Введение к работе
Актуальность работы.
Диссертационная работа посвящена решению крупной научно-технической проблемы по разработке и созданию электрофизических установок, предназначенных для эффективной накачки объемным самостоятельным разрядом газовой среды лазеров на молекулах СОг, N2 и F2.
В течение нескольких последних десятилетий был достигнут большой прогресс в создании мощных элетрофизических установок, работа которых основана на использовании самостоятельного электрического разряда в газе [1-11]. Во многом этому способствовало развитие электроразрядных технологий, однако более значительное влияние на разработки высоковольтной импульсной техники и исследования в области физики газоразрядных процессов оказало появление новых источников света -лазеров с накачкой объемным самостоятельным разрядом.
Среди газовых лазеров СОг-лазер является самым мощным источником когерентного излучения, способным генерировать импульсы инфракрасного диапазона (9,3-^10,6 мкм) с энергией в несколько кДж.
Азотный лазер (^-лазер), излучающий в ультрафиолетовом диапазоне на длине волны 337,1 нм характеризуется такими достоинствами, как высокий квантовый КПД (~ 19 %), отсутствие деградации и не токсичность рабочей среды, а также простота конструкции.
Мощным источником когерентного вакуумного ультрафиолетового излучения с экстремально короткой диной волны 157 нм служит Б2-лазер. Благодаря уникальным свойствам и достаточно высокой мощности излучения, указанные лазеры получили достаточно широкое применение в промышленности, медицине, микроэлектронике, научных исследованиях, средствах вооружений и информационных средствах.
Быстрый прогресс в области твердотельных лазеров с накачкой от полупроводниковых лазеров привел к развитию компактных лазерных систем с
повышенной выходной мощностью, эффективностью и надежностью. Поэтому газоразрядные лазеры, работающие в видимом и близком инфракрасном диапазоне, все чаще заменяются твердотельными лазерами с накачкой от полупроводниковых лазеров зачастую и в комбинации со схемами нелинейного преобразования частоты излучения. Однако в области спектра около 10 мкм и в вакуумном ультрафиолете газовые лазеры не имеют конкурентов со стороны твердотельных лазерных систем из-за недопустимости высокой тепловой нагрузки для лазерных кристаллов и кристаллов для преобразования частоты излучения при высоких мощностях выходного излучения.
Недостаток материалов, пропускающих в вакуумном ультрафиолете, ограничивает длину волны излучения твердотельных лазеров до величины не менее 180 нм. Единственным мощным лазером, работающим в вакуумном ультрафиолете на длине волны 157 нм, является F2-лазер.
Основу мощных СОг-, N2- и Р2-лазеров с накачкой объемным самостоятельным разрядом (ОСР) составляет их система возбуждения. Она представляет собой электрофизическую установку, в которой создается объемный самостоятельный разряд с определенными энергетическими, временными, пространственными и частотными характеристиками. Данная система включает в себя устройство возбуждения - технический комплекс высоковольтных средств и элементов конструкции, которые обеспечивают получение и питание ОСР в среде молекулярных газов заданного состава и давления.
Система возбуждения определяет характеристики активной среды, в которой образуется и усиливается лазерное излучение такие, как энергия накачки (или энерговклад), импульсная и средняя мощность накачки, апертура выходного пучка излучения, длина усиливающей среды. В конечном счете, эффективность работы системы возбуждения определяет и многие выходные характеристики лазеров.
Таким образом, одной из важнейших научно-технических проблем, которая остается актуальной и на сегодняшний день, является разработка, создание и исследование высокоэффективных систем электроразрядного возбуждения газовых
сред молекулярных С02-, N2- и F2- лазеров.
Степень разработанности научной проблемы и постановка задач
В большинстве монографий и обзоров по газовым лазерам и газовому разряду [1-6, 10,11] основное внимание уделяется процессам, происходящим в разрядном промежутке и активной среде лазеров, таким как формирование разряда, протекание тока через плазму, плазмохимические реакции, развитие неустойчивостей, создание инверсии и усиления оптического излучения в активной среде.
