Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Системы накачки мощных электроразрядных лазеров и голографические методы исследования газовых разрядов и газодинамических процессов .
Введение 16
1.1. Методы возбуждения лазерных сред, устройство и параметры электрораз рядных СОг , химических HF/DF лазеров и эксимерных лазеров с накачкой электронным пучком 18
1.2. Оптико-физические свойства объемных и контрагированных газовых разрядов... 25
1.3. Голографические методы и средства диагностики газовых разрядов и газодинамических процессов 30
Глава 2. Исследование структуры объемных разрядов и динамики развития неустойчивостей в газоразрядных камерах мощных лазеров .
Введение 39
2.1. Исследование структуры и степени однородности импульсного самостоятельного разрядас УФ предыонизацией в СОг и HF лазерах 41
2.2. Особенности накачки активных сред СОг и эксимерных лазеров с помощью широкоапертурных электронных пучков 58
2.3. Формирование токовых шнуров в несамостоятельном разряде атмосферного давления контролируемого электронным пучком 68
2.4. Исследование структуры, динамики развития токовых шнуров и механизма послеразрядных пробоев 78
Глава 3. Исследование динамики и масштаба газодинамических возмущений в активных средах электроразрядных СОг лазеров в условиях импульсного, импульсно-периодического и непрерывного энерговклада .
Введение 89
3.1.Исследование процессов формирования и распространения в газоразрядной камере приэлектродных ударных волн 90
3.2. Экспериментальные исследования газодинамических процессов в активных средах в условиях импульсно-периодического энерговклада 95
3.3. Исследование параметров потока активной среды в разрядном промежутке непрерывного быстропроточного СО2 лазера
3.4. Регистрация и исследование акустических волн на границе области генерации в условиях короткого импульса накачки ( ~1,5 мкс) - эффект теплового самовоздействия 11 ^
Глава 4. Принципы построения мощных лазерных установок и разработка многоканальных усилительных систем на неодимовом стекле для ЛТС .
Введение 123
4.1. Общие принципы построения и оптические схемы многоканальных многопроходных усилительных систем мощных лазеров на неодимовом стекле 124
4.2. Разработка многоканальных дисковых усилителей с конфигурацией активных элементов 1x2, 2x2 и апертурой каждого канала 20x20 см2 138
4.3. Расчет деформаций и собственных частот дисковых усилителей и пространственных фильтров 2x2 146
4.4. Расчет фазовых и поляризационных искажений лазерного излучения, проходящего через линзу вакуумного пространственного фильтра и активный элемент дискового усилителя 158
4.5. Конструкция восьмиканальной усилительной системы установки «Искра-6» 168
Глава 5. Разработка и исследование источников накачки мощных твердотельных лазеров и элементов осветителя дисковых усилителей .
Введение 180
5.1. Измерительная аппаратура и средства диагностики 181
5.2. Система питания дисковых усилителей, конструкция и основные технические характеристики экспериментальных импульсных ламп накачки 189
5.3. Численное моделирование разряда в крупногабаритных импульсных лампах накачки 199
5.4. Экспериментальные исследование оптических характеристик и спектрального состава излучения импульсных ламп накачки широкоапертурных дисковых усилителей 203
5.5 Исследование эффективности отражателен и распределения энергии излучения накачки в плоскости АЭ 211
5.6.Разработка методик и проведение исследований спектральных и пространственно - временных характеристик излучения лазерных диодов и линеек 221
Заключение 233
Литература 235
- Голографические методы и средства диагностики газовых разрядов и газодинамических процессов
- Формирование токовых шнуров в несамостоятельном разряде атмосферного давления контролируемого электронным пучком
- Экспериментальные исследования газодинамических процессов в активных средах в условиях импульсно-периодического энерговклада
- Разработка многоканальных дисковых усилителей с конфигурацией активных элементов 1x2, 2x2 и апертурой каждого канала 20x20 см2
Введение к работе
Актуальность проблемы
Мощные лазеры и усилительные системы на их основе представляют собой
крупные электрофизические установки, способные генерировать и усиливать интенсивные пучки лазерного излучения с малым углом расходимости. Современные тенденции развития лазеров направлены в сторону увеличения энергетики лазерных установок и повышения качества лазерного излучения и обусловлены как фундаментальными, так и прикладными задачами, к которым, прежде всего, относятся проблемы инерциального термоядерного синтеза, взаимодействия мощного лазерного излучения с веществом, разработки новых технологий и специальных лазерных систем. При решении этих задач лучшие результаты достигнуты с использованием электроразрядных газовых лазеров и твердотельных лазеров с накачкой импульсными газоразрядными источниками оптического излучения. Будущий прогресс в области лазерной физики и техники, с точки зрения повышения эффективности лазерных систем (более 10%), связывают с созданием мощных линеек и матриц лазерных диодов и на их основе систем накачки мощных твердотельных лазеров, обладающих высокими удельными характеристиками и надежностью.
В Советском Союзе, после того как Басовым Н.Г. и Крохиным О.Н. была высказана идея о возможности осуществления нагрева плотной плазмы до термоядерных температур с помощью высокоэнергетичного лазерного излучения, в ведущих научных центрах, в первую очередь, таких, как ФИАН, ФИАЭ (ТРИНИТИ), ВНИИЭФ, ГОИ им.С.И.Вавилова, НИИЭФА им.Д.В.Ефремова были начаты работы по созданию экспериментальных установок для проведения исследований процессов взаимодействия высокоэнергетичного излучения с веществом и решения проблем лазерного термоядерного синтеза (ЛТС). В дальнейшем эти знания позволили начать исследования, направленные на повышение эффективности применения мощных лазеров в различных технологических процессах и стимулировали создание лазеров импульсно-периодического и непрерывного действия.
