Введение к работе
Актуальность проблемы
С открытием в 1975 году (Searl S.K. and Hart Q.A. //Appl. Phys. Lett.- 1975, V.27, P. 243-246; Evving J.J., Brau C.A. //Appl. Phys. Lett.- 1975, V.27, P.350-352) лазеров rra галогенидах благородных газах (названных эксимерными лазерами) появился новый класс высокоэффективных источников когерентного излучения, спектральный диапазон которых перекрыл широкую область ближнего ультрафиолета. В течение первых лет основное внимание исследователей было обращено на изучение способов возбуждения лазеров, поиск оптимальных газовых смесей, получение новых линий генерации (различные молекулы) и повышение эффективности лазеров. Для возбуждения эксимерных лазеров наиболее подходящим оказался объемный электрический разряд и пучок ускоренных электронов. Типичный уровень энергии генерации в первых лазерах составлял десятки - сотни миллиджоулей, длительность импульса излучения - десятки и сотни наносекунд. Наиболее перспективными оказались лазеры на молекулах ХеС1 (длина волны X = 308 им) и KrF (X = 248 им), эффективность генерации которых достигала- 5 и 10%, соответственно. Несмотря на меньшую эффективность XcCl лазера, он выгодно отличался от KrF лазера менее агрессивной н более долгоживущей газовой смесью; более доступными и дешевыми оптическими элементами; лучшей однородностью горения разряда накачки и, следовательно, возможностью получения большей энергии и длительности импульса генерации, более высокой степени когерентности излучения.
В результате исследований выяснилось, что излучение эксимерных лазеров имеет очень низкую степень временной и пространственной когерентности. Это было обусловлено, прежде всего, рядом особенностей самих лазеров. Слабосвязанный либо разлетный нижний терм эксимерных молекул приводит к большой ширине спектральной линии излучения в режиме свободной генерации (Av ~ 20-30 см"'). Малая длительность импульса генерации и большая длина активной области (50 - 100 см) затрудняют формирование низших мод в резонаторе. В связи с этим расходимость излучения эксимерных лазеров обычно составляет -1-Ю мрад.
В тоже время для многих прикладных задач требовались лазерные пучки с различной энергией и длительностью импульса излучения, которые бы имели малую расходимость и узкую ширину спектральной линии. В связи с этим к началу 80-х годов остро встал вопрос как о повышении мощности и энергии эксимерных лазеров, так и о повышении степени когерентности их излучения.
Благодаря короткой длине волны излучения, высокой эффективности и возможности достижения большой мощности, эксимерные лазеры стали рассматриваться как наиболее перспективные источники для экспериментов по инерционному термоядерному синтезу и для проведения фундаментальных исследований по взаимодействию сверхмощного излучения с веществом. В связи с этим появилась потребность исследования, разработки и создания шнрокоапертурных эксимерных лазеров (усилителей) с активным объемом в десятки-сотни литров и использования их для формирования УФ излучения с высокой яркостью.
В конце 70-х годов, к моменту начала выполнения настоящей работы, в литературе существовали только краткие информативные сообщения относительно параметров первых эксимерных лазеров, и практически отсутствовала информация относительно повышения когерентности их излучения. Развитие эксимерных лазеров во веем мире с точки зрения повышения энергии и качества их излучения осуществлялось параллельно с выполнением настоящей работы. При этом основное внимание исследователей было обращено на КгГ' лазер, с которым и были получены в дальнейшем наиболее серьезные научные и практические результаты. В конечном итоге были созданы такие уникальные KrF лазерные системы, как "Sprite" и "Titania" (Англия), "Nike" (США) и "Ashura" (Япония) с уровнем энергии излучения в импульсе 100-1000 Дж, на которых в настоящее время изучаются возможности формирования излучения с высокой яркостью и сто взаимодействие с веществом.
Цель работы
Целью настоящей работы являлось исследование процессов формирования мощных импульсов излучения с высокой степенью когерентности в ХеС1 лазерах и лазерных системах для создания ультрафиолетовых источников излучения большой яркости.
Задачи исследований
В рамках поставленной цели решались следующие задачи. 1. Создание мощных ХеС1 лазеров с энергией излучения в импульсе 10 - 100 Дж и оптимизация условий их возбуждения и генерации.
2. Изучение процессов формирования мод неустойчивою резонатора в ХеС1 лазерах с целью
получения максимальной яркости излучения.
3. Исследование возможности управления пространственно-угловыми и спектральными
характеристиками излучения ХеСІ лазеров в режиме ипжектшонной синхронизации.
-t. Создание задающего генератора па молекуле ХеС'1 и исследование услопиіі формирования п нем излучения с дифракционной расходимостью и минимальной шириной спектральной
ЛИШИ!.
-
Исследование процессов формирования лазерною пучка в XeCl усилительной системе с больпюіі выходной апертурой (до 25x25 см) с целью получения в ней импульсов излучения с высокой энергией и минимальной расходимостью.
-
Использование ВРМБ и ВКР для управление параметрами излучения XeCl лазеров.
