Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 17
1.1. С02 лазеры на изотопически модифицированных молекулах углекислого газа 17
1.2. N20 лазеры 23
1.3. Перестраиваемые СО лазеры 28
1.4. Применения частотно селективных ИК лазеров 33
Глава 2. Экспериментальные установки, системы контроля и измерения лазерных параметров 37
2.1. Экспериментальные установки 37
2.2. Система контроля параметров накачки 42
2.3. Система контроля параметров лазерного излучения 42
Глава 3. Электроионизационные импульсные лазеры на изотопах СОг 44
3.1. Введение 44
3.2. Схемы экспериментов 46
3.3. Режим свободной генерации 49
3.3.1. СОд лазер на природном углекислом газе 49
3.3.2. С02 лазер на смеси, обогащенной изотопом 180 50
3.3.3. С02 лазер на смеси, обогащенной изотопом 13С 56
3.4. Частотно-селективный режим 59
3.5. Поглощение излучения 12С1б02-, 12С,802- и 13С1602 лазеров атмосферными парами воды 62
3.5.1. Введение 62
3.5.2. Методика измерений 62
3.5.3. Поглощение излучения С02 лазеров парами воды 63
3.6. Выводы 69
Глава 4. Электроионизационный импульсный N2O лазер 72
4.1. Введение 72
4.2. Схемы экспериментов 73
4.3. Режим свободной генерации импульсного ЭИ N20 лазера 75
4.3.1. Оптимизация состава лазерной смеси 75
4.3.2. Влияние начальной температуры смеси на энергосъем и КПД неселективного импульсного ЭИ N20 лазера 80
4.3.3. Форма импульса излучения и спектр свободной генерации ЭИ1Ч20 лазера 82
4.4. Коэффициент усиления в активной среде импульсного ЭИ N2O лазера 84
4.4.1. Расчетная модель 84
4.4.2. Пиковые значения КУ 85
4.4.3. Временная динамика КУ 88
4.5. Частотно-селективный режим генерации импульсного ЭИ N2O лазера 90
4.6. Выводы 91
Глава 5. Частотно селективный ЭИ СО лазер с модуляцией добротности резонатора 94
5.1. Введение 94
5.2. Схемы экспериментов 95
5.3. Одночастотный режим работы ЧС ЭИ СО лазера с МДР 99
5.3.1. Радиационное заселение и расселение лазерных уровней 104
5.3.2. Режим генерации серии импульсов 108
5.4. Частотно селективный ЭИ СО лазер с МДР, работающий на высоко расположенных колебательно-вращательных переходах, и взаимодействие его излучения с полимерными материалами 110
5.4.1. Постановка задачи 110
5.4.2. Концентрация энергии излучения частотно селективного ЭЙ СО лазера с МДР в заданных интервалах длин волн 113
5.4.3. Взаимодействие излучения ЧС ЭИ СО лазера с МДР с полимерными материалами 121
5.5. Поглощение излучения СО лазера атмосферными парами воды 132
5.6. Выводы 135
Заключение 139
Список литературы 142
- Перестраиваемые СО лазеры
- Система контроля параметров накачки
- Частотно-селективный режим
- Режим свободной генерации импульсного ЭИ N20 лазера
Введение к работе
Одним из важных направлений развития квантовой электроники является поиск и изучение физических принципов и механизмов, позволяющих управлять спектральными, временными и энергетическими характеристиками различных лазеров. Необходимость исследований в этом направлении диктуется обилием фундаментальных и прикладных задач, решение которых напрямую связано с широтой диапазонов возможного выбора лазерных параметров. Практически на всем спектральном интервале от УФ до дальнего ИК диапазонов к таким актуальным задачам, в частности, относятся: лазерная спектроскопия; лазерное разделение изотопов; лазерное зондирование неравновесных сред и определение констант различных протекающих в них кинетических процессов; лазерное селективное инициирование и стимулирование химических реакций; лазерная локация, связь и зондирование атмосферы; селективное силовое воздействие на различные поглощающие вещества и материалы и т.д.