В России новый шаг в развитии экспериментальной базы для ЛТС был сделан в 2002 г., когда в РФЯЦ ВНИИЭФ ввели в строй лазерную установку на неодимовом стекле «Луч», являющуюся прототипом более мощной установки «Искра-6». Расчетная выходная энергия лазерного излучения установки «Искра-6» составляет -700 кДж на длине волны 0,35 мкм (третья гармоника).
Первые системы в мире для ЛТС были разработаны и созданы на базе СОг лазеров и на твердотельных лазерах на неодимовом стекле в США. В настоящее время в рамках национальных программ в США создана установка NIF на неодимовом фосфатном стекле, а во Франции завершается строительство аналогичного по своим выходным характеристикам лазерного комплекса LMJ. Планируемая на этих установках выходная энергия лазерного излучения составляет ~ 2 МДж на третьей гармонике (Х= 0,35 мкм). В США и Японии действуют программы по созданию термоядерного реактора, использующего принципы ЛТС. В этих проектах в качестве кандидатов рассматриваются твердотельные лазеры с диодной накачкой и эксимерные лазеры с накачкой электронным пучком.
К началу исследований автора работа большинства научных коллективов, участвующих в разработке мощных лазеров, была направлена на изучение возможности организации газовых разрядов в больших объемах при атмосферном давлении. Были реализованы системы накачки СОг лазеров на основе несамостоятельного разряда атмосферного давления, поддерживаемого электронным пучком, и достигнуты рекордные энерговклады на уровне 0,5 Дж/см . Разработаны экспериментальные образцы лазеров на самостоятельном разряде с ультрафиолетовой (УФ) предыонизацией и самостоятельном разряде с прокачкой рабочей смеси. Однако получение лазерных пучков с предельно высокой мощностью и яркостью ограничивалось рядом эффектов и явлений, связанных с процессами накачки и оптико-физическими свойствами активных сред. В связи с этим актуальными явились комплексные исследования физических закономерностей и механизмов воздействия систем накачки на уровень и однородность возбуждения и оптическую однородность лазерных сред. Необходимость этих исследований охватывала все известные в то время способы накачки, в том числе на основе несамостоятельного разряда атмосферного давления, поддерживаемого электронным пучком в смеси газов C02:N2:He, самостоятельного разряда с УФ предыонизацией в смесях C02:N2:He и HF газов, самостоятельного тлеющего разряда в потоке газовой смеси C02:N2:He, электронно-пучковой накачки активной среды ХеС1 лазера. Важно было исследовать процессы срыва объемных разрядов в дуговой режим, а для лазеров, работающих в импульсно-периодическом режиме, изучить механизмы послеразрядных пробоев разрядного промежутка, влияющих на возможность работы с частотой повторения
импульсов.
Переход от экспериментальных макетов лазеров к действующим полномасштабным лазерным установкам импульсного, импульсно-периодического и непрерывного действия открыл ряд новых проблем, связанных с газодинамическими процессами, происходящими в газоразрядной камере, которые влияли на режим работы и выходные характеристики лазерного излучения. Необходимы были детальные исследования динамики, масштаба и характера газодинамических возмущений в активных средах электроразрядных 0( лазеров.
Для решения всех перечисленных выше актуальных проблем и задач потребовались адекватные методы визуализации состояния активной среды в процессе накачки и снятия инверсии. К моменту начала исследований было показано, что одной из наиболее информативных и универсальных диагностик плазменных объектов является голографическая интерферометрия. Однако в тот период голография применялись для диагностики плазмы на небольших лабораторных установках. Поэтому для исследования топографическими методами активных сред мощных электроразрядных лазеров, в условиях многообразия возмущающих активную среду факторов и больших габаритов установок, потребовалось разработать методики и схемы исследования оптических неоднородностей сложной формы и структуры, различных масштабов и градиентов плотности.
Организация эффективной накачки мощных электроразрядных газовых лазеров и твердотельных лазеров с накачкой импульсными газоразрядными лампами ограничивается совокупностью различных по своей природе процессов. В то же время, такие важные показатели накачки, как уровень и пространственная однородность запасенной энергии в лазерной среде, являются общими для всех типов лазеров, поскольку они определяют качество и энергию выходного лазерного излучения.
Лазерные установки, предназначенные для решения проблем инерциального термоядерного синтеза, представляют собой крупные электрофизические комплексы. В состав основных систем комплексов мегаджоульного уровня входят широкоапертурные дисковые усилители с ламповой накачкой и крупногабаритные вакуумные пространственные фильтры, емкостной накопитель с энергией в несколько сотен МДж для дисковых усилителей и ряд других систем. Для получения выходного излучения с высокими энергетическими и пространственно-временными характеристиками необходимо обеспечить эффективную и однородную накачку
активных элементов в дисковых усилителях и организовать пространственную
фильтрацию нарастающих в результате самофокусировки мелкомасштабных возмущений излучения с помощью пространственных фильтров.
Современная концепция крупных многоэлементных установок предполагает построение многопроходных систем, где ключевыми элементами являются многоканальные дисковые усилители, в которых сосредоточена практически вся энергетика установки. Поэтому исследование и разработка дисковых усилителей и усилительных систем, в состав которых входят также крупногабаритные вакуумные пространственные фильтры, является актуальной задачей.
К моменту начала исследований в СССР (России) функционировали и до настоящего времени успешно работают установки со стержневыми оконечными усилителями. Исследовались о дно канальные дисковые усилители с апертурой 15x15 см и макеты усилителей 20x20 см . Поэтому исследования элементов и систем накачки многоканальных дисковых усилителей, разработка архитектуры и конструкции двухканальных (1x2) и четырехканальных (2x2) дисковых усилителей с апертурой каждого канала 20x20 см и многопроходных усилительных систем на их основе стали также предметом данной работы.
После принятия решения о создании в РФЯЦ ВНИИЭФ установки «Искра-6» необходимо было разработать и изготовить установку «Луч», для апробации оптической схемы, конструкторских решений и элементной базы будущей установки. Уникальность установки «Искра-6» предопределила актуальность подобных исследований и разработок. Потребовалось разработать и создать дисковые усилители установки «Луч», провести расчеты и исследовать характеристики основных компонентов осветителей восьмиканальных дисковых усилителей с апертурой каждого канала 30x30 см , разработать конструкцию вакуумных пространственных фильтров и дисковых усилителей.
