Введение к работе
Актуальность исследований. Использование быстрой аксиальной прокачки лазерной смеси через разрядный промежуток в 1969г. дало принципиальную возможность получения когерентного излучения киловаттного уровня на установках приемлемых габаритов. К настоящему времени накоплен большой опыт по теоретическому и экспериментальному исследованию продольного тлеющего разряда постоянного тока в потоке газа повышенного давления. В качестве одного из первых примеров практического использования этого способа для электроразрядиой накачки в С02-лазерах с быстрой продольной прокачкой газа следует отметить лазерную технологическую установку типа "Карат" [Алейников B.C., Бибиков В.В., Лысогоров О.С. и др., Электронная промышленность, 1981].
В индустриально развитых странах технологические СОг-лазеры с быстрой аксиальной прокачкой газа (АПГ) разрабатываются и выпускаются уже второй десяток лет. Показано, что при умеренных значениях выходной мощности (около 1 кВт) аксиальная симметрия разряда и потока газа благоприятно сказывается на качестве излучения. Однако вопросы пространственной неоднородности тлеющего разряда постоянного тока в турбулизированном потоке ограниченного поперечного размера и ее влияния на качество излучения и предельные энергетические характеристики СОг-лазера с АПГ изучены были недостаточно полно. Обозначились проблемы дальнейшего улучшения качества выходного пучка, повышения энергетической эффективности, снижения уровня подпитки газовой смеси, т.е. сложные научно-технические задачи повышения эффективности и конкурентоспособности технологического оборудования. Оказалось, что решение этих проблем невозможно без соответствующего изучения физических процессов, происходящих в активной среде такого лазера. Прежде всего, необходимо выяснить влияние турбулентного газового потока на генерационные
характеристики ССЬ-лазеров с АПГ. Как было показано в ряде работ [Ю.С.Акишев, А.ГШапартович, Физика плазмы, вып.5, 1978; А.В. Бондаренко, B.C. Голубев и др.. Физика плазмы, вып.З, 1979], турбулентность неоднозначно влияет на устойчивость газового разряда; точно также турбулентность неоднозначно может влиять на качество лазерного пучка, т.к., с одной стороны, она снижает неоднородность активной среды, но, с другой стороны, увеличивает степень мелкомасштабных и нестационарных неоднородностеи. В то же время турбулентная диффузия возбужденных молекул активной среды должна увеличивать к.п.д. использования ее объема, а само генерируемое излучение может влиять на степень однородности плотности газа [н-р: Л.А.Васильев, М.Г.Галушкин, А.М.Серегин и др., Квантовая электроника, 1981]. Учитывая все это, нами было предпринято комплексное экспериментальное и расчетное исследование характеристик активной среды и поля лазерного излучения в СОг-лазерах с АПГ. Настоящая диссертация посвящена исследованию генерационных характеристик электроразрядного СОг-лазера с турбулентным продольным потоком газа.
Цель данной работы состоит в повышении электрооптического к.п.д. при сохранении качества излучения в СОг-лазере с АПГ. С этой целью проводились экспериментальные и теоретические исследования особенностей формирования излучения в СОг-лазере при накачке самостоятельным разрядом постоянного тока в аксиальном потоке смеси газов СОг, азота и гелия на основе измеренных параметров экспериментальной установки с учетом при последующей оптимизации параметров лазера нелинейных эффектов взаимодействия лазерного излучения и активной среды в турбулентном потоке газа. Для измерения параметров активной среды использовался метод калиброванных потерь. Особое внимание уделяется исследованию пространственных неоднородностеи тлеющего разряда постоянного тока в турбулентном потоке газа с применением бесконтактных
методов диагностики плазмы газового разряда.
Защищаемые положения. В электроразрядном СОг-лазере с быстрой
аксиальпой прокачкой газа:
-
Степень неоднородности радиального распределения плотности тока разряда повышается при генерации лазерного излучепия с интенсивностью порядка интенсивности насыщения, по сравнению со случаем без генерации, (например, при разъюстированном резонаторе). Это разлігчие более выражено в нижней по потоку части разряда.
-
Существеиньш фактором снижения скорости изменения усиления активной среды лазера с ростом удельного энерговклада при вариации тока разряда является рост неоднородности радиального распределения плотности электронов.
-
При генерации лазером излучения основной гауссовой моды с увеличением удельного энерговклада снижается степень насыщения активной среды при том же превышении ненасыщенного коэффициента усиления над пороговым и при неизменных геометрических параметрах оптического резонатора. Это обусловлено главным образом ростом радиальной неоднородности плотности электронов и температуры газа.
-
С ростом удельного энерговклада возрастает степень радиальной неоднородности коэффициента преломления активной среды, которая вследствие светового самовоздействия нелинейно изменяется как с изменением внутрирезонаторной интенсивности, так и при изменении ширины гауссова пучка.
Научная новизна.
