Содержание к диссертации
Gtp.
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА I. МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ ТЕМПЕРАТУР С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ С02-ЛАЗЕРА, ГЕНЕРИРУЩЕГО НА
НЕТРАДИЦИОННЫХ ПЕРЕХОДАХ 13
1.1. Известные методы определения колебательных температур и населенностей колебательных уровней
в молекулярных средах 15
1.2. Обоснование новой методики диагностики активных
сред и анализ,, ее погрешности 21
1.3. Эффективная генерация на линиях нетрадиционных
переходов в непрерывном отпаянном С02-лазере. . 31 ГЛАВА П. КОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ ТЕМПЕРАТУРЫ В ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНЫХ
СО^ІАЗЕРАХ 50
2.1. Зависимость температур от величины тока разря
да и их связь с мощностью генерации в непрерыв
ном СО^-лазере 51
2.2. Методика измерений и расчета временных зависи
мостей усиления и температур 59
2.3. Исследование кинетики колебательных температур
в TEA С02-модуле 68
2.4. Генерация излучения с длиной волны 4,3 мкм. . . 81
2.5. Влияние малых добавок три-н-пропиламина на характе
ристики TEA СО^-лазера 88
ГЛАВІ Ш. ИССЛЕДОВАНИЕ УСИЛЕНИЯ И ВЫХОДНЫХ ПАРАМЕТРОВ В
TEA С02-ЛАЗЕРЕ, ГЕНЕРИРУЮЩЕМ НА ЛИНИЯХ ПОЛОСЫ
0III-III0 108
Стр.
3.1. Зависимость усиления в горячей полосе от
колебательных температур 109
3.2. Исследование усиления в горячей полосе . . . ИЗ 3.3. Исследование условий эффективной генерации в
горячей полосе 128
3.4. Исследование выходной энергии при перестройке по линиям горячей полосы молекул vJOg и
13С02 139
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 148
ПРИЛОЖЕНИЕ 151
ЛИТЕРАТУРА 153
Введение к работе
В настоящее время лазерные системы на СС^ получили самое широкое применение в науке и технике /1-4/. Это связано прежде всего с их способностью генерировать излучение большой мощности с высоким клі.д. Другое весьма важное достоинство СО^-лазеров -возможность перестройки длины волны генерации по отдельным линиям в диапазоне от ~ 9,2 до —10,9 мкм. Это широко используется для селективного воздействия излучения на вещество /5,6/. Кроме того, СС^-лазеры имеют сравнительно простую и надежную конструкцию.
Достижению высоких выходных параметров С02-лазеров в значительной мере способствовали интенсивные исследования физических процессов;' лежащих в основе их работы. Начиная с 1964 года, когда Пейтел впервые сообщил о получении генерации на двуокиси углерода, ни одна лазерная система не привлекала к себе столь пристального внимания исследователей. Тем не менее, интерес к СС^-лазерам в настоящее время не ослабевает, о чем можно судить по многочисленным публикациям как в советской; так и в зарубежной литературе;
Среди основных направлений, по которым ведутся исследования, можно выделить следующие: оптимизация выходных параметров СС^-лазеров, в первую очередь; мощных систем (увеличение удельного-энергосъема, выходной мощности, повышение к.п.д. и т.д.) /7-Ю/; создание лазеров с заданными выходными параметрами, например, для локации; связиV управляемого термоядерного синтеза и для ряда других приложений /ІІ-15/ї поиск и изучение условий эффективной генерации на новых пе^-реходах молекулы С02 в области длин волн 4-20 мкм /16-22/.
Дальнейший прогресс во всех этих направлениях, безусловно, требует более высокого уровня понимания процессов возбуждения и релаксации молекул, газовой динамики и других важных аспектов физики и химии активных сред С02-лазеров и усилителей. В рамках современных представлений для решения данных проблем необходимо знать колебательные температуры различных типов колебаний молекулы С02: симметричного (Tj); деформационного (Т2), асимметричного (Т3) и колебательную температуру азота (Т^ї а также поступательную тем* пературу газа (Т) /23,24/. На их основе можно определить запас энергии в различных типах колебаний^ населенности лазерных уровней^ кинетику их возбуждения и распада и т.д;
Наибольшую информацию об указанных характеристиках и процессах дает непосредственное исследование активных сред. К настоящему времени разработано несколько экспериментальных методов определения колебательных температур и населенностей колебательных уровней. Однако, общепринятые методы не всегда обеспечивают необходимую точность или сравнительно сложны^ что затрудняет их использование при исследовании реальных лазерных систем. Поэтому в настоящее время остается актуальным поиск новых и усовершенствование известных методов диагностики активных сред.
Наиболее простым и надежным способом исследования следует считать непосредственное зондирование активной среды на резонансной частоте излучением непрерывного С02-лазера. Он был применен еще в конце 60-ых годов (см., например, /25-27/). Однако использование для этой цели С02-лазера; генерирующего только на линиях основных полос 001-100 и 001-020 (см* рис. I), не дает всей необходимой информации о параметрах среды ш; в частности, о колебательных температурах /28/. Таким методом можно определять надежно лишь разность населенностей этих колебательных уровней и, кроме того, из распределения усиления по различным линиям одной полосы -поступательную температуру газа /29/.
Для определения колебательных температур различных типов ко-
2-ая полоса g ^ СеКВеНЦИИ
01і! горячая полоса
4,3 мкм
І-ая полоса секвенции g 4 (оСНОВНЫе ПОЛОСЫ) оо'о
Рисі. Упрощенная схема нижних колебательных уровней молекулы СОр лебаний молекулы С02 целесообразно воспользоваться подходом, который был реализован для двухатомных молекул (например, для J/^ в работе /30/). Он заключается в следунцем. При равновесном распределении частиц по колебательным состояниям, температура Тд определяется из измеренных значений относительных населенностей нескольких колебательных уровней (в некоторых случаях достаточно двух) /30/. Аналогичным образом можно подойти к определению колебательных температур различных типов колебаний и для более сложных молекул, таких, например, как СО2 (если в пределах данного типа сохраняется равновесное распределение). Относительные населенности колебательных уровней можно найти, исходя из значений коэффициентов усиления, измеряемых как на линиях основных полос, так и на линиях ряда других переходов.
0 получении генерации на линиях различных переходов молекулы С0 в области длин волн 11-18 мкм в специфических установках с сильноточным импульсным возбуждением сообщалось еще в середине 60-х годов /30-32/. Однако, ввиду крайне низкой выходной мощности, а также отсутствия точной идентификации переходов, эти системы не получили дальнейшего распространения и не использовались для диагностики активных сред. Только спустя десять лет исследования, проводимые в этом направлении, позволили Рейду и Сиемсену получить достаточно эффективную генерацию и точно идентифицировать ее с переходами в полосе 002-Ю1 (021) (вторая полоса секвенции) в непрерывном (Х^-лазере с прокачкой рабочей смеси /33/.
Наличие такого источника позволяет непосредственно определять из отношения измеряемых коэффициентов усиления во 2-ой и в основной полосах секвенции относительную населенность уровней асимметричной моды, и затем колебательную температуру Тд. Используя для диагностики другие переходы, например, 01 I-II 0 (горячая полоса), можно находить аналогичным образом температуры Т2 и Tj.
Впервые такой подход к определению колебательной температуры То был реализован в работе /34/, Его перспективность была показана на примере исследования быстротечной активной среды низкого давления, возбуждаемой непрерывным разрядом. Однако, широкое практическое применение данного метода требует," прежде всего, определения границ его применимости и создания удобного для исследований источника зондирующего излучения, компактного непрерывного С02-лазера, эффективно генерирующего излучение на линиях четырех полос: 001-Ю0, 001-020, 002-101 и oA-lA (см. рис. I).
Получение эффективной генерации на линиях нетрадиционных полос и, в частности, горячей полосы представляет интерес и для других приложений, например, для селективного воздействия лазерного излучения на вещество, спектроскопических исследований и т.д.
