Генерация лазера с оптической накачкой на инертных газах


Просмотр статьи
PDF, 1,4 МБ

Generation of an optically pumped rare gas laser

This paper presents kinetic models of Ar-He, Kr-He, and Kr-Ar-He pulsed discharge plasmas and the results of calculating the lasing power in these media using these models. To validate the models, experiments were conducted to obtain lasing power in Ar-He, Kr-He, and Kr-Ar-He plasmas, and the power was measured. The discrepancy between the experimental and calculated values ​​was no more than 20%.

optically pumped rare gas laser (OPRGL), laser generation, diode pumping, krypton, metastable atoms, kinetic model.

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.27.3.1265

Алексей Валентинович Юрьев, Юрий Анатольевич Адаменков, Владислав Вячеславович Бадин, Михаил Александрович Горбунов, Валентина Александровна Шайдулина, Анна Андреевна Калачева, Борис Александрович Выскубенко

Том 27, выпуск 3, 2026 год



В работе представлены кинетические модели Ar-He, Kr-He и Kr-Ar-He плазмы импульсного разряда и результаты расчета мощности лазерной генерации в данных средах с помощью моделей. С целью проверки корректности моделей проведены эксперименты по получению лазерной генерации в Ar-He, Kr-He и Kr-Ar-He плазмах и измерена ее мощность. Расхождение между экспериментальными и расчетными значениями составило не более 20%.

лазер с оптической накачкой на инертных газах (ЛОНИГ), лазерная генерация, диодная накачка, криптон, метастабильные атомы, кинетическая модель.

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.27.3.1265

Алексей Валентинович Юрьев, Юрий Анатольевич Адаменков, Владислав Вячеславович Бадин, Михаил Александрович Горбунов, Валентина Александровна Шайдулина, Анна Андреевна Калачева, Борис Александрович Выскубенко