Повышение эффективности накачки мощных лазеров требует новых подходов и решений, поэтому разработка систем накачки на базе лазерных линеек и матриц является важной задачей. В связи с этим актуальными являются вопросы, рассмотренные в последнем разделе диссертации, в котором представлены результаты исследований излучательных характеристик линеек лазерных диодов в зависимости от режима работы и методика исследования излучения линеек лазерных диодов, основанная на регистрации в динамике энергетических и спектральных характеристик отдельных эмиттеров линейки.
Цель и задачи работы
Основной целью работы являются проведение исследований физических закономерностей и механизмов воздействия систем и процессов накачки на лазерные среды газовых электроразрядных и твердотельных лазеров и их оптико-физические свойства; исследования эффективности осветителей и обоснование принципов конструирования многоканальных дисковых усилителей и многопроходных усилительных систем мощных лазеров на неодимовом стекле.
В соответствии с поставленной целью необходимо было решить следующие задачи: -разработать методики исследования активных сред мощных крупногабаритных газоразрядных лазеров на основе современных диагностических средств и методов, основанных на голографических принципах;
исследовать структуру разрядов и распределение энерговклада в активных средах СО2 и HF лазеров на самостоятельном разряде с УФ предыонизапией и электроионизационных 0( лазеров, а также однородность энерговклада в эксимерном ХеС1 лазере с накачкой электронным пучком;
исследовать устойчивость объемных самостоятельных и несамостоятельных разрядов и процессы, стимулирующие послеразрядные пробои разрядного промежутка;
исследовать динамику и масштаб газодинамических возмущений в активных средах электроразрядных 0( лазеров в условиях импульсного, импульсно-периодического и непрерывного энерговклада;
провести расчеты и разработать конструкции многоканальных многопроходных усилительных систем на неодимовом стекле, включающие пространственные фильтры и дисковые усилители;
разработать и создать четырехканальные дисковые усилители установки «Луч» и прототип секций восьмиканального дискового усилителя с апертурой каждого канала 30x30 см2;
провести численное моделирование разряда в крупногабаритных импульсных лампах накачки и экспериментально исследовать спектральный состав излучения ламп, исследовать эффективность отражателей и распределение энергии излучения накачки в плоскости дискового активного элемента;
разработать методику и провести измерения спектральных и энергетических
характеристик излучения лазерных диодов и линеек.
Научная новизна
-
На базе голо графических методов и средств разработаны методики исследования физических процессов накачки, влияющих на оптико-физические свойства и однородность активных сред мощных крупногабаритных электроразрядных лазеров с импульсным, импульсно-периодическим и непрерывным возбуждением .
-
С помощью разработанных диагностических средств и методик обнаружены и исследованы новые эффекты, возникающие в объеме активных сред СО2, HF/DF, ХеС1 лазеров, обусловленные пространственной неоднородностью предыонизации УФ излучением и электронными пучками, а также неоднородностью накачки электронным пучком, что стимулирует развитие мелкомасштабных структур и крупномасштабных возмущений показателя преломления активных сред.
-
Впервые визуализированы и детально изучены процессы формирования и развития неустойчивостей в виде прорастающих токовых шнуров в объемном несамостоятельном разряде атмосферного давления, поддерживаемом электронным пучком. Получены новые данные о структуре токовых шнуров, концентрации электронов в канале и параметрах периферийной ударной волны на разных стадиях развития неустойчивости. Установлены физические механизмы послеразрядных пробоев разрядного промежутка.
-
Получены новые сведения о газодинамических процессах, происходящих в активных средах газоразрядных лазеров в условиях импульсного и импульсно-периодического и непрерывного вклада энергии с прокачкой газовой смеси, в том числе:
- выявлены особенности зарождения и распространения в газоразрядном объеме приэлектродных ударных волн, ударных волн на границе разрядной области, волн плотности и разряжения, которые формируются на границе зоны генерации, вследствие эффекта самовоздействия;
- определены условия формирования и характеристики тепловых полей в разрядном промежутке проточных лазеров с поперечным разрядом и развития турбулентности газового потока и показано, что важным фактором, влияющим на температуру ядра потока, оказывается процесс турбулентной теплопроводности при передаче тепла от сильно разогретой катодной платы ядру потока, что приводит к дополнительному нагреву газа.
5. Предложены и экспериментально обоснованы конструкции дисковых усилителей
на неодимовом фосфатном стекле с размером апертуры в каждом канале 20x20 см , с
конфигурацией активных элементов 1x2 и 2x2, предназначенных для работы в
многоканальных, многопроходных усилительных системах, в том числе и установки
«Луч».
-
Разработан технический проект экспериментальной восьмиканальной лазерной установки с двухпроходной усилительной системой на базе четырехканальных дисковых усилителей и пространственных фильтров с размером апертуры в каждом канале 20x20 см .
-
Предложена методика расчета фазовых и поляризационных искажений лазерного излучения, проходящего через оптические элементы усилительной системы (линзы пространственных фильтров и активные элементы усилителей), учитывающая весовые и барические нагрузки.
-
На основе экспериментальных исследований и численных расчетов параметров излучения импульсных ламп накачки большого диаметра и длины, формы профилированных отражателей и распределения освещенности в плоскости активного элемента предложена конструкция осветительной системы восьмиканального дискового усилителя (конфигурация 2x4) с размером апертуры в каждом канале 30x30
2 СМ .
9. Разработана методика исследования параметров излучения линеек лазерных диодов,
основанная на регистрации в динамике энергетических и спектральных характеристик
отдельных эмиттеров линейки.
Научная и практическая значимость
-
На базе голографических принципов, средств и методов разработаны методики исследования активных сред мощных крупногабаритных газоразрядных лазеров с объемом активной среды в несколько сотен литров.