Спектральный интервал А,~5-11 мкм выделен в этом смысле особо, благодаря существованию лазеров на колебательно-вращательных переходах основных полос молекул СО (V4.8-8.0 мкм) [1] и СОг (Х~9-\ 1 мкм) [2]. Самые мощные и эффективные - СО и СО2 лазеры высокого давления (в особенности с электроионизационным (ЭИ) возбуждением активной среды [3]) - обладают высокими удельными энергетическими характеристиками и широкими спектрами генерации. Для СО и СОг лазеров детально проработаны теоретические модели и методы численных расчетов их параметров [4-7], экспериментально исследованы различные режимы лазерной генерации: от непрерывного, с мощностью, достигающей десятков [8, 9] и сотен [10, 11] киловатт, до импульсного, с длительностью импульсов в микросекундном [12, 13], наносекундном [14, 15] и пикосекундном [16] диапазонах. Несмотря на это, интерес к дальнейшим исследованиям как собственно лазеров, так и их применений нисколько не ослабевает, и вплоть до настоящего времени ежегодное количество научных публикаций, так или иначе связанных с СО и СОг лазерами, исчисляется сотнями.
Поле возможных применений мощных ЭИ СО и СОг лазеров в качестве исследовательских или технологических инструментов с рабочей длиной волны в диапазоне -5-І 1 мкм очень широко. Однако, типичные лазерные параметры часто не соответствуют требованиям, которые возникают при попытках использования потенциальных преимуществ ЭИ СО и СО2 лазеров (широкие спектры генерации, высокие энергетические характеристики) в различных областях науки, техники и технологии. Дело в том, что в каждом случае для решения конкретной поставленной задачи необходим свой набор характеристик лазерного излучения (спектральный состав, временной и пространственный профиль интенсивности, плотность мощности (энергии) излучения и т.д.), соответствующий рассматриваемому физическому или технологическому процессу. В силу особенностей механизмов создания инверсной населенности в активной среде, релаксации колебательной энергии и лазерной генерации, настройка СО и СОг лазеров на такой набор выходных параметров, как правило, приводит к существенному (в некоторых случаях на порядок и более) снижению удельных выходных характеристик и эффективности генерации [17-20]. Особенно сильно это проявляется там, где от лазера требуются строго фиксированные значения длин волн и длительностей генерации в импульсном режиме.
В связи с этим, несомненна актуальность проведенных в настоящей диссертации исследований физических принципов и механизмов, позволяющих реализовать максимально гибко перестраиваемый молекулярный лазер (или лазеры) среднего ИК диапазона (А,~5-11 мкм), обладающий следующими свойствами: точные значения новых рабочих длин волн не перекрываются с длинами волн обычных СО и СОг лазеров, а дополняют и расширяют существующий их набор; частоты генерации лазера охватывают спектральные диапазоны, ширина которых должны быть по крайней мере не уже, чем в СО и СОз лазерах; наряду с частотной перестройкой имеется возможность перестройки по длительности импульса генерации; при необходимости, перестройка частотных и временных параметров лазера должна осуществляться независимо; выходные энергетические характеристики лазера максимально приближены к значениям, характерным для СО и С02 лазеров, работающих в оптимальных режимах, и рассматриваемым как своеобразные точки отсчета в своих спектральных интервалах.
Указанные свойства лазера должны также, по возможности, рассматриваться не сами по себе, а в контексте решения конкретных фундаментальных или прикладных задач.
В спектральном диапазоне 9-11 мкм за точку отсчета можно принять импульсный (Твозб~15-20 мкс) ЭИ С02 лазер высокого (~1 атм) давления на переходе ГР(20) первой полосы секвенции 001->100 (А,~10.6 мкм) [21]. КПД этого лазера составлял ~20 % при удельном энергосъеме ~40 Дж/л-атм и длительности импульса
Генерации Тген~30 МКС (ТВозб, XreH ~ Три,).
