надежным устройством зажигания. Поскольку, как было показано выше, механизм лазерной абляции представляется более эффективным для поджига ракетных топливных смесей, чем оптический пробой, то устройства на основе матричной технологии должны занять исключительно важное положение в решении обсуждаемых выше задач. Следует отметить, что первые образцы матриц лазерных диодов, разработанных для иных целей, уже получены в ООО «Энергомаштехника». В настоящее время ведутся работы по фазировке излучения лазерных диодных структур.
Оценки показывают, что излучение предлагаемых лазеров может быть заведено в оптическое волокно без опасности его повреждения. Значительное увеличение энергии импульса и его длительности при высокой частоте их повторения в течение 5 с или переход к непрерывному режиму с острой фокусировкой излучения в условиях его фазировки позволяют считать предлагаемые нами сверхкомпактные лазерные системы идеальными устройствами для решения задачи гарантированного многократного поджига различных компонентов ракетного топлива в камерах сгорания ракетоносителей.
Таким образом, мощные диодные матрицы – это перспективные источники излучения, доминирующая роль которых в новом тысячелетии обеспечена уникальным набором их базовых свойств и характеристик.

 
Разработка сайтов