-
Получены количественные значения пространственного распределения изменения показателя преломления активных сред, возникающие вследствие процесса накачки и снятия инверсии. Эти результаты использованы при разработке резонаторов газоразрядных лазеров для достижения дифракционной расходимости и в оценке качества лазерного излучения.
-
Результаты исследования устойчивости объемного разряда и газодинамических процессов (распространение ударных волн, нагрев и турбулизация газового потока, динамика распространения тепловых пробок), происходящих во время работы импульсно-периодических и непрерывных лазеров, использованы при проектировании газоразрядных камер и газодинамических трактов лазеров, а также выборе и оптимизации режимов работы.
-
Созданы многоканальные широкоапертурные дисковые усилители на неодимовом фосфатном стекле с конфигурацией 1x2 и 2x2 , с размером апертуры в каждом канале 20x20 см . В составе установки «Луч» на модернизированных усилителях получен коэффициент усиления слабого сигнала 0,045см" и предельная энергия излучения в одном канале 3,5 кДж.
-
Разработаны и изготовлены экспериментальные образцы секций усилителя для восьмиканальных дисковых усилителей ( 2x4) установки «Искра-6».
-
Разработанная методика измерения в динамике излучательных характеристик отдельных эмиттеров в линейке лазерных диодов может быть использована для анализа эффективности технологий выращивания гетероструктур, аттестации линеек и создания матриц и сборок для систем накачки мощных твердотельных лазеров.
Основные положения, выносимые на защиту
1.Мето дики исследования, разработанные на базе интерференционных и теневых голографических методов и средств, оптико-физических свойств лазерных сред, возбуждаемых импульсными, импульсно-периодическими и непрерывными разрядами, динамики развития неустойчивостей в объемном разряде и газодинамических процессов в активных средах мощных лазеров.
2. Результаты исследования пространственного распределения энерговклада и отклика активных сред лазеров, в условиях пространственной неоднородности потоков ионизирующего излучения (УФ излучение и электронные пучки), определяемой элементами систем накачки - схемой ввода пучков в лазерный объем, геометрией и конструкцией электродов, включая следующие данные :
- в СО2 лазерах на самостоятельном разряде с УФ предыонизапией искровыми источниками в результате неоднородной фотоионизации лазерного объема, неравномерной засветки катода и фотоэмиссионных процессов в активной среде
формируются мелкомасштабные структуры, с характерным размером ~ 1-2 мм, и
крупномасштабные изменения показателя преломления, характерные также для HF/DF лазеров с УФ предыонизацией скользящим разрядом;
- в электроионизапионных 0( лазерах и эксимерном ХеС1 лазере при инжекции
пучков электронов с энергией 160 - 400 кэВ в лазерных средах зарегистрировано
неравномерное распределение энерговклада с характерным размером
неоднородности, задаваемым геометрией «прозрачного» электрода или поддерживающей решетки.
3. Методы и результаты комплексных исследований процессов формирования и
развития неустойчивостей в виде прорастающих токовых шнуров в объемном
несамостоятельном разряде атмосферного давления, поддерживаемом электронным
пучком. Новые данные о структуре и скорости распространения токовых шнуров,
концентрации электронов в канале и параметрах периферийной ударной волны на
разных стадиях развития неустойчивости, обоснование механизма послеразрядных
пробоев разрядного промежутка, связанного с распространением в разрядном объеме
токовых шнуров и газодинамическими процессами расширения нагретого в канале
газа.
4. Совокупность результатов исследований газодинамических процессов,
происходящих в возбуждаемых объемными разрядами активных средах, в условиях
импульсного, импульсно-периодического и непрерывного энерговклада с прокачкой
газовой смеси. Данные о процессах зарождения и распространения катодных ударных
волн, волн плотности на границе зоны генерации, формируемых вследствие эффекта
самовоздействия, тепловых полей, тепловых пробок, нагрева и турбулизации газового
потока.
-
Обоснование принципов построения многоканальных дисковых усилителей и усилительных систем с конфигурацией активных элементов 1x2, 2x2, 2x4. Результаты исследования оптических компонентов системы накачки и расчетов конструкций дисковых усилителей и пространственных фильтров. Создание четырехканальных дисковых усилителей с апертурой каждого канала 20x20см , которые внедрены на установке «Луч» .
-
Результаты экспериментальных исследований и расчетов элементов осветителей дисковых усилителей 2x4, включая исследования спектральных и излучательных характеристик крупногабаритных ламп накачки ИНП 40/1600 и профилированных
отражателей. Создание экспериментальных образцов секций восьмиканального
дискового усилителя с апертурой каждого канала 30x30 см .
7. Методика исследования в динамике энергетических и спектральных характеристик
отдельных эмиттеров линейки лазерных диодов и результаты, полученные на
линейках, выращенных модифицированным методом жидкофазной эпитаксии и с
помощью MOCVD технологии.
В результате выполненной работы, внесен значительный вклад в развитие
исследований по формированию активных сред мощных газоразрядных и
твердотельных лазеров с высоким уровнем запасенной энергии и однородностью, и
решена крупная проблема разработки и создания, на российской элементной базе,
оконечных каскадов усиления мощных многоканальных лазерных комплексов,
предназначенных для решения проблем лазерного термоядерного синтеза и
специальных прикладных задач.
Личный вклад автора.
Личный вклад автора заключался в постановке задач, разработке методик и
проведении исследований систем накачки и активных сред мощных электроразрядных
лазеров, анализе и представлении результатов. Личное участие автора является
определяющим в получении научных результатов экспериментальных исследований
элементов осветителей дисковых усилителей, разработке и создании многоканальных
дисковых усилителей и усилительных систем на их основе.