Изменение набора генерирующих частот в С02 лазере может быть достигнуто путем получения генерации на нетрадиционных переходах молекулы С02, к которым относятся высшие полосы секвенции (переходы типа 00п-»10(п-1) и 00п-»02(п-1)1,11 для п=2, 3, ...), "горячие" полосы (переходы типа Оі'п-ЯІ^п-І) для п=1, 2, ...) и ряд других комбинационных переходов (типа 001-Я 10, 011—>030, 101-»200, 100-^010, 020-»010 и др.) [20, 22, 23]. Длины волн генерации таких лазеров в большинстве своем находятся в спектральном интервале 9-11 мкм, однако их выходные энергетические характеристики (КПД и удельный энергосьем) существенно снижаются по сравнению с выбранной выше точкой отсчета для сопоставимых начальных условий.
Другим способом решения этой задачи является поиск новых лазерных активных сред на основе молекул, имеющих сходные с С02 структуры энергетических уровней или обладающих такими особенностями формирования инверсной населенности, которые позволяют осуществить генерацию в спектральном диапазоне 9-11 мкм.
К таким активным средам можно отнести газовые смеси, содержащие различные изотопические модификации молекулы С02 (13С1602, 12С1802, 12С160180) [24-26]. Структура колебательных уровней этих молекул и кинетика преобразования энергии в смесях их содержащих за некоторыми исключениями аналогичны параметрам и процессам, характерным для молекул природного углекислого газа 12С1602. Длины волн генерации таких лазеров находятся в интервале 9-11.5 мкм [27] и за счет небольшого различия в величинах вращательного и колебательного квантов практически не пересекаются с частотами генерации обычного С02 лазера (имеют место лишь единичные случайные совпадения). Кроме того, молекула 12С160180 несимметрична и имеет вдвое большее количество разрешенных рабочих лазерных переходов [28] (для симметричных молекул разрешены только колебательно-вращательные переходы с четными значениями вращательного квантового числа в конечном состоянии).
Газовая смесь, содержащая N20 (закись азота), - еще одна активная среда, позволяющая реализовать лазерную генерацию в спектральном диапазоне 10.3-
11.1 мкм [29]. Однако выходные характеристики как непрерывных газоразрядных [30], так и импульсных (TEA) N2O лазеров [31] в несколько (4-6) раз уступали аналогичным СОг лазерам. Попытка использования импульсного ЭИ разряда для накачки N2O-содержащей активной среды [32] также не привела к созданию мощного и эффективного N20 лазера (КПД составил лишь ~0.3 %).
В спектральном диапазоне А,~5-6мкм самыми высокими выходными характеристиками обладает лазер на окиси углерода. Здесь за точку отсчета можно принять импульсный ЭИ СО лазер [33], работающий при удельном энергосъеме до 210 Дж/л-Амага (Амага - относительная единица измерения концентрации N частиц газа, равная N/No, где No - концентрация частиц при нормальных условиях, или, другими словами, плотность газа выраженная в единицах Амага равна количеству молей газа в объеме 22.4 л) и КПД до -35 %. Существуют единичные публикации, где приводятся более высокие значения достигнутого в СО лазере КПД: 47 % [34] и даже 63 % [35]. Экспериментальное воспроизведение этих данных, однако, в публикациях других авторов не встречается, что не дает оснований рассматривать в качестве точки отсчета именно их.)