Вопросы, относящиеся к системам возбуждения, ограничиваются кратким обсуждением принципиальных элементов конструкции этих систем - электродных структур, средств создания начальной концентрации электронов, генераторов высоковольтных импульсов, либо приводится описание конструкции и технических характеристик отдельных лазерных установок [1, 7-9]. Сведений, приводимых в этих работах, явно не достаточно для разработки и создания новых электроразрядных систем возбуждения с улучшенными параметрами и техническими характеристиками.
Работы по лазерам с накачкой объемным самостоятельным разрядом велись очень интенсивно, тем не менее, многие задачи связанные с электрофизическими явлениями при формировании и горении ОСР, переходными процессами в электрических цепях с нелинейной нагрузкой, которой является разрядная плазма, а также процессами передачи электрической энергии из емкостного накопителя в разрядную плазму и связи этих процессов и явлений с эффективным возбуждением активной среды лазеров оставались не до конца решенными.
Одна из серьезных задач, которую необходимо было решить, связана с довольно низким техническим КПД 1Ч2-лазера (менее 0,1 %), большим разбросом его значений (от 0,02 % до более 1 %), приводимых в различных публикациях, а также поиском возможных путей повышения КПД. Поэтому необходимо было выявить причины этих трудно объяснимых фактов и на этой основе предложить и исследовать новые физико-технические подходы к созданию эффективных УФ азотных лазеров.
Усилия большинства исследователей и разработчиков Р2-лазеров были
направлены на создание систем возбуждения, работающих при высоких давлениях газовой смеси до 10 бар. По ряду технических причин такие системы сложны, громоздки, недостаточно надежны и имеют высокую стоимость, что делает невыгодным коммерческое производство подобных лазеров. Поэтому необходимо было найти пути создания электроразрядных систем возбуждения Р2-лазеров, эффективно работающих при давлениях газовой смесей He/Ne/F2 до 3,5 бар и разрядных напряжениях характерных для работы обычных эксимерных лазеров [9].
Из-за значительных технических трудностей в России отсутствовал опыт создания технологических Р2-лазеров. Поэтому для того, чтобы конкурировать с мировыми фирмами - производителями этих лазеров из США, Японии и ФРГ, необходимо было создать отечественные разработки, не уступающие, а по ряду технических характеристик превышающие мировые аналоги.
Низкие пороги оптического разрушения материалов прозрачных в области 10,6 мкм ограничивают плотность энергии в пучке С02-лазеров. Набор апертуры пучка параллельным включением отдельных лазерных модулей нецелесообразен, поскольку требует их фазировки и приводит к неоправданному увеличению габаритов и веса установки в целом. Поэтому достижение энергии ИК-излучения в несколько кДж возможно лишь за счет наращивания апертуры пучка и объема активной среды в едином газоразрядном модуле. Для этого необходимо было решить задачу получения ОСР в газоразрядных промежутках с активным объемом в десятки литров и расстоянием между электродами в десятки сантиметров.
Другое препятствие было связано с локальными плазменными неоднородностями, образующимися в объемном самостоятельном разряде. Рост этих неоднородностей приводит к явлению контракции разряда [2, 4, 6, 10, 11], что ограничивает длительность устойчивого горения и энергетику ОСР. В связи с этим, необходимо было решить задачу эффективного подавления развития плазменных неоднородностей во всем разрядном объеме и получения предельно-однородного ОСР, в котором они полностью отсутствуют.
С задачей улучшения однородности и повышения устойчивости горения
самостоятельного разряда напрямую связана возможность увеличения выходных характеристик излучения. Поэтому необходимо было провести детальное исследование этой взаимосвязи, а также показать, что при накачке предельно-однородным самостоятельным разрядом может быть достигнута рекордная для электроразрядных систем возбуждения величина эффективности генерации С02-лазеров ~ 25%.