По сравнению с обычными полосами 00I-I00 (020) в горячей т т полосе 01 I-II О к верхнему и нижнему энергетическим уровням добавляется по одному деформационному кванту /їй ^ 667 см . При этом, вследствие энгармонизма колебаний молекулы COg,частоты переходов горячей полосы смещаются по отношению к частотам основных полос и перекрывают диапазон от ~ 9 до —11,4 мкм. Существенным отличием спектра горячей полосы надо считать также наличие линий как с четными, так и с нечетными значениями вращательного квантового числа J . Это обусловлено расщеплением вращательных уровней для колебательных состояний с , ^ о ( t - удвоение) /35,36/, в результате чего в спектре горячих полос существуют две компоненты, положительная и отрицательная (их иногда обозначают d и с ).
Расстояние между ними составляет ~ I см"*1 (см. приложение). т т Вследствие этого, использование уровней 01х1 и II 0 в качестве рабочих уровней С02-лазера может оказаться более привлекательным в некоторых приложениях по сравнению с лазерами, генерирующими на линиях обычных переходов, расстояние между которыми составляет
2 см"*1,
Наибольший интерес, с точки зрения генерации излучения, представляет Р-ветвь перехода ОЙ-іА (диапазон длин волн 10,9-11,4 мкм). Поскольку в этом спектральном диапазоне отсутствуют линии основной полосы, то использование горячих переходов существенно расширяет спектр генерации С02-лазеров в длиноволновую область.
В соответствии с изложенным выше, в данной работе были поставлены следующие задачи: исследование условий эффективной генерации на линиях нетрадиционных переходов 002-101 (021) и 01 - ІІІ0 в отпаянном (Х^-лазере с непрерывным возбуждением; исследование зависимостей колебательных температур в активных средах СО^-лазеров с непрерывным и импульсным разрядом от состава смеси и условий возбуждения; - изучение закономерностей формирования усиления и условий феї ІЗ, эффективной генерации на линиях полосы 0ІІІ-ІІІ0 молекул 12С02 и
С02 в ТЕА-лазере.
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и приложения. Первый параграф гл. I носит обзорный характер. В нем кратко рассмотрены основные методы определения колебательных температур и населенностей колебательных уровней в молекулярных средах. Два других параграфа этой главы посвящены анализу новой методики определения колебательных температур, основанной на измерении усиления в различных полосах молекулы СО2» и исследованиям параметров диагностического СС^-лазера, перестраиваемого по линиям основных полос, второй полосы секвенции и горячей полосы-.
Во второй главе представлены результаты исследований колебательных и поступательной температур в активных средах COg-лазеров с непрерывным и импульсным возбуждением. На основе анализа зави- симостей температур от состава смеси и условий возбуждения получены сведения о некоторых важных процессах, происходящих в молекулярных средах^ и о характерных особенностях выходных параметров лазерного излучения. Далее рассмотрены свойства ТЕА-лазера, гене-рирувдего в области длин волн —4,3 мкм по схеме с комбинированным возбуждением и приведены экспериментальные данные о влиянии паров три-н-пропиламина на возбуждение и релаксацию колебаний молекул активной среды и выходные параметры TEA С02-лазера.
В третьей главе приведены результаты подробных исследований зависимости усиления в горячей полосе и колебательных температур Т3 и Т2 от содержания различных компонентов среды С02: М^ :Не в ТЕА-модуле и от величины вкладываемой в разряд энергии. Рассмотрены энергетические спектральные и временные характеристики TEA
СОл-лазера* генерирующего на линиях горячей полосы молекул С02 и 13С02.
В заключении кратко суммированы основные результаты диссертации.
В приложении приведены таблицы частот и длин волн генерации т т для Р-ветви полосы 0ІхІ-ІІх0 двух изотопических разновидностей молекулы углекислого газа ^ и 13С02. Данные таблицы 3 для значений У 4 44 взяты из /37/, а для J > 44 были рассчитаны с использованием констант из работ /38,39/. Для таблицы 4 использовались данные работы /40/.
Научная новизна работы заключается в следующем: выведены и обоснованы более точные соотношения для определения колебательных температур на основе измерений коэффициентов усиления в различных полосах 00I-I00, 00I-020, 002-Ю1, ОЙ-іЙ молекулы С02; получена эффективная генерация на линиях нетрадиционных полос 002-101 (021) и ОЙ-іЙ в отпаянном С02-лазере с непре- - II - рывным возбуждением; впервые проведены подробные экспериментальные исследования кинетики колебательных температур в активной среде СОо-лазера с импульсным возбуждением; установлен механизм действия типичной легкоионизируемой присадки (три-н-пропиламина) на кинетику возбуждения и процессы релаксации колебательной энергии молекул среды, на основе чего определены условия повышения эффективности генерации лазерных систем; впервые экспериментально показано; что рабочий диапазон эффективной генерации TEA СС^-лазеров может быть значительно расширен в длиноволновую область спектра за счет использования переходов горячей полосы.
На защиту выносятся:
Результаты исследований условий эффективной генерации на линиях нетрадиционных полос 002-101 (021) и 0ІІІ-ІІІ0 в отпаянном С02~лазере с непрерывным возбуждением»
Результаты экспериментальных исследований кинетики колебательных температур в активных средах TEA С02-лазеров с импульсным возбуждением,
Результаты изучения влияния типичной легкоионизируемой добавки (три-н-пропиламина) на характеристики активной среды и выходные параметры TEA СС^-лазера.
Результаты экспериментальных исследований усиления и энергетических; спектральных и временных параметров TEA лазера, генерирующего на линиях горячей полосы 01 I-II 0 молекул %02 и 13со2.
Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на ХУ Международной конференции по явлениям в ионизированных га- -12 -зах (Минск, 1981), ІУ Международной конференции "Лазеры и их применения" (Лейпциг, ІДР, 1981), X Сибирском совещании по спектроскопии (Томск, 1981),Ш Всесоюзной конференции "Оптика лазеров" (Ленинград, 1982); У Международной конференции по лазерам и их применениям "Лазеры 82" (НьньОрлеан, США, 1982), Международной школе-семинаре "Высокотемпературная газодинамика, ударные трубы и ударные волны" (Минск, 1983) и опубликованы в работах / 54, 55, 56, 57, 70, 77, 82, 83, 87, 88, 91, 95, 96, 97, 105, 106, 107, 108 /. - ІЗ -ГЛАВА І
МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ ТЕМПЕРАТУР
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СО^ЕРА, ГЕНЕРИРУЩЕГО
НА НЕТРАДИЦИОННЫХ ПЕРЕХОДАХ
Существует множество явлений; при анализе которых необходимо определение населенностей колебательных уровней молекул. Это нужно прежде всего при исследовании химической кинетики; в физике ударных волн и быстрых потоков, при изучении газовых лазеров и т.д;
В условиях термодинамического равновесия эта задача решается сравнительно легко - достаточно знать температуру системы и воспользоваться распределением Больцмана.
Значительно сложнее определить населенности в неравновесных системах. В общем случае для каждого уровня приходится проводить независимые измерениям Тем не менее, довольно часто встречается ситуация, когда система как целое - неравновесна, в то время как состояние некоторых ее отдельных подсистем можно описать равновесным распределением с единой для каждой подсистемы температурой. Эту температуру иногда называют "температурой возбуждения", а применительно к колебательным уровням простых молекул определенного типа колебаний в данном электронном состоянии - "колебательной температурой" /41/.
В молекулярных газах наличие равновесного распределения для некоторых подсистем обусловлено присущей им иерархией времен релаксации - глг4 Zw^ Zw^ tVT* гДе VfiTjTVVj Zw,* TVT времена вращательно-поступательной, внутримодовой, межмодовой и колебательно-поступательной релаксации, соответственно.
Такой подход, основанный на различии релаксационных времен," позволил ввести для активной среды С0?-лазеров парциальные коле- бателыше температуры в пределах отдельных типов колебаний (мод) /42,43/: Т3 - для асимметричной % , Т2 - для деформационной )? и Tj - для симметричной )). мод молекулы С02» а также температуры Т4 и Т5 - для колебания молекул J/^ и СО.' Этот шаг существенно упростил описание активной среды и способствовал дальнейшему прогрессу лазерных систем на С02.
В настоящее время температурная модель активной среды С02-лазера получила самое широкое распространение (см., например, монографии /23,24/). Область ее применения достаточно широка и определяется, в основном, параметрами активной среды," возбуждения и длительностью исследуемых процессов /23,24/.