Основным методом iice.'iivioiiaiuiii » работе является физический эксперимент, который включал в себя измерение чісрісшчсских. спектральных, временных, поляризационных и просі ране і венных параметров лазерною излучения; используется также математическое моделирование па ')ИМ и оценочные расчен.і.
HO.TDVKI'IHIH
1. Величина минимальной расходимости излучения в шнрокоапертурных (а > 10 см)
экснмерпых лазерах с неустойчивым конфокальным резонатором положительной ветви
ограничивается потоками усиленного спонтанною излучения. Уменьшить влияние этих
потоков и приблизиться к дифракционной расходимости излучения позволяет резонатор со
сферически-выпуклыми зеркалами, в котором величина минимальной расходимости
определяется оптической неоднородностью активной среды.
2. Эффективное управление (п,>0?<>) спектральными, пространственными и
поляризационными параметрами излучения электроразрялиого XeCl лазера в режиме
инжекнпонной синхронизации возможно лишь при малой длительности импульса его
генерации (< 30 не) і; полном заполнении его активной среды от моментов начала накачки до
начала генерации внешним сигналом с интенсивностью более 0,1 Вт/см*. В широкоаисртуриом XeCl лазере с длительностью импульса 250 не в режиме ИС показана возможность эффективного управления спектральным составом излучения.
3. При усилении излучения с дифракционной расходимостью в широкоапертурной
XeCl лазерной системе наибольшее влияние на его волновой фронт оказывают турбулентные
потоки как в лазерной смеси, так и на участках его транспортировки в воздухе. Активная
среда усилителя, возбуждаемого электронным пучком, позволила без видимых искажений
волнового фронта усиливать пучок диаметров до 10 см.
-
ХеС! лазер, возбуждаемый электронным пучком, позволяет реализовать высокий КПД и энергию излучения в импульсе -100 Дж и более при накачке с удельной мощностью - 200 - 400 кВт/см", с длительностью импульса на полувысоте от максимальной мощности -300 не и степенью неоднородности не более 30%.
-
При взаимодействии со средой ВРМБ излучения ХеО лазера с низкой степенью когерентности и с интенсивностью -100 МВт/см^ стоксов сигнал имеет высокую степень когерентности. Использование этого явления в ХеС1 лазере с резонатором, образованным полупрозрачным выходным зеркалом и ВРМБ средой, позволило сформировать в нем узкополосное излучение (Av = 0.3 см"') с высокой направленностью (30% энергии в 0Д).
-
При ВКР пучка ХеС1 лазера в парах свинца и сжатом водороде экспериментально достигнуты близкие к физическому пределу параметры излучения: квантовая эффективность преобразования в одну стоксову компоненту 92% и 95%. соответственно; расходимость преобразованного излучения, близкая к дифракционному пределу 0Л в водороде и нескольких Од в свинце; ширина спектральной линии Av = 0,01 см"' в водороде и Av = 0.05 см'1 в свинце: получено рекордное количество (около 70) одновременно наблюдаемых вращателыю-колебательиых линий и водороде.
Достоверность результатов работы
Достоверность результатов, отраженных в научных положениях и выводах, обусловлена применением различных общепринятых методик для измерения одних и тех же параметров, совпадением экспериментальных результатов с расчетными, и согласием результатов работы с данными, полученными другими авторами (J. Mckee, H.E.Cartland. F. Kannari, M.R.Perrone и т. д.).
Научная новизна работы
впервые показано, что в широкоапертурных экснмерных лазерах с неустойчивым конфокальным резонатором положительной ветви величина минимальной расходимости излучения определяется потоками усиленного спонтанного излучения, а в резонаторе со сферически-выпуклыми зеркалами оптической неоднородностью активной среды;
впервые показано, что эффективность управления параметрами излучения ХеСІ лазера в режиме инжекцношгой синхронизации уменьшается при увеличении его
длительности импульса более 30 не. При длительности тід ~ 250 не лучшая управляемость реализована для спектрального состава излучения.
впервые показано, что высокая эффективность генерации в широкоапертурном XeCl лазере, возбуждаемом электронным пучком с длительностью импульса х\а ~ 300 не. реализуется при удельной мощности накачки ~ 200 - 400 кВт/см ;
обнаружена пространственная и спектральна селекция излучения XeCl лазера при взаимодействии его излучения интенсивностью - 100 МВт/см2 с ВРМБ средой (Патент № 2077756 от 20.04.97 г.);
впервые показано, что активная среда XeCl усилителя, возбуждаемого электронным пучком, позволяет без пилимых искажении волнового фронта усиливать излучение с расходимостью ~ 0.01 мрад;
впервые эксперимептатьно показано, что преобразованное при ВКР излучение XeCl лазера в водороде может иметь расходимость близкую к дифракционному пределу а ширину спектральной линии Av = 0,01 см"1.
Нлучнаї! ценность работы
-
Активная среда XeCl усилителя, возбуждаемого электронным пучком, позволила без искажении волнового фронта усиливать излучение с расходимостью 0.01 мрад.
-
Использовании режима инжекшюнной синхронизации в XeCl лазере с энергией генерации ~- 100 Дж позволило получить на узкой спектральной линии 90% энергии излучения.
