Введение к работе
Актуальность темы диссертации.
Среди многообразия существующих в настоящее время лазеров молекулярные лазеры, работающие в инфракрасном диапазоне, занимают особое место ввиду их высокого КЦД при достаточно большой мощности и энергии излучения. Этот фактор является решающим при постановке задачи технологического использования лазеров. Самым многообразным по своим модификациям является (Х^-лазер, который может успешно работать как в непрерывном, так и в импульсном режимах. Для широкого применения импульсных СС^-лазеров в различных областях науки, технологии, медицине требуются достаточно простые и надежные конструкции, позволяющие получать лазерное излучения в широком диапазоне энергий и длительностей импульса.
Наиболее универсальными и надежными являются мощные импульсные С02~лазерн с предионизацией электронным пучком, который создает в рабочем объеме электронную концентрацию Пв>10 см-3 и обеспечивает несамостоятельный режим горения объемного разряда, накачивающего лазерную среду. В этом случае можно изменять в широких пределах величину напряженности электрического поля, определяющую функцию распределения электронов по энергиям в газоразрядной плазме, и, следовательно, реализовать условия наиболее эффективного заселения верхних лазерных уровней. Но основным преимуществом несамостоятельного разряда является устойчивость и однородность его горения по сравнению о самостоятельным, что гэет возможность накачивать таким р .зрядом большие объемы лазерных сред высокого давления. Однако технологическое применение лазеров с предионизацией электронным пучком в некоторых слу-
чаях ограничено их большим весом, высоким напряжением (до 500 кВ на ускорителе) и необходимостью биологической защиты от тормозного рентгеновского излучения. Кроме того, вакуумный диод ускоритесь ля требует постоянной откачки до 10 мм рт.ст. в довольно большом объеме. В некоторых условиях эти требования становятся невыполнимыми, что определяет необходимость поисков других способов создания мощных импульсных установок.
Помимо -электронных ускорителей в- системах для предионизации алектроразрядных С02-лазеров могыо использовать к другие источники ионизирующих излучений. Наиболее перспективными из них представляются различные виды сильноточных электрических разрядов, являющихся источником Н9СТК0Г0 УФ-нзлучення оольшой интенсивности. Однако основной вклад в ионизацию активной среды С02-лазера дает излучение в области 120 нм, где закрытые источники малоэффективны пз-за необходимости применения проходной оптшш, а обычные открытые источники типа искровых трудно расположить оптимальным образом относительно рабочего объема лазера. Поэтому УФ источники излучения не могли заменить пучок ускоренных электронов в крупногабаритных лазерных установках.
В последнее время большой прогресс достигнут в развитии работ по инициированию объемных разрядов в С02-лазерах с помощью радиационных [lj и рентгеновских [2] источников предионизации. Особенно впечатляющи результаты работ по организации объемных разрядов с применением метода динамического профилирования электрического поля в менэлектродном зазоре крупноапертурного С02-лазера [з] , что позволило зажечь сильноточные объемные разряды в промежутках до 60 см. Однако каждый подход хорош в конкретной ситуации, и, к сожалению, не является универсальным.
Одним из эффективных источников излучения с повышенной ин-
тенсивностью в области вакуумного ультрафиолета является сколь--зящий по поверхности диэлектрика разряд Щ
Электрическое поле Е скользящего разряда распределено рвя-ко-неравномерно с преобладанием нормальной составяящвй к поверхности диэлектрика. Поэтому в электродной конфигурации скользящего разряда (рис. I) могут быть достигнуты высокие іначення В при умеренных амплитудах питающих высоковольтных импульсов.
При воздействии на систему электродов скользящего разряда высоковольтного импульса напряжения с амплитудой 10-10 В и скоростью нарастания "ji-IO1 В/с в разрядном промежутке складываются условия, характерные для наносекундного пробоя оильно перенапряженных искровых промежутков. Напряженность электрического поля в промежутка может усиливаться до 10* раз на микронеровностях поверхности диэлектрика и электродов. При этом время раввй-тия разряда становится соизмеримым с временем протекания элемент тарных процессов в плазме, что приводит к отклонению от таунсен-довского и стрнмерного механизмов и отсутствию канала разряда даже при протекании больших токов порядка 10 А.
В таких жестких режимах ток лидервой или иначе называвши незавершенней стадия может превышать ток последующего завершенного скользящего разряда, замыкавшего разрядный промежуток, а ее излучение содержит интенсивную коротковолновую компоненту, простирающуюся вплоть до области мягкогс рентгена. Это излучение создает свободные фотоэлектроны на расстояниях, значительно превышающих критические, разсеры первичных лавин, что обуславливает диффузную или многоканальную форму разряда (рис 2Ь При жипуль« сном напряженаг 50-200 кВ были получены плазменннв поверхности протяженностью до 200 см, яркостная температура которых может достигать 6-Ю4 К [б] .