Использование температурной модели для С02-лазеров в значительной мере стимулировало развитие методов диагностики активных сред, направленных непосредственно на определение значений колебательных температур /30,41/: С их помощью были исследованы некоторые закономерности поведения ряда параметров С02-лазеров при определенных условиях /30,41/. Тем не менее эти методы не обеспечивают в достаточной мере информации, требуемой для дальнейшего развития С02-лазеров. В частности, это касается решения проблем повышения эффективности мощных лазерных систем, изучения генерации на нетрадиционных переходах молекулы С02 в новых областях спектра, создания лазеров с заданными выходными параметрами и т.д. Поэтому в настоящее время является актуальным поиск и развитие более точных и надежных методов диагностики активных сред.
В данной главе рассмотрены основные экспериментальные методы определения колебательных температур и населенностей колебательных уровней в молекулярных газах. В ней проведен также подробный анализ новой методики диагностики, основанной на измерении усиления в различных полосах молекулы С02» Кроме того представлены результаты исследований параметров диагностического лазера, перестраиваемого по линиям основных полос, второй полосы секвенции и горячей полосы, необходимого для реализации данной методики.
Остановимся вначале на известных методах диагностики активных сред.
I. Известные методы определения колебательных температур и населенностей колебательных уровней в молекулярных средах
К настоящему времени разработан и экспериментально апробирован ряд методов определения колебательных температур и населенностей колебательных уровней молекул активных сред СС^-лазеров. Исторически одним из первых был реализован метод определения температуры Т4 молекулы J/^ \ основанный на измерениях относительных интенсивностей электронно-колебательных переходов во 2* системе азота (0 %^ - В3/Ю /30/. С его помощью исследовалась зависимость Т^ от тока разряда в среде COg-лазера с продольным непрерывным разрядом. Анализ параметров активной среды основывался на предположении о наличии динамического равновесия между колебанием молекулы jiCи асимметричной моды р3 молекулы (X^t т.е. предполагалось, что Т4 « Т3.
Суть метода заключается в спектральных исследованиях интенсивности спонтанного излучения электронно-колебательных переходов молекулы J/^\ возбуждаемой в электрическом разряде. При определении колебательной температуры азота используется соотношение
Т ~ ЛҐ А ))* W где Іу,^," интенсивность канта полосы для перехода между колебательными уровнями , и электронных состояний С ffiu и B^fL молекулы jt j/^t - населенность уровня Л ,, Яг'іГ""' Ф^тоР Франка-Кондона 1Ґ'- у" перехода; У^у,, - частота перехода.
При этом предполагается /30/; что распределение молекул азота по колебательным состояниям для различных электронных состояний одинаково. Далее, из определенных экспериментально значений Tlf'lpl* ЄСЛИ ИзвестнЫ ВеЛИЧИНЫ Ayiyn И Уу/уц, МОЖНО ВЫЧИСЛИТЬ населенность yOy, , которая связана с колебательной температурой азота соотношением jfr, = MP/*W Wl-WkT) > (2) где Jfc - полная населенность электронного состояния C3Jf » $ yi - колебательная статистическая сумма, Т^ - колебательная температура молекулы JJ^.
Основным достоинством данного метода исследования активных сред С02"-лазеров является простота соотношений, лежащих в его основе, а также сравнительно несложное экспериментальное оборудование, необходимое для его реализации. Недостатки метода - низкая точность, обусловленная рядом допущений, лежащих в его основе /41/, ограниченность применения-, связанная с обязательным наличием азота в исследуемой среде и отсутствие информации о колебательных температурах Tj и Т2 молекулы С02»
Свободным от некоторых недостатков предыдущего подхода к исследованию активных сред является метод определения колебательных температур по обращению спектральных линий в инфракрасной области спектрам С его помощью исследовалась температура Т3 в активной среде непрерывного С02~лазера /41/. Он базируется на законе Кирхгофа. Суть метода состоит в том, что при прохождении света от эталонного источника со сплошным спектром испускания через исследуемую среду, обладающую линейчатым спектром; может иметь место си- туация, когда суммарный спектр является неискаженным сплошным спектром. Этот случай реализуется тогда; когда яркостная температура эталонного источника на данной длине волны равна температуре возбуждения исследуемой среды, что соответствует условию обращения спектральных линий /41/.
На практике этот метод был реализован следующим образом /41/. Излучение от эталонного источника с помощью формирующей пучок оптической системы пропускалось через исследуемую разрядную трубку и поступало на оптико-акустический приемник. Перед приемником помещался вращающийся диск с двумя окнами, закрытыми узкополосными интерференционными фильтрами, имеющими максимумы пропускания на длинах волн 3,93 и 4,3 мкм, что соответствовало окну прозрачности исследуемых газов и фундаментальной полосе поглощения моды ))j С02 000-001. Электрические сигналы с приемника поступали на регистрирующую систему, в основе которой лежал компенсационный метод. В отсутствие газа в исследуемой разрядной трубке производилась компенсация электрических сигналов, соответствующих пучкам света, проходящим через разные интерференционные фильтры. После напуска рабочей смеси в трубку интенсивность пучка света; проходящего через фильтр с /)пр =4,3 мкм, ослаблялась, а через фильтр с /jnp = 3;93 мкм оставалась неизменной; Расбалансировка моста служила мерой концентрации поглощающих молекул. Вслед за этим в трубке зажигался разряд. Варьированием состава смеси и тока разряда достигалось восстановление баланса мостовой схемы. При этом считалось, что имеет место обращение спектральных линий, так как интенсивность пучка, проходящего через фильтр 4,3 мкм, оказывалась такой же, что и в отсутствие газа.
Сложность экспериментальной установки для измерения температур, а также ряд трудностей, возникающих при измерениях, ограничивают широкое применение данной методики. Точность измерения тем- пературы Тз по данной методике во многом зависит от используемых фильтров. Как правило, полоса пропускания имеющихся фильтров не позволяет надежно выделять заданные колебательные переходы. Это может вносить существенную погрешность при определении колебательной температуры Тз за счет перекрытия переходов фундаментальной полосы с переходами других полос, например, ОЙ-ОЙ. Кроме того^ данная методика неприменима для исследования быстропротекаю-щих импульсных процессов.
В последнее время начинают успешно развиваться резонансные методики исследования молекулярных газовых сред', которые расширяют возможности диагностики активных сред. Одним из них является метод диагностики молекулярных сред!» основанный на активной спектроскопии комбинационного рассеяния (АСКР) /44,45/. Его развитие стимулировало появление мощных импульсных перестраиваемых лазеров видимого диапазона. АСКР - пример четырехфотонного параметрического процесса,- в котором три волны - две на частоте "накачки" и)± и одна на "стоксовой" частоте U)z - взаимодействуют в среде, приводя к образованию нового когерентного излучения на "антистоксовой" частоте и)? -Z^i'^z* Эффективность такого процесса резко возрастает, если разность частот ii)i-u)z приближается к частоте комбинационно-активного перехода в исследуемой среде. Изменяя и)* , можно осуществлять перестройку разности idi- u)z ъ области колебательных частот.
С помощью данного метода был выполнен ряд исследований в молекулярных газах. В частности, в /46/ были измерены населенности колебательных уровней молекулы Afc , возбуждаемой в электрическом разряде. Анализ полученных данных показал, что уже при небольшом энерговкладе в среду распределение населенностей отличается от больцмановского.
Недавно в работе /47/ методом АСКР были также проведены ис- - 19 -следования кинетики населенностей в системе нижних уровней мод V и ]Л молекулы СС>2;и была измерена константа скорости \/\J' обмена мод У^ и Я , связанных резонансом Ферми.
Несомненным преимуществом данной методики по сравнению с другими известными методами является возможность прямого возбуждения колебательных переходов,неактивных в ИК-области спектра1; что позволяет исследовать кинетику населенностей уровней, непосредственно не возбуждаемых другими известными методами. Однако, уникальность лазерной системы накачки и значительные сложности, возникающие при интерпретации результатов измерения, существенно ограничивают применение данного метода и не позволяют использовать его пока для диагностики реальных лазерных систем.