СО лазер обладает максимальными выходными характеристиками только в случае свободной многочастотной (30-40 линий) генерации либо в непрерывном режиме [36], либо в импульсном [33] (импульсно-периодическом [37]) режиме с длительностью импульса генерации в несколько сотен микросекунд. Использование режима модуляции добротности резонатора (МДР) для получения мощных коротких импульсов излучения в СО лазерах с тген. ~Ю"6 с « Tlw, Ткфр~Ю"5-И0"3 с (T'w -характерные времена передачи колебательной энергии с нижних уровней молекулы СО на верхние и с возбужденных молекул N2 на СО, Ткфр - время существования неравновесной колебательной функции распределения) приводит к значительному уменьшению КПД лазера (до ~1-5 % для неселективного режима МДР [12]). Аналогичное снижение КПД (до ~1.0-2.5 %) наблюдается при переходе к режиму частотно селективной (ЧС) свободной генерации СО лазера на одном колебательно-вращательном переходе [17].
К началу исследований, результаты которых представлены в настоящей диссертации, большинство экспериментов с лазерами на изотопических модификациях молекулы СОг проводилось либо на непрерывных лазерах низкого давления [38], либо на импульсных системах с длительностью возбуждения (тВОзб.~1 мкс) короче времени релаксации хрел [39], то есть в существенно нестационарном режиме. Однако, несмотря на то, что импульсные ЭИ СОг лазеры с длительностью возбуждения в несколько десятков микросекунд обладают наиболее высокими энергетическими характеристиками [21], исследований СОг лазеров на изотопических модификациях молекулы углекислого газа и сравнения их параметров с параметрами лазеров на природном СОг в таких условиях возбуждения не проводилось. Невысокие выходные характеристики электроразрядных N2O лазеров, полученные ранее [40-43], ограничивали интерес к этим лазерам, несмотря на их большие потенциальные возможности по перестройке частоты генерации в спектральном диапазоне 10-11 мкм. Не было, также, однозначного понимания причин, вызывающих столь низкую эффективность электроразрядных N2O лазеров (не более 2-3 %), хотя процессы формирования инверсной населенности в них аналогичны процессам, имеющим место в СОг лазерах, при том, что эффективности газодинамических СОг и N2O лазеров в сопоставимых условиях были весьма близки [43]. Имелось также небольшое количество работ, в которых предпринимались попытки получить короткие (хГен~Ю^-10"5 с) импульсы излучения СО лазера с одновременной частотной селекцией (см., например, [44]). Однако ни о высоких значениях КПД или выходной энергии, ни о влиянии на них различных процессов в сложной многоуровневой активной среде СО лазера в этих работах не сообщалось.
Кроме того, нерешенными оставались некоторые проблемы, возникающие при попытках практического использования потенциальных возможностей ИК лазеров: в исследования транспортировки мощного излучения СО-, СОг лазеров и лазеров на изотопических модификациях молекулы углекислого газа на большие расстояния в реальной атмосфере приводили к существенно различающимся значениям рассчитанных и измеренных разными авторами значениям коэффициентов поглощения [45-49]; полностью отсутствовала информация о работе СО лазера с МДР в частотно селективном режиме на уровне выходной энергии лазерного излучения выше 10"3-10"2 Дж, а тем более с энергией, достаточной для использования такого СО лазера в качестве исследовательского или технологического инструмента воздействия на селективно поглощающие вещества или материалы.
Цель диссертационной работы заключалась в том, чтобы: экспериментально изучить особенности генерации ЭИ лазера, действующего в режиме "длинных" импульсов (івозб, Тген ~ трел)> активной средой которого ЯВЛЯЮТСЯ изотопозамещенные молекулы СОг; максимально расширить спектральный диапазон генерации импульсного ЭИ N2O лазера, определить и минимизировать физические факторы, ограничивающие удельный энерговклад в активную среду лазера и его КПД, исследовать влияние состава, плотности и температуры его активной среды и условий накачки на временные, спектральные и энергетические характеристики лазера; реализовать режим генерации коротких Ow-lO*6 с), с регулируемой длительностью, импульсов в ЭИ СО лазере с одновременной частотной селекцией, исследовать влияние каскадных процессов радиационного заселения/расселения рабочих лазерных и соседних с ними уровней (путем включения генерации на соответствующих переходах без вывода излучения из резонатора) и процессов колебательно-колебательного (W) обмена на выходные характеристики такого лазера; с помощью исследованных лазеров решить следующие прикладные задачи: с использованием оптико-акустической методики измерить коэффициенты поглощения излучения СО лазеров и лазеров на различных изотопических модификациях молекулы СОг атмосферными парами воды и проанализировать причины расхождения в аналогичных данных разных авторов; исследовать спектрально селективные режимы взаимодействия излучения СО лазера с диэлектрическими материалами.