Апробация результатов и публикации
Основные результаты докладывались на следующих конференциях и совещаниях
(семинарах): Всесоюзная конференция по физике низкотемпературной плазмы (г.Киев,
1979 г.); Всесоюзная конференция «Оптика лазеров» (г. Ленинград, 1982 г.);
Международная конференция по явлениям в ионизованных газах ( г.Гренобль,
Франция, 1979 г.; г.Минск, 1981 г.; Г.Дюссельдорф, Германия, 1983 г.); Европейская
конференция по лазерному взаимодействию с веществом (г.Прага, Чехия, 2000г.;
г.Мадрид, Испания, 2006); Международная конференция «Оптика лазеров» ( г.Санкт-
Петербург, 2000 г.); Международная конференция «Прикладная оптика» ( г.Минск,
Белоруссия, 2000г.); Международная конференция по инерпиальному синтезу и
применениям ( г.Биарритц, Франция, 2005г.); Международная конференция по
мощным пучкам частиц (г.Санкт-Петербург, 2004 г.); Белорусско-Российский семинар
«Полупроводниковые лазеры и системы на их основе» ( г.Минск, Белоруссия, 2002г.);
Международная конференция «Передовые лазерные технологии» (г.Леви, Финляндия 2007); Международная конференция по лазерам и электрооптике ( г.Мюнхен , Германия, 2009 г.).
Материалы диссертации опубликованы в 38 статьях, докладах и тезисах конференций, в том числе 15 - в ведущих реферируемых научных журналах и изданиях.
Объем и структура диссертации
Голографические методы и средства диагностики газовых разрядов и газодинамических процессов
Пространственное распределение показателя преломления АС газовых лазеров может иметь сложный характер и зависеть от способа возбуждения АС и конструкции лазера. Очевидно, что при исследовании объектов с большим динамическим диапазоном изменения показателя преломления, необходимо применять как интерференционные (для областей с монотонно меняющейся в пространстве функцией показателя преломления), так и теневые методы (для областей, где функция показателя преломления претерпевает разрыв).
К преимуществу метода голографической интерферометрии, прежде всего следует отнести дифференциальность метода или возможность сравнивать волновые фронты излучения, прошедшего через объект в разные моменты времени, по одному и тому же пути, что значительно снижает требования к качеству оптических элементов по сравнению с обычными "классическими" интерферометрами [55]. Это обстоятельство позволяет проводить интерференционные измерения степени однородности АС мощных газовых лазеров с большим рабочим объемом в реальных условиях, что в ряде случаев является определяющим фактором при выборе диагностических средств. Наиболее распространенным голографическим методом является метод двухэкспоэиционной голографической интерферометрии. В этом методе на регистрирующей среде записывается две голограммы, соответствующие двум состояниям объекта в фиксированные моменты времени. Освещая дважды экспонированную голограмму, можно наблюдать интерференционную картину -результат интерференции двух волновых фронтов, прошедших через объект в различные моменты времени. Различают интерференционные картины в полосах конечной и бесконечной ширины. В первом случае восстановленная интерференционная картина характеризует распределение фазы интерферирующих фронтов, обусловленное только исследуемой неоднородностью, а во втором - дополнительно осуществляется изменение фазы опорного пучка в результате его поворота на угол а между первой и второй экспозициями, который задает ширину и ориентацию интерференционных полос. При проведении исследований объектов сложной формы ширину и ориентацию интерференционных полос необходимо выбирать в соответствии с геометрическими размерами, направлением и величиной градиента показателя преломления неоднородности. Иптерферограмма в полосах конечной ширины дает возможность определять не только величину, но и знак изменения показателя преломления. Пространственная частота интерференционных полос будет v = 2sin(a/2)/A,, где Х- длина волны зондирующего излучения. Сдвиг фазы, обусловленный объектом , на величину приводит к смещению интерференционных полос, равному где Z\ и z2 - координаты входа и выхода зондирующего излучения при зондировании объекта; п0 - начальное значение показателя преломления. В случае, когда исследуемый объект в направлении зондирующего излучения является однородным, формулу ( 1.11) можно переписать в виде где І - размер объекта по оси z ; Дп(х,у) - изменение показателя преломления объекта между I и II экспозициями. Для осесимметричных объектов расчет распределения показателя преломления осуществляется по формуле, которая является интегральным уравнением Абеля [55]. где R - радиус неоднородности; г = Vy2 + z" . В соответствии с (1.4) , при исследовании газодинамических процессов, смещение интерференционных полос будет определяться зависимостью В частном случае, при исследовании ударных волн, используя известное уравнение зависимости скачка плотности от числа Маха где у - показатель адиабаты, М - число Маха, смещение интерференционных полос в этом случае можно представить в виде Чувствительность метода двухэкспозиционной голографической интерферометрии такая же как и классической, и минимальное достоверно измеряемое смещение полосы считается равным кмин=0,1 [55]. На примере, результатов исследований анодной области тлеющего разряда атмосферного давления в потоке гелия [33] можно понять возможности и ограничения методов интерференционной диагностики плазмы с низкой степенью ионизации ( Пе / N 10"5 -10"4 ) и малыми пространственными размерами в направлении зондирования объекта L 0,5- 0,6 см. В этих экспериментальных условиях значение ne L 1,25-1014 - 1,5-1015 см"2 . При проведении подобных исследований минимальное достоверно измеряемое значение ne L 3,2-10 см" (при %= 6,943-10"5 см) является нюкним пределом чувствительности интерферометра поэтому вкладом электронной компоненты в изменение показателя преломления можно пренебречь. При зондировании плазмы на длинах волн инфракрасного диапазона можно обеспечить чувствительность измерений электронной компоненты на уровне ne L 2,2-1015 см 2 (Х= 10,6 мкм). Для исследований газодинамических процессов взяв, для определенности , характерную для лазеров длину активной среды равную = 50 см, а длину волны зондирующего излучения 1= 6,943-10"5 см, газ - азот при атмосферном давлении, получим, что минимальное измеряемое изменение числа частиц в единице объема равно 1,27 -1016 см"3, что соответствует AN/ N0 = Ар/ ро = An/ (n0-l) 0,05%.