В работе /48/ был реализован еще один резонансный метод. В ней исследовалась активная среда непрерывного (Х^-лазера с помощью перестраиваемого диодного лазера, генерирующего в диапазоне 4.25-4.65 мкм; Основное достоинство использования диодного лазера для диагностики активных сред - возможность резонансной настройки на любой отдельный колебательно-вращательный переход молекулы С0 в фундаментальной полосе ))3 000-001 и всех ее составных колебаниях (оА-ОЙ, 100-101 и т.д.). Измеряя коэффициенты усиления (поглощения) на отдельных линиях различных полос и сравнивая их значения, можно, согласно процедуре, описанной в /48/, определить колебательные температуры различных мод ]) , Л и Й молекулы С0г>.
Несмотря на привлекательность использования данной методики для исследования активных сред С02-лазеров существует ряд трудностей, ограничивающих ее применение. Прежде всего,-это сложность экспериментальной установки, не позволяющая непосредственно проводить диагностику активных сред мощных лазерных систем, а также необходимость очень точного контроля длины волны и ширины линии генерации диодного лазера.
Таким образом, краткое рассмотрение описанных методов показывает, что они или не обеспечивают достаточной информации о параметрах активной среды, или же их применение ограничено из-за уникальности используемой аппаратуры.
Сравнительно простым и удобным для диагностики активных сред является методі основанный на резонансном усилении (поглощении) слабого сигнала непрерывного СОо-дазера. генерирующего на линиях полосы 00I-I00; реализованный еще в 60-е годы (см., напримерt /25-27/).
Однако теоретический анализ, проведенный в работе /28/, показал, что измерение коэффициентов усиления слабого сигнала на колебательно-вращательных линиях только основной полосы 001--Ю0 не достаточно для однозначного определения колебательных температур верхнего и нижнего лазерных уровней. В этом случае надежно определяется только разность населенностей колебательных уровней, связанных лазерным излучением, а из распределения усиления по различным колебательно-вращательным линиям с хорошей точностью можно вычислить поступательную температуру газа Т /29/. Привлечение дополнительно полосы 001-020 также не всегда решает указанной проблемы /28,49,50/.
В /51/ для определения колебательной температуры Т3 была предложена и реализована методика, основанная на измерении усиления в основной полосе и дополнительно сигнала люминесценции в области 4,3 мкм с уровня 001 (см. рис. I). Такой подход позволяет однозначно определять температуру Т3» однако для его реализации необходимо преодолеть ряд трудностей. Прежде всего, это связано с низкой чувствительностью фотоприемников в ИК-области спектра, недостаточной для надежной регистрации слабого сигнала люминесценции. Кроме того, практически трудно выделить сигнал, обус- ловленный испусканием с уровня 001 из суммарного спектра люминесценции /52/, вклад в который вносят переходы с высоколежащих уровней (ОЙ; ЮГ, 021| 002 и т.д.). Это существенно влияет на точность определения Т3, особенно при высоких значениях колебательных температур.
Поэтому значительный интерес представляет развивающаяся в настоящее время методика исследования активных сред, где, наряду с обычными полосами 001-100 и 001-020, измеряется также усиление слабого сигнала и на нетрадиционных переходах молекулы С02: 002-101 (021) (вторая полоса секвенции) и ОЙ-іА (горячая полоса) /53,54,55/. Как будет показано далее, с помощью данной методики можно с большой точностью получать информацию о колебательных температурах Т^9 Т2 (Tj) молекулы С02, а также температурах Т4 и Tg молекул Ml и СО^ если имеет место динамическое равновесие между колебаниями 1^ С02 и колебаниями молекул J/^ и СО. Знания этих температур и поступательной температуры Т вполне достаточно для описания основных процессов, связанных с генерацией излучения, в активной среде С02-лазера /23,24/.
Несомненным достоинством данного метода следует считать сравнительную простоту его реализации, поскольку для измерения используется доступный зондирующий лазер на С02 и несложная система обработки экспериментальных данных.
Проведем теперь обоснование применимости данного метода и проанализируем его погрешности.
2. Обоснование новой методики диагностики активных сред и анализ ее погрешностей /55,56,57/
Определение колебательных температур или населенностей колебательных уровней в предлагаемом методе основано на измерении коэффициентов усиления слабого сигнала на отдельных колебательно-вращательных линиях четырех различных полос: 001-100^ 00о1-020, 002-Ю1 и 0ІІІ-ІІІ0. Коэффициент усиления для каждой из них однозначно связан с разностью населенностей соответствующих верхнего и нижнего лазерных уровней. Таким образом, в процесс измерений вовлекается целая совокупность колебательных уровней. Населенности этих уровней связаны рядом быстрых резонансных процессов внутримодового обмена. На основе анализа скоростей этих процессов можно выделить группы уровней, внутри которых в реальных условиях имеет место динамическое равновесие. Используя понятие эффективных температур /24/ для нижних колебательных состояний таких групп, можно через основное состояние 000 выразить и заселенности высоколежащих колебательных состояний, в том числе и комбинированных Ю1, ОЙ и 11.
Выведем вначале соотношения, связывающие эффективные температуры относительного заселения уровней Ю0 (Tj), 01 (Т2) и 00I (Т3) с коэффициентами усиления в полосах:
001 - Ю0 - основная 10,4 мкм полоса (I), 001 - 020 - основная 9,4 мкм полоса (П), 002 - Ю1 - 2-ая 10,4 мкм полоса секвенции (Ш), ОЙ - 11 - горячая 10 і 8 мкм полоса (ІУ). Под эффективными температурами относительного заселения уровней 100, 01 и 001 мы будем понимать величины, определяемые соответственно соотношениями: Г = - -ІА- ; (4) /cfrX 77 - - , 3 -*ьхц (5) ^000о ZJ/oo^o
Здесь Л/^^/с - населенность колебательного уровня /n/i 6 . В условиях динамического равновесия в пределах отдельных типов колебаний и пренебрежении эффектами ангармонизма введенные выше температуры, естественно, имеют смысл температур соответствующих колебаний.
Коэффициент усиления слабого сигнала К на У -ой линии Р-ветви полосы /к/г /с—/п,п;/с, равен /24/: І . ..Г.~ .г , J /С = ZFO-/J[%„.ъ-4;л'*/] (7) где gt - предельный коэффициент усиления для данного перехода, f{JJ - больцмановская функция распределения молекул по враща тельным подуровням, В - вращатель ная постоянная, Т - температура газа. При записи (7) считается, что константа В имеет одинаковое значение для обоих колебатель ных уровней.
Колебательные состояния, между которыми происходят переходы (1)-(1У), связаны друг с другом следующими процессами столкнови-тельного колебательного обмена:
001 + 001 ^ 000 + 002 + 25,0 см"1 (8)
Id0 + 001 ^ 000 + 101 + 22,5 см"1 (9)
01 + 001 ^? 000 + ОЙ + 12,5 см"1 (10)
01 + Ю0 -zX 000 + 11 - 21,2 см"1 (II)
100 + М ' ^ 020 + М + 102,8 см"1 (12) где М - молекула С02» Л/ или Не. - 24 -Процессы (8)-(10) являются самыми быстрыми процессами колебательного обмена в молекуле С02. Согласно экспериментальным данным, константа скорости этих процессов составляет 4*10^ с"^торр~^ /58-60/. Константа скорости процесса (II) в настоящее время не измерена, однако в силу незначительного дефекта энергии процесса (II) она должна быть близка к константе скорости VV -обмена внутри эквидистантной совокупности подуровней 01. 02%, 0330,..., которая также достаточно велика.1 Согласно оценкам /61/ константа скорости процесса
01 + 01 zZ- 000 + 02 - 1,0 см"1 (13) равна Ю6 с-^торр . Процесс (12) приводит к установлению равновесия между уровнями, связанными резонансом Ферми. Константа его скорости равна 3»Ю5 с^торр"1 для М = С02 и Jf~ и Ю5 с^торр"1 для М = Не /61,62/.