Все эти исследования по перестройке и управлению спектральными и/или временными характеристиками ИК лазеров на колебательно-вращательных переходах молекул СОг (включая их изотопические модификации), N2O и СО с одновременным поддержанием их выходных характеристик на достаточно высоком уровне, задаваемом как выбранными выше точками отсчета, так и конкретными задачами по применениям этих лазеров, проводились на единой экспериментальной базе (две идентичные по конструкции импульсные ЭИ лазерные установки, созданные при непосредственном участии автора в лаборатории Газовых Лазеров Отделения Квантовой Радиофизики Физического института им. П.Н.Лебедева Российской Академии наук), в аналогичных условиях импульсной накачки.
В результате проведенных исследований в рамках диссертации были решены следующие задачи.
Экспериментально исследованы особенности формирования спектральных, временных и энергетических характеристик селективного и неселективного по частоте ЭИ СОг лазера, действующего в режиме "длинных" импульсов (тВОзб.,Тгеи~ 30ч-40 мкс ~ Трел), в активной среде которого молекулы природного углекислого газа заменены ее изотопическими модификациями.
Экспериментально существенно (более чем на порядок) улучшены выходные энергетические характеристики импульсного ЭИ N2O лазера по сравнению с имевшимися перед началом работ литературными данными по электроразрядным N2O лазерам. Спектр генерации лазера в частотно селективном режиме максимально расширен и включал в себя -90 линий (переходы от Р(1) до Р(50) и от R(0) до R(47)) в диапазоне длин волн 10.2-J-11.2 мкм. Найдены условия, при которых N2O лазер приближается по своим параметрам к СОг лазерам и становится по отношению к ним дополнительным высокоэффективным инструментом в области длин волн 10-ь11 мкм.
Практически реализован режим одновременной и независимой частотной (?ь=4.8-ь6.5 мкм) и временной (^=1+10 мкс) внутрирезонаторной селекции излучения импульсного ЭИ СО лазера. Определено влияние параметров активной среды, условий накачки и радиационного заселения/расселения рабочих лазерных уровней на выходные энергетические характеристики такого лазера. В ЧС режиме работы ЭИ СО лазера с МДР и с импульсным возбуждением оценено время релаксации возмущенной функции распределения молекул СО по колебательным уровням, определяющее предельную частоту следования лазерных импульсов в импульсно периодическом режиме генерации с одновременной частотной селекцией.
Выполнены исследования по практическому применению мощных ИК лазеров: проведены измерения поглощения лазерного излучения атмосферными парами воды на частотах, соответствующих генерации ЭИ СО лазера, ЭИ лазеров на природном СОг и на его изотопических модификациях; перестраиваемый по длинам волн и по длительности импульса генерации ЭИ СО лазер использован в качестве технологического инструмента для лазерной силовой поверхностной обработки полимерных материалов. Показано, как формирование поверхностных микроструктур различного типа на полимерных волокнах влияет на физические свойства полимерных материалов на макро уровне.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
1. Экспериментально изучены энергетические, спектральные и временные характеристики импульсного ЭИ ССЬ лазера, действующего в режиме "длинных" импульсов (Твоаб., тген ~ 30+40 мкс - Хрел), в рабочей смеси которого молекулы углекислого газа заменены на их изотопические модификации. Показано, что такая замена позволяет изменять частоту генерации лазера без существенного изменения его энергетических характеристик как в режиме свободной генерации, так и в режиме частотной селекции. Продемонстрировано существенное различие в динамике формирования спектров свободной генерации СО2 лазеров на различных изотопических модификациях молекулы углекислого газа, которое обусловлено частотным перекрытие контуров линий колебательно-вращательных переходов различных колебательных полос изотопических молекул СОг.