При исследовании высокотемпературной плазмы, искровых разрядов или неустойчивостей объемного разряда в виде прорастающих токовых шнуров необходимо учитывать электронную компоненту, а для определения (п-1) использовать формулу (1.5). В ряде работ [66-73] указывалось, что переход объемного разряда в дуговой режим может происходить в результате развития неустойчивостей в объеме газового разряда, а также вследствие формирования катодных пятен, из которых впоследствии развиваются неустойчивости. Зарождение катодных пятен связывают с взрывоэмиссионными процессами на катоде и образованием катодного факела, состоящего из плазмы с концентрацией пе 10 -10 см" , и паров металла катода [74].
Известно, что уменьшение концентрации нейтрального компонента приводит к изменению показателя преломления в сторону его уменьшения, как и при увеличении электронной компоненты. Например, одному и тому же значению (п-1), обусловленному отдельно уменьшением нейтралей ( газ-азот) и увеличением электронной компоненты, соответствует условие Na= 19,7-Пе , а максимальному уменьшению концентрации нейтралей на величину ANa= 2,5 -1019 см"3 (начальные условия: Р =1 атм., Т = 293 К) соответствует значение пе = 1,27 -1018 см"3 . Таким образом, в случае когда концентрация электронов в исследуемой области достигает значений пе 1,27 -1018 см"3 (А,= 6,943-10"5 см), влиянием нейтральной компоненты можно пренебречь. Для легких газовых смесей в С02 лазерах, с большим содержанием Не , это значение концентрации электронов меньше.
Формирование токовых шнуров в несамостоятельном разряде атмосферного давления контролируемого электронным пучком
Однородность АС импульсных электроразрядных лазеров зависит от целого ряда физических процессов, обусловленных способом создания объемного газового разряда и конструктивными особенностями газоразрядной камеры. Неравномерное распределение электрического поля в разрядном промежутке, связанное, например с неоптимальной формой электродов разряда, или пространственная неравномерность потока ионизующих частиц ( эл. пучки и УФ-излучение), являются теми причинами, которые ответственны за формирование неоднородностей в АС.
Для мощных электроразрядных лазеров однородность и уровень удельной плотности энерговклада является важнейшим условием для формирования выходного излучения с высокими энергетическими и пространственно-временными характеристиками (яркость, направленность, когерентность). Одной из причин, влияющей на увеличение расходимости лазерного излучения, является неоднородность активной лазерной среды. Для фокусировки лазерного излучения в пятно минимального размера или при транспортировки на большие расстояния необходимо иметь расходимость излучения близкую к дифракционному пределу [85]. Иногда для достижения этой цели снижают уровень накачки или ограничивают область генерации с помощью диафрагм. В этом случае система становится менее эффективной. Оценки эффективности лазерных систем могут существенно отличаться в зависимости от специфики задач. В зависимости от конечного результата, применяют тот или иной критерий оценки эффективности лазера в целом и его системы накачки в частности. Такими критериями могут быть, например, значения доли энергии излучения лазера в необходимом спектральном диапазоне или количество лазерной энергии в пятне требуемого размера и др.
Достижение предельных энерговкладов в электроразрядных СОг лазерах ограничивается контракцией разряда, что втечет за собой срыв лазерной генерации. Контракции предшествует развитие неустойчивостей в объемном разряде. К настоящему времени известен целый ряд процессов, оказывающих влияние на устойчивость тлеющего разряда. Среди большого числа работ, посвященных возникновению и развитию неустойчивостей тлеющего разряда, следует отметить обзоры [66,67,86,87]. Наиболее общим механизмом неустойчивости тлеющего разряда является перегревно-иоиизационная неустойчивость, сущность которой состоит в сильной зависимости константы самостоятельной ионизации а от приведенной напряженности электрического поля E/N [66,86,88,89]. Уменьшение плотности газа в результате локального разогрева влечет за собой увеличение константы а и рост концентрации электронов и, как следствие, вызывает контракцию разряда.
В работах [68,69,90,91] изучалась неустойчивость, обусловленная наличием в разряде колебательно возбужденных молекул. Присутствие в разряде частиц с низким потенциалом ионизации (NO; N2A3U+) также может привести к возникновению и развитию неустойчивости [70,92,93].
В работах [71,94-96] наблюдалось и изучалось расслоение разряда, сопровождающееся осцилляциями разрядного тока. Одной из причин этого процесса является прилипательная неустойчивость, обусловленная наличием в газе электроотрицательных молекул (02, Н20, С02 и др.). В работе [94] обнаружен механизм возбуждения страт, связанный с накоплением в разряде химически активных частиц (радикалов и метастабильных молекул).
Наряду с объемными неустойчивостями, имеющимися в тлеющем разряде высокого давления, существуют неустойчивости, которые возникают и развиваются в виде токовых шнуров из приэлектродных областей. Экспериментально они изучались в работах [97,72,73,98-101] . В [69,102] отмечалось, что развитию токовых шнуров предшествует образование катодных пятен. В работе [74] показана важная роль автоэмиссионных и взрывоэмиссионных процессов на катоде при организации устойчивого объемного разряда. Известно, что прорастающие токовые шнуры могут возникать раньше объемной неустойчивости и, распространяясь с большой скоростью, по достижении противоположного электрода, вызывать пробой разрядного промежутка. Поэтому исследование зарождения и начальной стадии развития токовых шнуров, влияние материала и свойства катодов, определение их структуры и геометрии представляет значительный интерес. Так же требуют уточнения условия, при которых они развиваются, область локализации шнуров и скорость их распространения. Важными представляются исследования послеразрядных пробоев разрядного промежутка, особенно для импульсно-периодического режима работы лазера.
С точки зрения оптики токовый шнур вызывает особый интерес, поскольку может обладать значительными градиентами показателя преломления, обусловленными высокой концентрацией электронов в центральной его части и периферийной ударной волной [100,103]. Это обстоятельство также накладывает определенное ограничение на режим работы лазера и на конструкцию резонатора и требует своего изучения.