Спектральные свойства скользящего разряда [б] дают основания утверждать, что он может найти Широкое применение в качестве открытого источника жесткого ультрафиолетового излучения, который в области 120-170 нм по удельным характеристикам превосходит традиционные искровые на порядок, а с учетом геометрического фактора ь 1000 раз \?} .
Целью диссертационной работы являлось исследование возможности применения плазменных образований на основе скользящего по поверхности диэлектрика разряда для эффективной предиониза-ции и в качестве электродов в импульсных электроразрядных С02-лазерах.
В диссертации решена задача создания достаточно простых мощных импульсных С02-лазеров как с несамостоятельным, так и с самостоятельным разрядом, позволяющих получать лазерное излучение в широком диапазоне энергий и длительностей импульса и по удельным параметрам близких к ^-лазерам с предионизацией электронным пучком, а по простоте конструкции к СХ^-лазерам с УФ предионизацией.
? В диссертации получены следующие наиболее существенные научные результаты:
-
Показано, что скользящий разряд по поверхности диэлектрика в качестве плазменного катода играет стабилизирующую роль при организации объемного сильноточного несамостоятельного разряда, определены особенности формирования несамостоятельного объемного разряда в азоте с плазменным электродом.
-
Создан электроразрядный С02~лазер с плазменным катодом, в котором впервые в электроразрядной схеме осуществлен режим несамостоятельного разряда с ионизационным размножением. При давлении 0,25 атм получены следующие результаты: энерговклад -
- до 340 Дж/л-атм, коэффициент усиления - 0,033 см , КПД -
15 %.
-
Впервые в электроразрядном (Х^-лазере получены импульсы излучения длительностью до 100 мкс и показана перспективность их использования в медицинской практике при обработке твердых биологических тканей.
-
Создан простой мощный импульсный С02-лазер атмосферного давления с плазменными электродами по удельным параметрам близкий к С02-лазерам с предионизацией электронным пучком. Основные параметры лазера: апертура 150 х 150 mr, объем 18 л, энерговклад более 200 Дж/л-атм, КПД - 15?, расходимость -
- 7-Ю"4 рад.
5. Экспериментально показано, что добавка пропилена (CgHg)
в рабочую среду мощного импульсного С02~лазера о плазменными
электродами в количестве 0,1-0,5 тор стабилизирует объемный раз
ряд за счет предотвращения образования в разряде кислорода и
окислов азота, при этом возможен режим работы лазера с модули
рованной добротностью (насыщение поглощения СзН^), что приводит
к укорочению лазерного импульса и получению гигаваттных мощнос
тей излучения.
Основная новизна и практическая ценность полученных в диссертации результатов заключается в том, что применение скользящего разряда по поверхности диэлектрика в качестве электродов позволило организовать сильноточные объемные несамостоятельный и самостоятельный разряды в С02-лаэерных смесях и создать достаточно простыв С02-лазеры способные заменить в практических применениях С02-лазеры с. предионизацией члектронным пучком..
Результаты работы могут быть использованы:
1. При создании импульсно-периодических (Х^-лазеров о дли
тельностью импульса до 100 икс, с целью применения их в медици
не (в чаотности для обработки твердых биотканей), для отжига по
лупроводников, в лазерной химии.
2. При -создании простых мощных импульсных С02-лазеров с
; анергией в импульса до I килоджоуля и гигаваттной мощностью.
Апробация результатов: Основные, результаты диссертационной работы опубликованы в работали, 13, 66-58, 60, 61, 66, 67, 69, 84, 102, 103, 108--III), а также докладывались на семинарах отдела Колебаний ИОФ РАН, в Институте электрофизики Уральского отделения РАН,4 г.Свердловск, в.Центре прогрессивных технологий, Индор, Индия, были представлены на ІУ Всесоюзной конференции "Оптика лазеров',' Ленинград, 1984.г., ІУ Всесоюзной конференции по физике газового разряда, Махачкала, 1988 г., У Всесоюзной конференции по физшсе газового разряда, 1990 г., Международной конференции по голографии и оптической записи информации, Варна, Болгария, 1988 г., . 3 Hatlo»al conference "lasers and their application, Plovdiv, Bulgaria, 1988,. 4 and 5 International, school on quantum electro-nlce, Sunny Beach, Bulgaria, 1986, 1988, 16 International conference on Phenomena la Ionized Gases, Dusseldorf, 1983,
Структура и объемы работы:
Диссертационная работа состоит из введения, четырах глав, заключения я списка цитируемой литературы, содержащей III наименований. Общий объем диссертации 140 страниц, включая 35 ри-оунков и одну таблицу. В конце каждой главы кратко сформулированы основные результаты, изложенные в ней.