Том 27, выпуск 3, 2026 год



1. J. Han, M.C. Heaven. Gain and lasing of optically pumped metastable rare gas atoms // Optics Letters. – 2012. - Vol. 37, No. 11, pp 2157-2159.
2. Sun J., Wang R., Yang Z., Liu Q. and other. Efficient laser emission via a diode-pumped arc-plasma-state gain medium // Optica, 2025. Vol. 12, No. 12.
3. Liu Q., Wang R., Yang Z., Sun J., Yang W., Wang. H. and Xu X. Demonstration of a diode-pumped dual-wavelength metastable krypton laser // High Power Laser Science and Engineering, 2023. Vol. 11.
4. Sanderson C.R., Ballmann C.W., Han. J., Clark A.B., Hokr B.H., Xu K.G., Heaven M.C. Demonstration of a quasi-CW diode-pumped metastable xenon laser // Optics Express, 2019. Vol. 27, No. 24.
5. Torbin A.P., Chernyshov A.K., Svistun M.I., Mikheyev P.A. Study of Ne:He Plasma of a Periodically Pulsed Discharge for Optically Pumped Rare Gas Laser // Journal of Physics: Conference Series, 2021. Vol. 2067.
6. Juriev A.V., Adamenkov Yu.A., Gorbunov M.A., Kabak E.V., Kalacheva A.A., Shaidulina V.A.. Simultaneous Generation at Three Wavelengths in an Optically Pumped He–Kr–Ar Medium // Bulletin of the Lebedev Physics Institute, 2024, V.51, P. 374-380.
7. Juriev А.V., Adamenkov Yu.A., Gorbunov M.A., Kalacheva A.A., Shaidulina V.A. Kinetic processes of argon-helium plasma of a pulsed discharge // Журнал «Fluid Dynamics» 2025, Vol. 60:52.
8. Пархоменко А.И., Шалагин А.М. Аналитическая модель лазера на метастабильных атомах инертных газов с поперечной диодной накачкой // Квантовая электроника, 2022. Т. 52, № 10.
9. Emmons D.J., Weeks D.E. Kinetics of high pressure argon-helium pulsed gas discharge // J. Appl. Phys., 2017. Vol. 121.
10. Chen H., Long S., Qin Y., Tang X., Li X. Numerical investigation of scaling of diode pumped metastable rare-gas laser end-pumped, MOPA //Tenth International Conference on Information Optics and Photonics, 2018.
11. Demyanov A.V., Kochetov I.V., Mikheyev P.A. Kinetic study of a cw optically pumped laser with metastable rare gas atoms produced in an electric discharge // J. Phys. D: Appl. Phys., 2013. V. 46.
12. Юрьев А.В., Адаменков Ю.А., Горбунов М.А., Шайдулина В.А., Калачева А.А. Генерация на метастабильных атомах криптона на длине волны 893 нм с оптической накачкой // Успехи прикладной физики, 2024, T.12, №6.
13. Demyanov A.V., Kochetov I.V., Mikheyev P.A., Azyazov V.N., Heaven M.C. Kinetic analysis of rare gas metastable production and optically pumped Xe lasers // Journal of Physics D: Applied Physics, 2018. Vol. 51, No 4.
14. Юрьев А.В., Адаменков Ю.А., Выскубенко Б.А., Горбунов М.А., Калачева А.А., Шайдулина В.А. Xe-He плазма в качестве активной среды лазера с оптической накачкой на инертных газах // Физико-химическая кинетика в газовой динамике, 2025. Т.26, №7.
15. Liu Q., Wang R., Yang Z., Sun J., Yang W., Wang. H. and Xu X. Demonstration of a diode-pumped dual-wavelength metastable krypton laser // High Power Laser Science and Engineering, 2023. Vol. 11.
16. Юрьев А.В., Адаменков Ю.А., Горбунов М.А., Шайдулина В.А., Калачева А.А., Кабак Е.В. Одновременная генерация на трёх длинах волн в среде Гелий-Аргон-Криптон с оптической накачкой // 31-ая Международная конференция по передовым лазерным технологиям ALT-24, Владивосток, 23-27 сентября 2024 года. Сборник тезисов.
17. База данных сечений реакций взаимодействия с электронами [Электронный ресурс]. Режим доступа https://nl.lxat.net/data/set_specA.php (дата обращения 01.06.2025).
18. Zagidullin M.V., Mikheyev P.A. Numerical study of a nanosecond repetitively pulsed discharge in an Ar–He mixture at near atmospheric pressure // Phys. Plasmas, 2023, Vol. 30.
19. Han J., Heaven M.C. Kinetics of optically pumped Ar metastables // Optics Letters, 2014, Vol. 39, No. 22.
20. Заярный Д.А., Льдов А.Ю., Холин И.В. Тушение атомов криптона в метастабильном состоянии 5s(3P2) при столкновениях с атомами криптона и гелия // Квантовая электроника, 2013. Т. 43, №8.
21. Lee F.W., Collins C.B., Waller R.A. Measurement of the rate coefficients for the bimolecular and termolecular charge transfer reactions of He2+ with Ne, Ar, N2, CO, CO2, and CH4 // J. Chem. Phys., 1976. Vol. 65.
22. Karelin A.V., Simakova O.V. Kinetics of the active medium of a multiwave IR xenon laser in hard-ioniser-pumped mixtures with He and Ar // Quantum Electronics, 1999. Vol. 29, No. 8.
23. Shon J.W., Kushner M.J. Excitation mechanisms and gain modeling of the high-pressure atomic Ar laser in He/Ar miхtures // Journal of Applied Physics, 1994, vol. 75, pp. 1883-1890.