Метод решения поставленных задач заключался в:
разработке и использовании электроразрядных устройств с оригинальными схемными и техническими решениями и различными вариантами конструкций;
регистрации осциллограмм высоковольтных и сильноточных импульсов в разрядном промежутке и электрических цепях;
измернии параметров лазерного пучка и регистрации осциллограмм импульсов излучения;
наблюдении однородности ОСР путем фотографирования разрядной зоны;
управлении переходными процессами в электрических цепях, характером поведения самостоятельного разряда путем изменения в широких пределах таких параметров, как напряжение на емкостном накопителе энергии, напряжение на разрядном промежутке, энергия, вводимая в разряд, давление и состав газовой смеси;
разработке теоретических моделей электрофизических процессов происходящих в системах возбуждения, расчете характерных параметров этих процессов;
анализе полученных экспериментальных данных и сопоставлении их с результатами теоретических расчетов;
оптимизации работы системы возбуждения по максимальной величине лазерного КПД - отношения энергии выходного излучения к энергии накачки (под которой подразумевается энергия, запасенная в емкостном накопителе).
Цель работы состоит в разработке, создании и исследовании систем электроразрядного возбуждения газовых сред молекулярных С02-, N2- и Р2-лазеров, изучении электрофизических явлений, механизмов и закономерностей, происходящих
в объемном самостоятельном разряде в указанных средах, оптимизации режимов работы этих систем, а также создании на их основе эффективных С02-, N2- и F2-лазеров, генерирующих в диапазоне ИК-, УФ- и ВУФ-излучений - соответственно.
Более подробно цель работы формулируется следующим образом:
провести исследование зависимости КПД азотного лазера от базовых параметров существующей схемы возбуждения и характеристик самостоятельного разряда, а также определить оптимальные условия накачки, при которых достигаются максимальная энергия и КПД лазера;
предложить и исследовать новые подходы, которые позволяют значительно увеличить энергию электронов, осуществляющих возбуждение высоколежащих уровней азота С Пи, и на этой основе разработать систему возбуждения 1Ч2-лазера;
изучить факторы, влияющие на эффективность работы Р2-лазеров, и решить задачу получения достаточно высокого КПД лазерной генерации (более 0,1 %) при давлениях газовой смеси менее 3,5 бар;
создать эффективные системы возбуждения Р2-лазеров с выходными параметрами, не уступающими лучшим мировым образцам (т.е. с энергией излучения 25 и 2,5 мДж и частотой следования импульсов от 100 до 1 кГц соответственно), но работающих при пониженных (до ~ 3,5 бар) давлениях газовой смеси;
найти и исследовать эффективный метод получения объемного самостоятельного разряда в промежутках с активным объемом в десятки литров и межэлектродным расстоянием в десятки сантиметров.
изучить развитие плазменных неоднородностей и найти возможность их эффективного подавления в ОСР в газовых смесях C02/N2/He атмосферного давления и реализовать в них предельно-однородный объемный самостоятельный разряд, в котором отсутствуют локальные плазменные неоднородности во всей разрядной зоне;
создать систему возбуждения С02-лазера, позволяющую получить выходную энергию более 2 кДж с КПД около 25 %.
Научная новизна работы состоит в приоритетном характере перечисленных ниже в разделе III основных результатов данной диссертации, позволивших
расширить знания о проблеме создания высокоэффективных систем возбуждения газовых сред лазеров на молекулах С02, N2 и F2. Выводы, содержащихся в защищаемых положениях, получены впервые. Разработанные и созданные автором системы возбуждения не уступают мировым аналогам, а по ряду технических характеристик превосходят их.