-
Взаимодействие усиленного спонтанного излучения XeCl лазера интенсивность 100 МВт/см" со средой Ш'МВ позволило сформировать узкополоснос (Av - 0,3 см" ') излучение с малой расходимостью.
-
Высококогерентное излучение XeCl лазера позволило достигнуть квантовой эффективности ВКР (водород, пары свинца) на одной стоксовой компоненте более 90%.
Практическая значимость работы
1. Создана четырехкаскадная XeCl усилительная система с выходной апертурой 25x25 см и энергией излучения 200 Дж, позволяющая формировать мощные импульсы различной длительности с высокой степенью временной и пространственной
когерентности. Получен лазерный пучок с расходимостью 0.01 мрэд. чю позволило более чем на два порядка повысить н.кпность энергии на мишени.
-
Показано, что использование одночаетотной накачки пучка ХеС1 лазера при ВКР в сжатом водороде позволяет получить одновременно до 70 спектральных линий излучения, что примерно в два раза превышает число линий, наблюдаемых при двухчастотной накачке.
-
Показано, что использование в качестве одного из зеркал резонатора ВРМБ среды в ХеС1 лазере позволяет более чем на два порядка уменьшить ширину его спектральной линии и на один порядок расходимость излучения.
Внедрение резулыаюн работы
Результаты исследований по формированию минимальной расходимости излучения в эксимерных лазерах с неустойчивым резонатором использованы в Институте электрофизики УрО РАН (г. Екатеринбург) при создании установки для обработки твердотельных материалов.
Ряд созданных экспериментальных установок и их документация были внедрены в Физическом институте АН СССР (г. Москва) для научных исследований, в Институте прикладной физики АН СССР (г. Горький) для исследований ОВФ. в Институте оптики атмосферы СО АН СССР (г. Томск) для получения мощных коротких импульсов.
Полученные в работе оптнмапьные условия возбуждения ХеС1 лазера электронным пучком легли в основу разработки и создания в ИСЭ СО РАН компактных и эффективных широкоапертурных эксимерных лазеров с уровнем энергии излучения в импульсе 100- 1000 Дж.
Результаты диссертационной работы могут быть использованы в различных организациях и НИИ (ФИ РАН, ИЭФ УрО РАН. НПФ РАН. НИИ ЭФА. ИОЛ СО РЛН. ГОИ):
при разработке и создании широкоапертурных э.тектроразрядиых ХеСІ лазеров с энергией излучения в десятки джоулей:
при разработке и создании ХеСІ лазеров, возбуждаемых электронным пучком, с уровнем энергии генерации в импульсе 100 Дж и более:
при разработке и создании задающего генератора на молекуле ХеСІ;
для формирования в мощных эксимерных лазерах и лазерных системах импульсов высококогерентпого излучения;
для управления параметрами излучения ХеСІ лазеров путем использования ВРМБ;
- для расширения спектрального диапазона высококогерентного излучения при ВКР пучка ХеСІ лазера;
Вклад автора
При получении результатов настоящей работы автором внесен определяющий вклад, выраженный в постановке задачи, разработке и проектировании экспериментальной техники, выполнении расчетов п моделирования, проведении экспериментов и интерпретации их результатов.
Апробации работы
Основные результаты, изложенные в диссертации, докладывались на Международных конференциях Лазеры'79 (Флорида) и Лазеры'80 (Новый Орлеан); Международной конференции по явлениям в ионизованных газах (Минск. 1981); Международной конференции и школы "Лазеры и применение"' (Бухарест. 1982); IV и VII Всесоюзном симпозиуме по сильноточной электроники (Томск, 1982, 1988); II Всесоюзном совещании по физике электрического пробоя газов (Тарту, 1984); Всесоюзном семинаре '"Физика быстропротекающих процессов" (Гродно, 1986); Всесоюзном совещании "Инверсная заселенность и генерация на переходах в атомах и молекулах" (Томск, 1986); III Всесоюзной конференции по физике газового разряда (Киев, 1986); Всесоюзном семинаре "Спектроскопия активных сред газоразрядных лазеров" (Лохусалу, 1988. 1990); III Всесоюзной конференции "Взаимодействие излучения плазменных и электронных потоков с веществом" (Сухуми, 1988); XIII Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике, симпозиуме "Плазменные лазеры" (Минск, 1988); VI, VII, VIII Всесоюзных конференциях "Оптика лазеров" (Ленинград, 1990, 1993, 1995); XIV Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Ленинград, 1991); International Workshop "High energy pulsed chemical lasers" (Paris, 1995); II, III. IV International Conferences Atomic and Molecular pulsed lasers (Tomsk, 1995, 1997, 1999); "XII International Symposium on gas flow and chemical lasers" and "High Power lasers conference" (St.- Peterburg, 1998).
Публикации
Основные результаты диссертации опубликованы в 52 печатных работах, список которых приведен в конце автореферата. По материалам работы получено пять авторских свидетельств на изобретение и одни патент.
Объем работы
Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения, приложения, списка цитируемой литературы и списка трудов автора. Работа содержит 191 страницу, включая 112 рисунков, 199 библиографических ссылок.