Ввиду достаточно большой скорости процессов (8)-(12)х есте- * Недавно в работе /47/ методом АСКР была измерена константа скорости процесса (12), значение которой оказалось приблизительно на порядок меньше, чем в /61,62/. Однако, если даже предположить, что значение константы, измеренной в /47/, верно, это не должно оказывать существенного влияния на последующие здесь выводы. Дело в том, что в отличие от процессов внутримодового об-* мена (8)-(11) на скорость процесса межмодового обмена (12) наряду с молекулами С02 оказывают также - влияние и другие компоненты среды JjC, Ht и т.д. Это приводит к тому, что для реальных лазерных смесей (например, С02: ^ : Но. - 1:1:4) скорость процесса (12) в расчете на одну молекулу С02 становится сравнимой с процессами (8)-(11). ственно предположить, что в типичных условиях работы лазерных систем на С02, динамическое равновесие, за которое ответственны эти процессы, не нарушается. (14) (15) (16) (17) (18)
Тогда соотношения, связывающие населенности интересующих нас колебательных уровней, можно записать следующим образом: J/ooz - Х3 J/ЦоЧ ) 'Z y{/10v0 J^ozo = j/io'o e Mj/jcT
Подставив теперь (14)-(18) в выражение (7) для коэффициен-
Ч 1 *І тов усиления l
Здесь Лт,<%,%, . - предельные коэффициенты усиления для переходов соответствующих полос (1)-(1У).
Согласно результатам работы /53/, отношения предельных коэффициентов усиления для полос 002-101, 001-100 и 0ІІІ-ІІІ0 равны:
Данные различных авторов относительно значений ^/ имеют некоторый разброс (1,0 /63/, 1,1 /64/, 1,16 /65/, 1,18 /66/). Следует заметить, что неправильный выбор отношения ^/ может привести к существенной ошибке при определении температуры Ту.
Выражения (20) и (21) значительно упрощаются, если пренебречь энгармонизмом колебаний молекул СО? и считать, что отноше- (K,/b-S) FU-J) (Хз/Xj -U\) (h/h-dV^)' FIJ-ZJ' (Хз/Xj-^V близки к единице, что имеет место для реальных условий работы С02~лазеров. В этом случае 'z = ~ul(4//J 3 (20а)
З - Ш?Аі) (21а)
Погрешность методики. Анализ соотношений (19)-(21) показывает, что погрешность определения колебательных температур (без учета значений констант, входящих в данные соотношения) однозначно зависит от точности измерения коэффициентов усиления.
Оценки случайной погрешности, обусловленной неточностью из- - 27 -мерения коэффициентов усиления, согласно стандартных методов /67/ (например, для температуры Т3 по формуле % - ЗЗЕО У\Г 7 / V /с? / Щ-) показывают, что,при ошибке измерения коэффициентов усиления равной + 4 % погрешность в вычислении величин Т2 и Тз изменяется от 1,8 % для значений Т2 = I50K, Т3 = 500К до 8 % для Т2 = 700К, Т3 = 2500К. В типичных условиях работы электроразрядных С02-лазе-ров (Т2^500К, Тд^ІбООК) погрешность в определении Т2 и Т3 составляет г~ 5 %.
Упрощенные выражения (20а) и (21а) несколько завышают значения температур (приблизительно на 5-Ю %), по сравнению с вычисленными согласно (20) и (21). При этом ошибка в определении температуры Т2 из выражения (20а) существенно возрастает, если
Наибольшая погрешность возникает при использовании выражения (19) для вычисления Tj, особенно в области значений /^j/A^ 4/» Например, при ftj/Hn - 1,Z и ошибке в измерении Кт и /С^ равной + 4 ^погрешность в определении Tj составляет ~ 16 %. Это накладывает довольно жесткие требования на точность измерения коэффициентов усиления в полосах 001-100 и 001-020 при определении тем-пературы Tj в случае, когда Kj/M!* ~'/ Кроме того, существующая в настоящее время неопределенность для величины %jf/jj может также оказывать существенное влияние на точность определения Tj при неправильном выборе значения %д/Лт
Однако следует заметить, что во многих случаях при анализе активной среды не обязательно знать температуру Tj, так как обычно Tj = Т2 /23,24/. Исключение имеет место только при исследовании смесей с малым содержанием С02;
Таким образом, зная коэффициенты усиления в полосах (I)--(ІУ), можно определить температуры относительного заселения нижних уровней молекулы СС^. Если предположить, что внутри групп уровней (100, 200, 300,...), (оА, 02%, 0330,...) и (001, 002, 003,...) имеет место равновесное больцмановское распределение молекул, то величины этих температур имеют смысл колебательных температур соответствующих типов колебаний.
Отметим^ что достоинством описанного выше подхода к определению колебательных температур является простота и достаточно высокая точность по сравнению с другими общепринятыми методами (особенно для определения Тз и Т). Кроме того, что иногда весьма важно, не требуется знания абсолютных значений коэффициентов усиления и состава активной среды.
К недостаткам данной методики диагностики активных сред СО?--лазеров следует отнести отсутствие прямой информации о населенности колебательных уровней азота. (Обычно используемое предположение о равенстве температур Т/ и То не всегда имеет место в реальных лазерных системах /68/.
Определение поступательной температуры. Наряду с колебательными температурами важной характеристикой активной среды является поступательная температура Т /23,24/. Температура Т необходима также для точного определения колебательных температур, так как она входит в соотношения (19)-(21). Поэтому представляется целесообразным рассмотреть некоторые особенности методики определения поступательной температуры.
Поступательная температура газа Т может быть определена по методу, подробно описанному в /29/.- Суть его заключается в следующем. Предположим, что вращательная и поступательная степени свободы молекул С0« находятся в равновесии, что с большой точ- - 29 -ностьго выполняется для типичных условий", реализуемых в С02-лазе~ pax. При этом больцмановское распределение населенностей по вращательным подуровням данного колебательного уровня определяется температурой газа Т. Следовательно, если известны значения коэффициентов усиления на различных колебательно-вращательных линиях определенной полосы, то можно однозначно определить температуру газа Т»
Процедура определения температуры Т согласно /29/ осуществляется следующим образом. Вначале проводятся измерения усиления на нескольких линиях и выполняются теоретические расчеты распределения усиления для различных значений температуры. Затем путем согласования методом наименьших квадратов расчетного и экспериментального распределения усиления по вращательным линиям находится действительное значение величины Т. Такой подход к определению температуры Т позволяет с хорошей точностью находить значение поступательной температуры.
Точность определения Т может быть повышена, если учесть отношение населенности верхнего лазерного уровня 001 к нижнему 100 ( У^/Х ), что не делалось в /29/. Анализ погрешностей при определении величины Т показывает, что пренебрежение величиной Х^/Хі приводит к некоторому завышению действительного значения температуры Т«
Величину Хз/Xj легко вычислить, если известны колебательные температуры Тз и Tj. Поэтому при определении поступательной температуры в данной работе учитывалась величина Х5/Х^ .
Измерения коэффициентов усиления так же как и в /29/ проводились на — 10 линиях Р-ветви полосы 001-Ю0. Однако, в отличие от /29/, линии, которые перекрываются с линиями других полос (например, такие как Р(20), перекрывающаяся с Я (23) полосы ОЙ-ІЙ, Р(6) - с Р(3) полосы 002-101 и ряд других линий), - зо - для повышения точности определения Т из измерений исключались.
Для апробации данной методики определения поступательной температуры, а также, учитывая то обстоятельство; что в различных литературных источниках приводятся несколько отличающиеся значения констант, входящих в выражения для вычисления Т /29/, была проведена калибровка метода по поглощению на тех же колебательно-вращательных линиях для аналогичных газовых смесей при строго определенной температуре газа. Измерения поглощения проводились в кювете длиной 1,8 м при Т = 293 + 0,3 К на установке, которая будет описана ниже. Используемая аппаратура позволила определить необходимые константы с погрешностью не хуже + 5 % и установить, что они совпадают, с точностью до ошибки измерениям константами, приведенными в работе /69/.
Погрешность в определении поступательной температуры Т, согласно данной методики,по оценкам составляет —10 К;
Таким образом, в данном параграфе выведены и обоснованы соотношения, необходимые для определения колебательных температур в активных средах на основе измерения усиления в различных полосах молекулы СО?» Анализ погрешностей в определении температур свидетельствует; что в реальных условиях работы (Х^-лазеров обеспечивается достаточно высокая точность измерений."
Ключевым элементом данной методики",' основанной на измерении коэффициентов усиления в различных полосах, является лазерный источник зондирующего излучения, перестраиваемый по отдельным колебательно-вращательным линиям четырех различных полос молекулы СОз» Поэтому, прежде чем перейти к описанию результатов исследований, полученных с помощью описанной методики, рассмотрим некоторые особенности генерации на линиях горячей полосы и второй полосы секвенции.