1. Впервые показано экспериментально, что использование внеосевого вдува газа в газоразрядную трубку (ГРТ) СОг-лазера с АПГ увеличивает выходную мощность лазера в случае, если в прианодную область положительного столба поместить устройство сужения потока, позволяющее организовать турбулизованный поток газа при числах
Рейнольдса Re~1500...2000, по сравнению с использованием осевого вдува газа в ГРТ. При внеосевом вдуве газа достигнуто увеличение удельного энерговклада в разряд от 13 до 18 Вт/см3 и удельного энергосъема от 2.7 до 4 Вт/см3 при увеличении скорости прокачки в диапазоне от 90 до 150 м/сек.
-
Разработанное оригинальное устройство измерения добротности электрического колебательного контура позволяет при соответствующем расположении катушки индуктивности измерить локальную электропроводность плазмы тлеющего разряда с временным разрешением до 20 икс.
-
Разработанный алгоритм с использованием цифровой фильтрации сигаала с фотодатчика, измеряющего уровень люминесцентного свечения разряда, позволяет определить спектр и амплитуду локальных пульсаций плотности электронов. Измерена спектральная зависимость среднеквадратичного отклонения плотности газа при различных уровнях энерговклада в разряд в турбулизированном потоке газа в присутствии лазерного излучения и без него.
4. Разработана новая методика экспериментального определения
генерационных характеристик СС>2-лазера с АПГ: коэффициента
усиления и параметра насыщения активной среды, уровня
внутрирезонаторных потерь на основе измерений зависимости
выходной мощности от числа одновременно подключенных ГРТ и при
разных значениях коэффициента отражения выходного зеркала.
5. Показано, что при расчете энергетических параметров СОг-лазера с
АПГ с учетом формирующихся пространственных неоднородностей
активной среды необходим согласованный расчет степени насыщения
активной среды и превышения усиленій над пороговым значением при
известных параметрах оптического резонатора.
6. Разработана модель расчета выходных параметров СОг-лазера с
АПГ, в которой на основе известных представлений о кинетических
процессах в среде такого лазера рассчитываются параметры генерируемого пучка основной гауссовой моды с учетом особенностей формирования инверсии в неоднородной активной среде аксиального потока газа, а именно, учитываются амбиполярная диффузия электронов в плазме тлеющего разряда в присутствие отрицательных ионов и турбулентный энерго- массоперенос. Практическая пеиность работы заключается в следующем.
-
Существенно расширены представления об особенностях формирования излучения в неоднородной активной среде мощных СОг-лазеров с АПГ, а именно, показано влияние неоднородности радиального распределения плотности электронов и температуры газа на генерационные характеристики и эффективность генерации лазером излучения низшей поперечной моды устойчивого резонатора.
-
Результаты расчетов и экспериментального определения коэффициента усиления и параметра насыщения, а также внутрирезонаториых потерь позволили оптимизировать параметры технологического лазера ТЛА-600, что обеспечило повышение электрооптческого к.п.д. до 20 % при генерации преимущественно основной гауссовой моды.
3. Разработанный пакет прикладных программ вместе с накопленной
базой экспериментальных данных позволяют прогнозировать
энергетические параметры вновь разрабатываемых технологических
СОг-лазеров более высокой мощности.
4.В ходе выполнения диссертационной работы проведена необходимая доработка отдельных блоков и узлов С02-лазера ТЛА-600, таких как блок генерации луча, ламповый блок контроля тока разряда и др. На конструкцию газоразрядного элемента и устройство определения проводимости с помощью электромагнитного пробника получены авторские свидетельства.
Апробания работы. Материалы, включенные в диссертацию, докладывались на семинарах НИЦ ТЛ РАН; Всесоюзном семинаре "Лазерная техника и технология" (1988 г., Вильнюс); Ш-й Всесоюз. конференции "Применение лазеров в народном хозяйстве" (Шатура, 1989 г.); а также: Russia National Conference "Industrial Lasers and Laser Material Processing" (Шатура, 1993 г.); V-th Internat. Conference on Industrial Lasers and Laser Application (Шатура, 1995 г.); VHI-th Conference on Laser Optics, (StPetersburg, 1995); Internat. School of Advanced Study Institute of NATO Science Committee 'High Power Lasers -Science and Engineering" (1995, Karlovy Vary); IX-th Internat. School on Quantum Electronics, (1996, Varna); ХІ-th Internat. Symp. "Gas Chemical Lasers and High Power Lasers" (1996, Edinburg). Вклад автора. Все излагаемые в диссертации научные результаты получены автором лично или в соавторстве при непосредственном участии автора.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, приложения и списка литературы. Содержание диссертации изложено на 137 страницах машинописного текста, иллюстрированного 68 рисунками и 5 таблицами. Список цитированной литературы включает 152 наименований. Во введении обоснована актуальность выполненных исследований, сформулированы цель работы и защищаемые положения, показана научная новизна полученных результатов, описывается распределение материала по главам.