В газовых лазерах на самостоятельном разряде с УФ предыонизацией степень однородности энерговклада во многом определяется однородностью концентрации первичных электронов и начальным пространственным распределением электрического поля в разрядном промежутке. Процессы объемной фотоионизации и фотоэмисии, их относительная роль и влияние на однородность энерговклада зависят от многих факторов, в том число от конструкции электродов газоразрядной камеры, расположения и типа источников УФ излучения. В качестве источников УФ излучения используют коронный, искровой, скользящий разряды и другие . Для получения однородного электрического поля используют электроды, форма которых рассчитывается численно или аналитически. Хорошо известны и применяются профили электродов Роговского, Брюса, Чанга [104]. Однако практика показывает, что в реальных условиях для организации объемного разряда необходима доработка профиля электродов и их поверхности.
Экспериментальные исследования газодинамических процессов в активных средах в условиях импульсно-периодического энерговклада
Установлено, что неоднородность энерговклада в АС СОг-лазера на самостоятельном разряде с УФ предыонизацией длительностью -1,5 мкс имеет крупномасштабную и мелкомасштабную составляющие. Показано, что характер и величина неоднородностей зависят от фотоионизационных и фотоэмиссионных процессов, распределения напряженности электрического поля в разрядном промежутке, конструкции электродов и расположения источников предыонизации, В условиях эксперимента, при расположении источников УФ подсветки за металлической сеткой, являющейся электродом газоразрядной камеры, крупномасштабная неоднородность энерговклада составила д -85%. Данные результаты хорошо согласуются с результатами измерений коэффициента усиления и распределения энергии генерации по сечению пучка. При установке источников УФ излучения с двух сторон по бокам от разрядного промежутка неоднородность энерговклада составляет 3-74%, а с одной стороны от разрядного промежутка 5-68%.
Мелкомасштабная неоднородность энерговклада, с характерным размером 1мм, зарегистрирована в разрядном объеме непосредственно под источниками УФ подсветки и у поверхности катода. Эти структуры формируются в результате неоднородной объемной фотоионизации и фотоэмиссии электронов из катода. Неоднородное пространственное распределение начальных электронов объясняется частичной экранировкой УФ-излучения элементами сеточного катода, за которыми они расположены, а форма мелкомасштабной структуры определяется его геометрией.
Установлены характерные времена формирования и развития мелкомасштабных возмущений нейтрального газа в зависимости от начального давления в газоразрядной камере и наличия легкоионизируемой присадки ТПА. Получена зависимость от давления относительной амплитуды мелкомасштабных возмущений плотности газа в объеме АС в результате неоднородного энерговыделения в смеси C02:N2:He к фиксированному моменту времени 2,5 мкс, имеющую максимум An/(n0-l) 3,5% при Р= 0,3 атм.
Показано, что введение в газовую смесь C02:N2:He легкоионизируемой присадки ТПА стимулирует более быстрый рост амплитуды возмущений показателя преломления по сравнению с "чистой" смесью газов C02:N2:He. При добавке ТПА ( 1,4 мм.рт.ст.) в смесь C02:N2:He=l:l:2, при Р=0,5 атм. относительная амплитуда возмущений показателя преломления к моменту времени 2,5 мкс увеличилась в 2 раза и составила 1,6% при аналогичных остальных условиях.
Таким образом, в результате проведенных экспериментов показано, что для формирования однородного, объемного, самостоятельного разряда с УФ предыонизацией необходимо обеспечить однородную засветку разрядного объема УФ излучением с учетом особенностей конструкции электродов и расположения источников УФ излучения. Оптимальной, с точки зрения однородности энерговклада и оптической однородности АС, является конструкция, где источники УФ излучения располагаются за одномерной металлической сеткой, являющейся одним из электродов. Такая конструкция электродной системы лазера позволяет получить наибольшую степень однородности энерговклада,
Объемный самостоятельный разряд в газовых смесях, где основным компонентом является SF6 газ, широко используется для создания активной среды электроразрядных HF лазеров. Исследование АС химического HF электроразрядного лазера с предыонизацией скользящим разрядом были проведены на установке «Лира» см. 1.1. Исследования проводились в SF6 газе при давлениях Р= 0,05 - 0,2 атм., зарядном напряжении на ГИНе в пределах 13-17 кВ, длительности разрядного импульса 50 не. С целью, увеличения чувствительности измерений распределения показателя преломления активной среды использовалась оптическая схема с двойным проходом зондирующего излучения, аналогичная схеме приведенной в 1.3 ( рис. 1.7 (б)). нтерферограммам (а,б), снятым в момент времени -0,27 мкс и 0,7 мкс относительно начала разряда можно видеть, что смещение интерференционных полос не превышает значений к=0,3-0,5. Поскольку к этому моменту времени t С/уэк газодинамические процессы еще не начинают проявляться, то можно предположить, что эти смещения обусловлены электронами. При таких фазовых набегах зондирующего излучения концентрация электронов, рекомбинирующей плазмы разряда к моменту времени t 0,2 мкс составила ne (0,9-1,5) 10 см .
В момент времени -15 и 19 мкс зарегистрированы слабые ударные волны (рис.2.1.12.в,г) на границах разряда. На рис.2.1.13 представлено распределение изменения показателя преломления, обусловленное расширением разогретого разрядом газа, соответствующее интерферограмме Рис 2.1.12(в ). Следует отметить, что интенсивность УВП ( правая ), стартовавшей от дальней границы разряда по отношению к пространственному расположению источника УФ излучения и распространяющейся в направление от скользящего разряда, больше, чем интенсивность УВЛ ( левая ), которая движется по направлению к скользящему разряду. Это связано с тем, что ближняя к УФ источнику УВЛ , формируется в области с меньшими градиентами температуры и давления, за счет того, что концентрация первичных электронов фотоионизации в левой (ближней к УФ источнику) части разряда выше, чем на дальней стороне разряда при этом разряд не симметричен и смещен в сторону источника УФ излучения. На рис.2.1.12 (д,е) зарегистрированы искровые пробои разрядного промежутка, которые как правило возникали на дальнем от источника УФ излучения крае разряда.