3. Эффективная генерация на линиях нетрадиционных переходов в непрерывном отпаянном С02~лазере /54,57,70/
Для реализации описанного в 2 метода определения колебательных температур необходим зондирующий лазер, который мог бы генерировать на колебательно-вращательных переходах полос 001-100, 00І-О20, 0ІІІ-ІІІ0 и 002-101 молекулы С02.
Генерация в С02-лазерах обычно происходит на переходах 001-100 и 001-О20 (основные 10,4 мкм и 9,4 мкм полосы, соответственно). Однако; при определенных условиях лазерная система на С02 может работать и на других переходах, в частности, и на интересующих нас ОЙ-іЙ (10,8 мкм горячая полоса) и 002-101 (021) (2-ая полоса секвенции) (см, рис, I).
Генерация в горячей полосе наблюдалась еще в середине 60-х годов /31,32/ при использовании специфических лазерных установок с длиной активной среды ~ 4 м и в условиях сильноточного ( > 100 А) импульсного возбуждения, В силу крайне низкой эффективности эти системы не получили дальнейшего распространения. Недавно в /53/ появилось сообщение о генерации на линиях горячей полосы в проточном лазере с длиной активной среды — 1,5 м. Но', к сожалению; в этой работе не исследовались условия генерации и даже не приведено значение выходной мощности излучения, которое, вероятно; было крайне мало.
0 генерации на линиях 2-ой полосы секвенции впервые сообщили Рейд и Оиемсен в 1976 г. /33/. Исследование усиления и оптимизация активной среды, выполненные в последующих работах /34, 71/, позволили им получить достаточно эффективную генерацию на линиях 2-ой полосы секвенции в непрерывном лазере с длиной разрядной трубки ~ 1,5 м. Существенно, что такой режим генерации был реализован при быстрой прокачке рабочей смеси.
Однако для целей диагностики активных сред целесообразно использовать непрерывный (Х^-лазер с отпаянной разрядной трубкой. Отпаянный вариант непрерывного лазера, по сравнению с системой, у которой осуществляется прокачка рабочей смеси газов, обладает рядом преимуществ. Прежде всего, существенно упрощается лазерная установка, а также значительно уменьшаются ее габариты за счет исключения таких элементов, присущих прокачным системам, как вакуумный насос,1 баллоны с рабочими газами, система напуска и откачки смеси и т.д. Это позволяет, в свою очередь'^ сделать зондирующий лазер компактным и удобным для исследований в различных условиях.
Поэтому в данной работе была поставлена задача провести исследования', направленные на создание отпаянного непрерывного сравнительно малогабаритного С02-лазера, генерирующего на различных полосах, на базе серийной модели, выпускаемой промышленностью. За основу конструкции был выбран лазер типа ЛГ-22 с отпаянной разрядной трубкой длиной 1,2 м, хорошо зарекомендовавшей себя в эксплуатации.
Известно, что коэффициент усиления слабого сигнала является чрезвычайно важной величиной, характеризующей газовый лазер', поэтому рассмотрим вначале, какие значения усиления в различных полосах реализуются в обычной электроразрядной трубке лазера ЛГ-22.
Измерения усиления. Измерения проводились путем зондирования активной среды слабым сигналом. На рис.2 приведена упрощенная схема установки, на которой выполнялись эксперименты.
В качестве источника зондирующего излучения использовался непрерывный COg-лазер (I)i длина разрядной трубки которого составляла — 2 м. Лазер*мог генерировать на одной из колебатель- но-вращательных линий обычной полосы, второй полосы секвенции и горячей полосы*.'
Выходное излучение зондирующего лазера (I) модулировалось механическим прерывателем (2); Затем излучение разделялось с помощью частично отражающей пластины из K/lS*b (3) на два луча. Один луч пропускался сквозь активную среду исследуемой трубки (4)? в которой измерялось усиление; а второй поступал на контрольную кювету (5) с поглощающим газом, назначение которой объясняется далее. Затем оба луча направлялись на Ge'-rfu фотоприемники (б),' охлаждаемые жидким азотом. Перед входными окнами приемников помещались линзы из J/^СІ. (7). В передней фокальной плоскости линз устанавливались интерференционные фильтры (8) с полосой пропускания 9-II шал'; которые отсекали фоновое излучение. Сигнал с фотоприемников подавался на двухлучевой запоминающий осциллограф С8-2 (9). диафрагмы (10) диаметром — 3 мм обеспечивали распространение зондирующего луча строго по оси разрядной трубки (4). С целью развязки по поляризациям окна трубки (4) ориентировались к оптической оси таким образом^ чтобы плоскость падения излучения на них была ортогональна плоскости падения излучения на окна лазера (I).' Эта предосторожность исключала возможность влияния активной среды трубки (4) на зондирующий лазер (I).
Исследуемая трубка (4) представляла собой обычную трубку от лазера ЛГ-22 с длиной разрядного промежутка ^ 1,2 м и внутренним диаметром ~- 15 мм", запаянную с обеих сторон окнами из Са'^б; расположенными под углом Брюстера. В трубке находилась стандартная рабочая смесь газов СО пі Ж: Не : Хе = 0,1:0Д6:0,65:0,09 при * Первоначально генерация на линиях нетрадиционных полос была получена в неэффективной системе без оптимизации выходных параметрові' t»
Блок-схема установки для измерения усиления. I - зондирующий лазер, 2 - механический прерыватель, 3 - полупрозрачное зеркало, 4 - исследуемая разрядная трубка, 5 - контрольная кювета, б - приемники излучения, 7 - фокусирующие линзы, 8 - фильтры, 9 - осциллограф, 10 - диафрагмы, II - поворотные зеркала — 35 " < общем давлении — 15 мм рті'ст;*
В качестве контрольной кюветы (5) использовалась латунная труба диаметром 50 мм и длиной 1,8 м с окнами из J/ctCl . Все измерения по поглощению в кювете проводились при комнатной температуре; Температурный контроль с точностью до 0,3 К осуществлялся термопарой; прикрепленной к внутренней стенке кюветы,
В этих экспериментах не принималось специальных мер для стабилизации частоты зондирующего лазера (пассивная стабилизация выходной мощности осуществлялась питанием лазера через стабилизатор напряжения и выбором соответствующего тока разряда). Известно, что при измерении усиления в активной среде низкого давления, уход частоты генерации от центра линии усиления может привести к значительной погрешности (см.,~ например; /7/), Для того, чтобы исключить ее, мы использовали специальную статистическую обработку, суть которой отражает рис. За. На экране осциллографа одновременно записывались усиленный I и опорный 10-амплитудно-модули-рованные сигналы. При измерении усиления контрольная кювета (5) не использовалась; т;е. поглощающий газ из кюветы откачивался.'
Для каждой серии измерений записывалось ~ 2500 импульсов. Амплитуды сигналов; прошедших через разрядную трубку, имели в некоторых случаях разброс, вызванный нестабильностью частоты зондирующего лазера. Максимальные значения амплитуд Imax соответствовали случаю', когда частота генерации совпадала с центром контура усиления;
При обработке результатов считалось, что амплитуда усиленного сигнала _Z~= I/n^^AI Величина АІ определялась толщиной * Смесь напускалась на предприятии-изготовителе и не заменялась в течение всех экспериментов луча осциллографа и составляла — 0;02JT;r Для большей достоверности результатов каждая серия измерений повторялась 10-20 раз.
По известным амплитудам усиленного I и опорного 10 сигналов нетрудно определить значение коэффициента усиления Xyc = 4Ai~ к ' (23) где L - длина исследуемой среды; К0 - поправка, связанная с поглощением зондирующего сигнала невозбужденной средой; которую легко можно вычислить"; если известен ее состав и температура.