24. Jones J.D., Listert D.G., Wareing D.P. The temperature dependence of the three-body reaction rate coefficient for some rare-gas atomic ion-atom reaction rate coefficient for some atomic ion-atom reactions in the range 100-300 K // Journal of Physics B: Atomic and Molecular Physics, 1980, vol. 13, no. 16.
25. Praxmarer C., Hansel A., Jordan A., Kraus H., Lindinger W. Reactions of Kr+2 with various neutrals // International Journal of Mass Spectrometry and Ion Processes, 1993. Vol. 129.
26. Kannari F., Obara M., Fujioka T. An advanced kinetic model of electron‐beam‐excited KrF lasers including the vibrational relaxation in KrF*(B) and collisional mixing of KrF*(B,C) // J. Appl. Phys., 1985. Vol. 57.
27. Benstaali W., Bachir N.L.D., Bendella S., Belasri A., Harrache Z., Caillier B. Theoretical Kinetics Investigation of Krypton Dielectric Barrier Discharge for UV Lamp // Plasma Chemistry and Plasma Processing, 2020. Vol. 40.
28. Бойченко А.М., Яковленко С.И. О возможности получения генерации на ионных молекулах NeAr+ при накачке инертных газов жестким ионизатором // Квантовая электроника, 2000. Т. 30, №8.
29. Dytko N.A., Ionikh Y.Z., Kochetov I.V., Experimental and theoretical study of the transition between diffuse and contracted forms of the glow discharge in argon, Journal of Physics D: Applied Physics, 2008, vol. 41, no. 5.
30. Биберман Л.М., Воробьев В.С., Якубов И.Т. Кинетика неравновесной низкотемпературной плазмы. М.: Наука, 1982.
31. Черчиньяни К. Теория и приложения уравнения Больцмана. — М.: Мир, 1978. — 495 с.
32. Власов В. В. Элементарные процессы в плазме газового разряда – Х.: ХНУ, 2008. – 175 с.
33. Stankov M., Becker M.M., Hoder T., Loffhagen D. Extended reaction kinetics model for non-thermal argon plasmas and its test against experimental data // Plasma Sources Science and Technology, 2022. Vol. 31, No. 12.
34. Zhu X., Pu Y. A simple collisional–radiative model for low-temperature argon discharges with pressure ranging from 1 Pa to atmospheric pressure: kinetics of Paschen 1s and 2p levels // Journal of Physics D: Applied Physics, 2009. Vol. 43, No 1.
35. Shiu S., Biondi M., Dissociative recombination in argon: Dependence of the total rate coefficient and excited-state production on electron temperature, Physical review A, 1977, vol. 17, no. 3, pp. 868-872.
36. Liu H., Chen H., Ma D. Modeling of flowing gas diode pumped rare gas atoms laser // Results in Physics, 2024. Vol. 58
37. Aouame K., Destombes V., Brunet H., Galy J., Guillot Ph., Roubi L. Spectroscopic and kinetic analysis of the krypton VUV continuum in neon-krypton mixtures // Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics, Vol. 31, No 22.
38. Yang Z., Wang H., Yu G., Lu Q. diode pumped metastable rare gas lasers // Optics Express, 2015. Vol. 23, No. 11.
39. Long S., Qin Y., Chen H., Wu X., Li M., Tang X., Wen T.Two-stage excitation model of diode pumped rare gas atoms lasers // Optics Express, 2019. Vol. 27, No. 3.
40. Eshel B., Perram G.P. Five-level argon–helium discharge model for characterization of a diode-pumped rare-gas laser // Journal of the Optical Society of America B, 2018. Vol. 35, No. 1.
41. Han J., Heaven M.C. Kinetics of optically pumped Kr metastables // Optics Letters, 2015. Vol. 40, No. 7.
42. База данных параметров электронных уровней и переходов между ними [Электронный ресурс]. Режим доступа https://www.nist.gov/pml/atomic-spectra-database (дата обращения 01.06.2025).
43. Golubovskii Yu., Gorchakov S., Loffhagen D., Uhrlandt D. Influence of the resonance radiation transport on plasma parameters // Eur. Phys. J. Appl. Phys., 2007. Vol. 37.
44. Yuan-Yi S., Peng L., Xin-Bing W., Du-Luo Z. Ar-Kr resonance energy transfer in He/Ar/Kr optically pumped rare gas laser medium // Acta Phys. Sin., 2023. Vol. 72, No. 19.
45. Заярный Д.А., Льдов А.Ю., Холин И.В., Дезактивация атомов криптона в метастабильном состоянии 5s при столкновениях с атомами криптона и аргона, Квантовая электроника, 2009. Т. 39, №9.
46. Long S., Qin Y., Chen H., Wu X., Li M., Tang X., Wen T. Two-stage excitation model of diode pumped rare gas atoms lasers // Optics Express, 2019. Vol. 27, No. 3.
47. Адаменков А.А., Адаменков Ю.А., Волков М.А., Выскубенко Б.А., Гаранин С.Г. и др. Лазер на метастабильных атомах Ar* с поперечной оптической накачкой мощностью 1 Вт // Журнал «Квантовая электроника» – 2022, Т52, №8, с.695-697
48. Han J., Heaven M.C., Moran P.J., Pitz G.A., Guild E.M., Sanderson C.R., Hokr B. Demonstration of a CW diode-pumped Ar metastable laser operating at 4 W // Optics Letters, 2017. Vol. 42, No. 22.
49. Адаменков Ю.А., Выскубенко Б.А., Горбунов М.А., Калачева А.А., Шайдулина В.А., Юрьев А.В. Генерация по четырехуровневой схеме лазера с оптической накачкой на метастабильных атомах аргона // Фотоника, 2026. Т. 1.