Научная и практическая ценность
Ведущими мировыми производителями газовых лазеров являются фирмы: «Coherent» и «GSI Lumonics - Laser Group» (США); «Kimmon Electric» (Япония); «TRUMPF» и «Rofin-sinar» (ФРГ); «Оптосистемы» (РФ) и д.р. При создании электроразрядных систем возбуждения ими обычно используются базовые модели, разработанные ранее и прошедшие ряд усовершенствований. Переход же к новому модельному ряду, направленный на кардинальное повышение выходных энергетических характеристик, связан с поиском оригинальных технических решений, проведением достаточно длительной исследовательской работы и новых конструкторских проработок. Поэтому необходим такой научный подход, который позволял бы использовать готовые разработки электрических схем, технических решений и конструкций при создании новых электроразрядных систем возбуждения с возможностью масштабирования их технических характеристик.
Большая практическая польза выбранного в настоящей диссертации подхода состоит в том, что при создании новых систем возбуждения наряду с оригинальными разработками возможно использование готовых разработок электрических схем, технических решений и конструкций, которые доказали эффективность применения в традиционных устройствах возбуждения.
Научная и практическая ценность полученных результатов экспериментальных исследований и теоретических расчетов состоит также в том, что в диссертации:
разработаны научные основы создания систем возбуждения для ряда широко применяемых лазерных источников;
проведен поиск и разработка новых методов эффективного возбуждения УФ
азотного лазера, основанных на явлении генерации убегающих электронов в газе;
получены новые знания о механизмах, влияющих на процессы формирования и устойчивого горения объемного самостоятельного разряда в газовых средах;
выявлены основные факторы, влияющие на эффективность работы электроразрядных систем возбуждения лазеров на молекулах СОг, N2 и F2.
созданы уникальные лазерные источники света, по ряду технических характеристик превышающие мировые аналоги.
Полученные автором результаты исследований и созданные при его непосредственном участии разработки были использованы или внедрены при создании лазерных установок, как на отечественных институтах и предприятиях: ИОФ РАН им. A.M. Прохорова, г. Москва; ИЭЭ РАН, г. Санкт Петербург; ЦФП, г. Троицк моек, обл.; НПО Алмаз, г. Москва; НПО Астрофизика г. Москва; ФГУП ПО Баррикады, г. Волгоград; ТПУ, г. Томск; ОКБ "Радуга" имени И.С. Косьминова, г. Радужный, Владимирская обл.; компания «Алекслаб» г. Москва; компания «Гленик» г. Москва, так и за рубежом: Лаборатория White Sands Missile Range, Нью Мексико, США; IRPHE- Laboratoire (CNRS), Марсель, Франция; Институт физики твердого тела и оптики (RISSPO), Будапешт, Венгрия.
Личный вклад автора диссертации.
Все результаты диссертации получены лично автором или при его непосредственном участии.
Личный вклад автора диссертации заключался в выборе направления работ и постановке конкретных задач исследований, разработке методик измерений, построении математических моделей, анализе и интерпретации экспериментальных данных на их основе.
Автор диссертации принимал личное участие в разработке и создании лазерных установок, проведении научных экспериментальных исследований и технических испытаний.
Защищаемые положения:
1. Энергия УФ излучения лазера на молекулярном азоте пропорциональна
мощности накачки, выделяемой в момент максимума импульса разрядного
напряжения. Максимальная энергия излучения достигается при таком давлении азота, когда одновременно с максимумом разрядного напряжения осуществляется согласованный режим ввода энергии в объемный самостоятельный разряд. В этих условиях максимальная мощность накачки вводится при максимальной температуре электронов в плазме, необходимой для эффективного возбуждения высоко лежащих уровней азота С Пи.
-
Новый метод получения пучков убегающих электронов, при котором пучок с энергией Т » Ттах (где Ттах - энергия электронов с максимальным значением энергетических потерь) сначала формируется в узком промежутке (~ 1 мм) между катодом и сеткой, а затем ускоряется внешним полем основного промежутка, образованного сеткой и анодом, позволяет получать в молекулярном азоте пучки электронов с энергией ~ 10 кэВ, плотностью тока > 10J A/cmz и длительностью импульса пучка ~ 10-10" сек при больших значениях параметра/х/~ 100 см-Торр » pdmin ~ 6 см-Торр (pdmi„ - значение, соответствующие минимуму кривой Пашена).