Поскольку описанная методика несколько отличается от известных способов измерения усиления и ранее не использовалась,' с целью ее апробации мы провели ряд измерений поглощения зондирующего излучения в контрольной кювете (5) и сравнили полученные результаты с данными расчета. Расчеты выполнялись в предположении Фойгтовского контура линии поглощения по методу; описанному в /ч/г
При измерении поглощения разрядная трубка (4) не использовалась и соответствующий фотоприемник (6) регистрировал опорный сигнал. После откачки кюветы (5) до остаточного давления 10"*** мм рт.ст.: регистрировался непоглощенный сигнал IQ. Затем в кювету напускалась смесь и измерялся прошедший сигнал по методике; аналогичной для измерения усиления. Контроль за давлением смеси в кювете осуществлялся с помощью вакуумметра ВДГ-І с точностью не хуже і 5 % Коэффициент поглощения (Кп) определялся из выражения; аналогичного (23),г без поправки К0.:
На рис.' 36 приведены результаты расчета и эксперимента величины Кп в зависимости от давления Р для линии ЮР (22) основной полосы в чистом С02» Из рисунка видно; что во всем диапазоне исследуемых давлений 5 * 70 торр экспериментальные результаты совпадают с рассчитанными с точностью не хуже 8 %. Несколько I t а, B/:3C ІГ. РС0о' торр
Рис.3. Типичная осциллограмма, полученная при измерении усиления (верхний луч) и опорного сигнала (нижний луч) на экране двухлучевого запоминающего осциллографа (а) и результаты расчета (сплошная линия) и эксперимента величины К в зависимости от содержания COg (б) меньшее значение экспериментальных данных по сравнению с рассчитанными, по-видимому; связано с систематической ошибкой или вызвано неточностями в выборе констант при расчете величины HL.. Аналогичные результаты были получены и для смесей С0« с азотом и гелием.
С целью проверки применимости описанной методики для измерения малых величин усиления (поглощения),были выполнены расчеты коэффициента поглощения Кд для смеси С02:Не = 1:10 при общем давлении 200 торр, а затем проведено измерение значения Кд в этой смеси. Измеренное и рассчитанное значения (—0,045 м~*) совпали с точностью до 10 %
Таким образом, сравнение результатов эксперимента и расчета показывает, что данную методику с достаточно хорошей точностью можно применять для измерения величин усиления (поглощения) вплоть до значения ~ 0,04 м
Перейдем теперь к рассмотрению усиления, которое реализуется в разрядной трубке.
На рис. 4 приведены измеренные значения коэффициентов усиления для различных полос в зависимости от тока разряда. Измерения проводились в диапазоне изменения тока от 15 до 50 мА, характерном для используемой разрядной трубки. Из рисунка видно, что для коэффициентов усиления в основных полосах Kj и Кд наибольшее зна- —т чение — 0,5 м имеет место при минимальном значении тока для данной трубки 15 мА.~ С ростом силы тока величины Kj и Кд почти линейно падают. Для коэффициентов усиления Кщ и Kjy (2-ой полосы секвенции и горячей полосы; соответственно), характерно наличие максимума в зависимости от величины тока разряда. Максимальные значения Km и Кту достигаются при величине тока ~ 35 мА и имеют соответственно значения 0,18 м"1 и 0,07 м~
Особенности поведения коэффициентов усиления для различных _, х - Р(22) 001 - Ю0 кум м о - Р(22) 001 - 020
-| , , , _ р.
15 20 30 40 1р, мА
Рис.4. Зависимость коэффициентов усиления слабого сигнала в различных полосах от тока разряда полос рассматриваются в главе П на основе зависимости колебательных температур от величины 1Р.
Перейдем теперь к исследованию параметров генерации на нетрадиционных переходах (для горячей полосы и 2-ой полосы секвенции) в непрерывном отпаянном СО^-лазере.
Исследование генерации на линиях нетрадиционных полос. Проведенное измерение усиления слабого сигнала позволяет выбрать резонатор лазера и целенаправленно подойти к получению эффективной генерации в стандартной трубке лазера ЛГ-22 на нетрадиционных переходах.
Прежде чем описать результаты исследований выходных параметров излучения на различных переходах, рассмотрим некоторые особенности лазерной системы в случае генерации во 2-ой полосе секвенции.
Генерация на колебательно-вращательных линиях 2-ой полосы секвенции может быть получена в том случае, если усиление на переходах более сильной основной полосы будет скомпенсировано*. К настоящему времени известны три метода выделения ("селекции") частот генерации 2-ой полосы секвенции, особенности которых проанализированы в /74Д Наиболее простым и удобным методом является помещение внутрь резонатора лазера кюветы с нагретым С02 /75/.
Нижние уровни Ю0 и 020 для генерации в основной полосе epexoды 2-ой полосы секвенции и основной полосы лежат в одном и том же спектральном диапазоне /72,73/. Расстояние между отдельными линиями различных полос составляет всего лишь ^0,3 см~*, что вызывает значительное затруднение с выделением частот 2-ой полосы секвенции в обычном селективном резонаторе с дифракционной решеткой /34/. молекулы СС>2 расположены гораздо ближе к основному состоянию 000, чем соответствующие нижние уровни 2-ой полосы секвенции -Ю1 и 021. Поэтому при умеренном нагревании, вследствие значительного теплового заселения только уровней 100 и 020 имеет место существенное поглощение излучения основной полосы, в то время как поглощение во 2-ой полосе секвенции практически отсутствует,
В работе /74/ был проведен анализ условий,* необходимых для получения генерации на линиях второй полосы секвенции. Расчеты зависимости параметров горячей кюветы (давление Р , температура 7, длина нагреваемой части кюветы*) от коэффициентов усиления в полосах 001-100, 001-020 и длины активной среды лазера L показали* что при оптимальном значении Р и Т для непрерывных (^-лазеров с продольным разрядом выполняется простое соотношение:
Исходя из этого, длина нагреваемой части кюветы с ( для трубки лазера ЛГ-22 должна составлять — 40 см.
Перейдем теперь к описанию лазерной установки, на которой проводились исследования генерации на нетрадиционных переходах. Блок-схема установки приведена на рис, 5. В качестве активного элемента применялась серийная разрядная трубка от лазера ЛГ-22 (I), напряжение на которую подавалось от стандартного блока питания. Выходное зеркало серийного лазера было заменено плоской дифракционной решеткой 100 штр./мм (3) с золотым покрытием. Решетка (3) работала в первом порядке по автоколлимационной схеме, отражая в этот порядок *~ 75 % излучения. Вывод генерируемого излучения (—22 %) осуществлялся через нулевой порядок. Замена глухого зеркала (4) не цроизводилась. В резонатор помещалась на- ь.-^ЛЙ&ТЕНА греваемая кювета с С02 (горячая кювета) (2) для подавления генерации на линиях основных полос.
Кювета (2) изготовлялась из кварцевой трубки длиной—50 см и диаметром ~ 25 мм, концы которой с обеих сторон закрывались окнами из J/otCl^ расположенными под углом Брюстера. Нагрев кюветы осуществлялся с помощью стандартной нихромовой спирали, намотанной на внешнюю стенку кюветы. Напряжение сети к спирали подводилось через регулируемый ЛОТ.
Теплоизоляция кюветы обеспечивалась пятью слоями асбеста и двумя слоями стеклоткани. Для отвода тепла от торцов кюветы использовались специальные рассеивающие тепло радиаторы.
Температура нагрева С02 измерялась калиброванной термопарой, прикрепленной к внутренней поверхности кюветы, с точностью + IK. Изменение температуры в диапазоне 300-700 К осуществлялось варьированием напряжения питания от 0 до 120 В. Напуск газа в нагреваемую кювету (время прогрева — I час) производился после откачки до остаточного давления ~ 10 торр^
После описанной выше модификации резонатора лазера ЛГ-22 его длина составляла — 2,5 м.