2. Комплексное исследование зависимостей характеристик импульсного ЭИ N2O лазера от удельного энерговклада в активную среду, ее состава, давления и температуры показало, что добавление к ней окиси углерода в определенных пропорциях к азоту, гелию и закиси азота стабилизирует ЭИ разряд за счет компенсации уменьшения концентрации электронов в ЭИ разряде из-за диссоциативного прилипания (N2O + е —» N2 + О-) процессами ассоциативного отлипания электронов (0~ + СО -> СОг + е) и существенно увеличивает величину максимальной удельной энергии накачки активной среды. В свою очередь, это позволяет достигать величин коэффициентов усиления слабого сигнала, удельных энергосъемов и КПД генерации N20 лазера (~1 м"1, -40 Дж/л-атм и -10 %, соответственно), лишь незначительно уступающих соответствующим параметрам импульсных ЭИ СОг лазеров при аналогичных условиях ЭИ накачки активной среды. Достигнутые в экспериментах высокие значения коэффициентов усиления и возможность существенного превышения удельной энергии накачки над пороговой позволили реализовать режим частотно селективной генерации на более чем 90 лазерных линиях с максимальным удельным энергосъемом до 16 Дж/л-атм (переход Р(18)).
3. Экспериментально продемонстрировано, что для каждой заданной рабочей спектральной линии (или интервала) и требуемой длительности импульса генерации импульсного ЭИ СО лазера с МДР существует свой набор условий (состав, давление и температура лазерной смеси, длительность и мощность накачки, режим радиационного заселения и/или расселения колебательных уровней молекулы СО на переходах выше и ниже селектируемого), при которых реализуется максимально эффективная работа такого лазера. Показано, что сложная динамика формирования функции распределения молекул СО по колебательно-вращательным уровням, определяемая балансом процессов ЭИ накачки молекул СО и N2, W-обмена, VT-релаксации и каскадного механизма радиационного заселения уровней, при импульсном возбуждении чрезвычайно чувствительна к выбору этих условий. Поэтому, даже при работе ЭИ СО лазера с МДР на колебательно-вращательных переходах соседних колебательных полос, наборы экспериментальных условий, соответствующие максимальной эффективности генерации, могут существенно различаться. Анализ динамики работы ЭИ СО лазера в частотно селективном режиме генерации серии импульсов с многократной МДР показал, что восстановление инверсной населенности на рабочем лазерном переходе происходит за времена ~3-5 мкс, то есть более чем на порядок быстрее, чем в многочастотном режиме. Более быстрая релаксация локально возмущенной функции распределения молекул СО по колебательно-вращательным уровням (в области селектируемого лазерного перехода) по сравнению с медленным полным ее восстановлением после снятия инверсии на многих рабочих переходах в режиме неселективной модуляции добротности, дает возможность создания частотно селективного СО лазера, работающего в импульсно-периодическом режиме с частотой следования импульсов излучения более 100 кГц.
В настоящей диссертации автор защищает следующие положения.
Экспериментально исследованы характеристики импульсных ЭИ лазеров высокого (до 0.5 атм) давления, действующих в режиме "длинных" (хВшб., W~ 30-И0 мкс ~ трел) импульсов, на смесях, содержащих молекулы 12С1б02, 13С1602, 12С1802 и ПС160,80. Продемонстрировано существенное различие в динамике формирования спектров свободной генерации этих лазеров, обусловленное частотным перекрытием контуров линий колебательно-вращательных переходов различных колебательных полос.