Разработка многоканальных дисковых усилителей с конфигурацией активных элементов 1x2, 2x2 и апертурой каждого канала 20x20 см2
В условиях данного эксперимента было определено время формирования этого типа неоднородности, которое оказалось равным -13 мкс. Время существования структуры в объеме АС составило -150 мкс. Максимальный размер неоднородностей в направлении оси у составил -2/5 расстояния между электродами или 1,6 см. Шаг периодической структуры совпадает с шагом проекции отверстий в перфорированном электроде, отображенных в плоскости, нормальной к оси зондирования (плоскость ху ).
Формирование периодической структуры в объеме АС связано с тем, что электронный пучок инжектируется в газоразрядный промежуток через перфорированный электрод. В результате этого часть электронного пучка экранируется электродом, а та часть, которая проходит в газоразрядную камеру, оказывается пространственно неравномерной. Это обстоятельство приводит к неоднородной ионизации газа и к неравномерному распределению электрического поля и энерговклада. Неоднородный энерговклад вызывает неоднородное тепловыделение и влечет за собой перераспределение плотности и, следовательно, показателя преломления среды. Время формирования неоднородностей этого типа определяется временем V релаксации среды, скоростью звука в газе и размером отверстий в электроде.
Следует также отметить, что этот тип неоднородности представляет собой мелкомасштабную периодическую структуру показателя преломления, которая существует в достаточно большой части активного объема. Наличие в активной среде такого рода неоднородностей приводит к увеличению расходимости выходного излучения при длительности импульса лазера 10 мкс. Представляется также вполне вероятным усиление этих неоднородностей в присутствии генерации излучения, что влечет за собой еще большее ухудшение направленности выходного излучения лазера.
Аналогичные исследования были проведены на установке "Гибрид" [128], где электронный пучок с энергией 160 кэВ вводился в газоразрядную камеру через катод, выполненный из медных трубок диаметром 4 мм. Расстояние между центрами трубок составляло 13 мм. Плотность тока пучка электронов на фольге -10 мА/см . Расстояние анод-катод 6 см, длительность разряда -30 мкс при энерговкладе 200 Дж/л. Использовалась рабочая смесь CC 2:N2:He =1:6:3 при атмосферном давлении. В этих измерениях зондирование объекта осуществлялось в направлении вдоль трубок. Исследования АС показали, что к концу разрядного импульса (tp =30 мкс) изменение показателя преломления относительно своего среднего значения в результате экранирования электронного пучка элементами катода составило величину 1%.
Следует отметить, что в лазерах, работающих в импульсно-периодическом режиме, с целью улучшения однородности газового потока катодные трубки располагают в том же направлении, что и поток газа. При этом оптическая ось резонатора оказывается перпендикулярна этому направлению. Это обстоятельство улучшает ситуацию в том смысле, что изменение показателя преломления, обусловленное пространственной неоднородностью электронного пучка, не будет влиять на пространственную однородность излучения лазера.
Исследование распределения энерговклада и теплового воздействия электронного пучка накачки на активную среду и разделительную фольгу эксимерного лазера было проведено на установке «Нева» ( описание установки приведено в параграфе 1.1.). Накачка АС эксимерного лазера электронным пучком сопровождается ее нагревом, при этом возможен срыв генерации при температуре 500иК[130].Кроме того нагрев газа в области пучка вызывает перераспределение плотности газа и формирование оптических неоднородностей [131,132].
Электронный пучок прямоугольного сечения 12x100 см2 и длительностью te = 100 не вводился в камеру размером 120x40x30 см3 с газовой смесью СС14:Хе:Аг=2:50:2500 при давлении Р=1-2 атм. через перфорированную металлическую поддерживающую решетку и алюминиевую фольгу толщиной 30 мкм рис2.2.5.(а). Энергия электронов составляла -380 кэВ, а ток пучка 100 кА Рис.2.2.5 (б). В соответствии с расчетами [131] средний по объему, удельный энерговклад в газовую среду при давлении -1,5 атм. составил 0,0245 Дж/см . Численное моделирование распределения энерговклада электронного пучка в газе проводилось на основе метода Монте-Карло [133]. В расчетах учитывались рассеяние электронов при взаимодействии с молекулами газа и потери энергии электронами на возбуждение и ионизацию атомов, пинчевание и компенсация обратными токами. В расчетах распределения энерговклада учитывались изменения во времени плотности тока и энергии электронов на входе в фольгу. Р-давление: 1 -1.014; 2- 1,028; 3- 1,042; 4- 1,056; 5- 1,069; 6- 1,083; 7- 1,097; 9- 1,125; 10- 1,139.
Исследования показали наличие трех типов неоднородностей, которые отличаются масштабом, величиной и динамикой формирования и развития. На интерферограммах Рис.2.2.6.(а,б) отчетливо видна мелкомасштабная периодическая структура, которая формируется за время t 6 мкс. Этот тип возмущений плотности активной среды, аналогичный , обнаруженной на установках «Максим» и «Гибрид» мелкомасштабной структуры, также обусловлен пространственной неоднородностью электронного пучка, инжектируемого в объем. Второй тип возмущений Рис. 2.2.6.(в,г) начинает проявляться в более позднее время t 30 мкс и связан с тепловым воздействием электронного пучка как целого и характеризуется скачком давления и последующим расширением газа и развитием акустических волн распространяющихся от границ электронного пучка. Максимальное значения Др/ро зарегистрировано вблизи фольги и составляет порядка 1,2% к моменту времени -40 мкс относительно импульса энерговклада. По расчетам максимальное значение Др/ро вблизи фольги не превышает 1,5%.