В случае генерации на линиях горячей полосы,* где усиление значительно меньше, чем во 2-ой полосе секвенции (см. рис. 4), необходимо использовать резонатор с более высокой добротностью; Для этого кроме решетки использовался германиевый эталон (5) (см. рис; 5) с коэффициентом отражения ~ 75 % В целом устройство, состоящее из решетки (3) и эталона (5) представляет собой селективное выходное зеркало с коэффициентом отражения ~ 93 % и пропускания — 4,5 % Величина полных потерь резонатора с учетом потерь на глухом зеркале (4), дифракционной решетке и потерь на Get '-ЙЬ окне (6) разрядной трубки (I), а также полезных потерь составляет, по оценкам, ^ 0,04 м . Следовательно; данное устрой-
со
Рис.5. Блок-схема экспериментальной установки для исследования генерации на линиях нетрадиционных переходов. I - разрядная трубка, 2 - нагреваемая кювета с СОр, 3 - дифракционная решетка, 4 - глухое зеркало, о - германиевый^эталон, б - окно из G«.:/k, 7 - измеритель мощности, 8 - механический прерыватель, 9 - поворотное зеркало, 10 - монохроматор, II - фотоприемник. ство при значении коэффициента усиления Kjy^0,07 м*"1 может быть использовано для получения достаточно эффективной генерации при перестройке по линиям горячей полосы. Горячая кювета (2) в этом случае отсутствует и база резонатора соответственно уменьшается до ^ 1,5 м.
Выходное излучение подавалось на измеритель мощности ИМ0-2 (7).
Для контроля длины волны генерации использовалось излучение, отраженное от С а //$ окна (6), которое через прерыватель (8) с помощью поворотного зеркала (9) направлялось на монохроматор (10) и регистрирующую систему (II). Система (II) состоит из Ge. ''flu. -фотоприемника, охлаждаемого жидким азотом, усилителя и осциллографа. Монохроматор (10) представлял собой модифицированный монохроматор спектрометра ИКС-І4, в котором отражающее зеркало Литт-рова заменялось дифракционной решеткой 150 штр./мм; После такой модификации монохроматор обеспечивал разрешение не хуже 0,4 см*"1 и позволял точно идентифицировать отдельные колебательно-вращательные линии горячей полосы. Калибровка монохроматора осуществлялась по линии Р(23) ОЙ-іА полосы. Данная линия с точностью до —40 МГц совпадает с линией Р(56) 001-Ю0 полосы, и мощность генерации на ней аномально высока (см; рис. 7).
В случае исследования генерации во 2-ой полосе секвенции для идентификации линий дополнительно измерялось поглощение выходного излучения в кювете с нагретым С02 /76/.
Перейдем теперь к рассмотрению результатов исследований генерации на нетрадиционных переходах.
Вначале были определены оптимальные-значения параметров горячей кюветы: давление и температура С02, при которых реализуется максимальная выходная мощность во 2-ой полосе секвенции.
На рис. 6а и 66 приведены зависимости мощности выходного из- лучения для линии Р(17) 2-ой полосы секвенции от давления и температуры СОр в горячей кювете. Из графиков следует, что в области температур 420 * 500 К и давлений 15 * 70 торр выходная мощность изменяется незначительно. Это связано с тем, что в указанной области давлений преобладает однородное уширение, В этом случае вклад в поглощение линий 2-ой полосы секвенции постоянен-, а влияние крыльев линий основной полосы на поглощение во 2-ой полосе еще не существенно /74/. В дальнейшем все эксперименты по генерации на линиях 2-ой полосы секвенции осуществлялись при давлении С02 в горячей кювете,— 40 мм рт.ст. и температуре-460 К.
После этого была проведена оптимизация выходной мощности генерации в различных полосах от величины тока разряда In ; соответствующие результаты представлены на рис. 6в. Максимальные значения выходной мощности для всех полос соответствуют диапазону изменения величины тока 30 * 35 мА.;
Для нетрадиционных полос оптимальное значение токов для режима генерации соответствует величинам, при которых достигается максимум усиления (см. рис. 4). Что касается основной полосы, то здесь не наблюдается подобной зависимости выходной мощности и величины усиления от силы тока разряда. Как видно из рис. 6в, мощность генерации для нетрадиционных переходов более сильно зависит от тока разряда; чем для основной полосы. Зависимость выходных параметров от тока разряда будет обсуждаться далее в главе П на основе анализа колебательных температур.
Абсолютное значение выходной мощности на наиболее сильных линиях составляло: — 4 Вт для горячей полосы, ~ 3 Вт для второй полосы секвенции и ~10 Вт для основной полосы.
Мы провели также исследование возможности перестройки частоты генерации на нетрадиционных переходах. На рис. 7 и 8 представлены распределения мощности генерации по линиям горячей полосы и
отн.ед. 1,0-
0,2 О
60 90 120 150 Р,торр
V 5, отн.ед, 1,0
0,2 О
5, отн.ед
40 50 60 I , мА
Рис.6. Зависимость выходной мощности от давления (Т = 450 К. ID = 30 мА) (а) и температуры (Р = 50 торр, I = 30 мА) *чб) в горячей кювете с СОр, а также от величины тока разряда в активной среде (в), х - основная полоса, о - 2-ая полоса секвенции,А - горячая полоса
It 5. д= 40 i-J 890
914 )\ см-1
Рис.7. Распределение выходной мощности по линиям горячей полосы
5Т 5 1 ,, і І ЦІ I 1 и. А
1080 У, см"1 Ы.
980 У, см*1
Рис.8. Распределение выходной мощности по линиям 2-ой полосы секвенции -48-2-ой полосы секвенции. Всего генерация для горячей полосы была получена на 25 колебательно-вращательных переходах Р-ветви в области 10/9-11,3, мкм. Для 2-ой полосы секвенции - на 74 линиях Р и Я -ветвей в области 10,4 и 9,4 мкм. Аномальное значение выходной мощности для ряда линий можно объяснить случайным совпадением этих линий с линиями других полос; например, Р(23) ОЙ-іА полосы с Р(56) полосы 001-100, а также возможными погрешностями измерений, поскольку использовался лазер; не стабилизированный по выходным параметрам;
В заключение отметим/ что при генерации на нетрадиционных переходах срок службы рабочей смеси в отпаянной трубке такой же, как в случае основной полосы. После длительной работы (50-100 часов) для поддержания энергетических параметров выходного излучения на прежнем уровне требуется производить регенерацию рабочей смеси обычным способом. Разрядная трубка эксплуатировалась в течение — I года (более 1000 часов) и не потеряла своих первоначальных генерационных характеристик.
Таким образом, проведенные исследования позволили создать непрерывный отпаянный С02-лазер на базе серийной модели ЛГ-22; генерирующий на линиях различных полос: 00I-I00, 001«020/ 002-10Г, 002-О21 и 0ІІІ-ІІІ0 с энергетическими параметрами излучения на нетрадиционных переходах всего лишь в -~ 3 раза меньшими, чем для основных переходов. Описанная лазерная система, позволяющая получать достаточно эффективную генерацию на линиях горячей полосы и 2-ой полосы секвенции, может быть использована не только для целей диагностики активных сред С02-лазеров, но и для ряда других приложений, например, для создания лазеров с резонансной оптической накачкой, работающих в дальней йК-области, зондирования атмосферы, спектроскопических измерений и т.д.
В данной главе рассмотрены основные методы определения колебательных температур и населенноетей колебательных уровней в молекулярных средах, их особенности и присущие им недостатки.
Дано обоснование новой методики определения колебательных температур, основанной на измерении коэффициентов усиления в различных полосах молекулы СС^. Выведены также соотношения, связывающие колебательные температуры с коэффициентами усиления и проведен анализ погрешностей.
Измерены зависимости коэффициентов усиления слабого сигнала от тока разряда на линиях полос: 00о1-100, 00І-020, 002-101 т т и 0ІхІ-ІІх0 в отпаянной трубке серийного лазера типа ЛГ-22 с продольным непрерывным разрядомі
Проведена оптимизация параметров внутрирезонаторной нагреваемой кюветы с С(>2 по выходной мощности генерации во второй полосе секвенции.
Выполненные измерения усиления и оптимизация параметров нагреваемой кюветы позволили целенаправленно подойти к исследованию генерации на линиях нетрадиционных полос и получить достаточно мощное излучение на линиях горячей полосы и второй полосы секвенции, сравнимое по эффективности с излучением для основной полосы.
Генерация в горячей полосе была получена на 25 колебательно-вращательных линиях Р-ветви в области 10,9-11,3 мкм. Для второй полосы секвенции - на 74 линиях Р и Я -ветвей в области 10;4 и 9,4 мкм. Абсолютное значение выходной мощности на наиболее сильных линиях составляло: — 4 Вт для горячей полосы и — 3 Вт для второй полосы секвенции.
Перейдем теперь непосредственно к результатам исследования активных сред с помощью описанной методики.