-
Эффективность разработанного метода накачки активной среды молекулярного азота мощным пучком убегающих электронов для получения генерации лазерного УФ излучения.
-
Используя реакцию диссоциативного прилипания электронов к молекулам фтора F2+e~^>F~+F можно менять разрядные условия в газовых смесях He/Ne/F2 путем варьирования концентрации фтора и тем самым эффективно управлять процессом энерговклада в активную среду Р2-лазера (длина волны излучения 157 нм).
-
Для Р2-лазеров с объемным самостоятельным разрядом оптимальным является такой состав смеси He/F2, при котором в условиях предельных значений напряжения на разрядном промежутке и рабочего давления смеси (определяемых заданной системой возбуждения) реализуется согласованный режим накачки активной среды.
-
В случае небольших добавок в рабочую смесь He/F2 неона (~ 100 мбар) энергия излучения уменьшается незначительно (на ~ 15 %), но при этом существенно улучшается однородность самостоятельного разряда в Р2-лазере.
-
Оптимизация процесса ввода энергии в объемный самостоятельный разряд, обеспечивает достаточно высокую мощность накачки Р2-лазеров при пониженном до 3,5 бар давлении газовой смеси He/F2, за счет чего достигается энергия лазерной ВУФ генерации более 25 мДж и коэффициент полезного действия более 0,2 %, а также существенно улучшаются однородность разряда и ресурс работы системы возбуждения.
-
При создании в разрядном промежутке достаточно высокой начальной концентрации плазмы, величина которой зависит от напряженности поля, давления и состава смеси СОг/^/Не, возможно получение предельно-однородного объемного самостоятельного разряда. В таком разряде полностью отсутствуют наиболее характерные плазменные неоднородности: нитевидная структура разряда, неравномерное поперечное распределение концентрации плазмы, катодные пятна, искровые каналы.
-
При накачке С02-лазера предельно-однородным объемным самостоятельным разрядом достигается рекордный, для систем с подобной накачкой, коэффициент полезного действия лазера ~ 25 %.
Апробация результатов работы. Основные результаты исследований, вошедшие в диссертацию, докладывались на следующих конференциях: Международной конференции по лазерам, Lake Tahoe, USA, 1993 г.; Международной конференции по лазерам, Quebec. Canada, 1994 г.; Международном форуме по мощным лазерам и применениям, Osaka, Japan. 1999 г.; Международной конференции по лазерам, Quebec, Canada, 1999 г.; Международном форуме по мощным лазерам и применениям, Osaka, Japan, 2000 г.; Ill международной конф. «Физика плазмы и плазменные технологии ФППТ-3», Минск, 2000 г.; XI Международной конференции по лазерной оптике, Санкт-Петербург, 2003 г.; Международной конференции по фоточувствительности оптоволокна Monterey, California, USA, 2003 г.; XII Международной конференции по лазерной оптике, Санкт-Петербург, 2006 г.; 17 Международной конференции по современным лазерам и технологиям, Antalya, Turkey, 2009 г.; X Международной конференции по лазерам и лазер но-информационным технологиям, Smolyan, Bulgaria, 2009 г.; 18 Международной конференции по современным лазерам и технологиям, Amsterdam, Netherlands, 2010 г.
29 Международный конгресс по применениям лазеров и электрооптики, 2010. Anaheim, USA.
Также результаты работы докладывались на научных семинарах ИЭЭ РАН, ИОФ РАН, ЦФП ИОФ РАН, семинарах университета Экс-Марсель-2, (Франция).
Основные результаты диссертации изложены в 16 статьях и 15 материалах международных конференций, список которых приводится в конце автореферата.
Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Её полный объем - 262 страницы, включая 81 рисунок, 3 таблицы и 5 списков литературы, насчитывающих в общей сложности 267 наименований.