Создан и исследован мощный и эффективный импульсный ЭИ N20 лазер с энергией генерации свыше 100 Дж при КПД -11 %. Реализован частотно-селективный режим лазерной генерации на переходах от R(47) до R(0) и от Р(1) до Р(50) (Х~10.25-ь11.20 мкм) с удельной энергией генерации в максимуме распределения по вращательным числам до 16.5 Дж/л-Амага. Полученные в экспериментах пиковые значения коэффициента усиления (-1 м"1 в максимуме распределения КУ по вращательным квантовым числам на линии ГР(20)) в 2-3 раза превышают все известные значения КУ (~0.2+0.5 м"1) для импульсных и непрерывных электроразрядных N2O лазеров. 3. Создан перестраиваемый частотно-селективный (А,~4.9+6.5 мкм) ЭИ СО лазер с модуляцией добротности резонатора, генерирующий короткие (тген~Н10 мкс) импульсы с энергией 0.1+0.5 Дж, достаточной для селективного силового воздействия на поглощающие вещества и материалы. С помощью специально разработанной оптической схемы изучено влияние процессов радиационного заселения и расселения уровней на переходах, расположенных выше и ниже селектируемого, на выходную энергию и КПД частотно селективного ЭИ СО лазера с МДР. Использование частотно селективного режима генерации серии импульсов позволило более чем но порядок увеличить предельную частоту следования импульсов по сравнению с неселективным режимом многократной модуляции добротности.
Практическая значимость работы заключается в том, что полученные результаты могут быть использованы для реализации различных режимов эффективной лазерной генерации в спектральном диапазоне от 4.9 до 11.5 мкм на лазерных установках с импульсным возбуждением активных газовых сред несамостоятельным электрическим разрядом. Так, например, полученные в настоящих исследованиях данных по ЭИ N2O лазеру стимулировали работы [50, 51], где была получена импульсная генерация в крупномасштабном (V-60 л) лазере на закиси азота с накачкой объемным самостоятельным разрядом с энергией излучения -465 Дж и КПД ~ б %.
В результате проведенных исследований были определены методы и особенности перестройки спектральных, временных и энергетических параметров лазерного ИК излучения в широких диапазонах в соответствии с требованиями, возникающими при решении различных как фундаментальных, так и сугубо прикладных задач. В частности, оптическая схема, разработанная автором настоящей диссертации для реализации различных режимов работы частотно селективного СО лазера с МДР [10а], была использована для исследований колебательной кинетики в многоуровневой активной среде ЭИ СО лазера с импульсным возбуждением путем селективного (на одном колебательно-вращательном переходе) возмущения функции распределения молекул СО по колебательным уровням коротким импульсом генерации с последующим ее просвечиванием вторым пробным импульсом, следующим за первым с регулируемой задержкой [5]. Сравнение этих экспериментальных данных с расчетными позволило существенным образом модифицировать теоретическую модель и уточнить константы элементарных процессов, происходящих в активной среде импульсного СО лазера [52]. Эта же схема ([Юа]) практически без изменений была применена для формирования импульсного излучения СО лазера с МДР в спектральной области Х~6 мкм, которое использовалось для частотно селективной обработки поверхности различных полимерных материалов [16а-20а, 22а, 23 а] (см. Главу 5).
Особо следует подчеркнуть тот факт, что переход от одного режима генерации к другому не требует существенной модификации лазерных установок и может быть осуществлен выбором соответствующих активных сред, оптических схем и начальных экспериментальных условий.
Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Во введении кратко описана постановка задачи исследований и обоснована их актуальность. Представлены цели диссертации и положения, выносимые автором на защиту.
В первой главе проводится краткий обзор экспериментальных и теоретических работ по теме диссертации. Анализируются результаты исследований характеристик лазеров различного типа на изотопических модификациях молекул С02. Приведены данные по исследованиям N20 лазеров, описаны основные проблемы, возникающие в этой области. Представлено современное состояние работ по частотной селекции и управлению временными параметрами излучения СО лазеров. Дан краткий обзор работ по практическому использованию импульсных ИК лазеров для решения различных прикладных задач.
Во второй главе подробно описаны универсальные импульсные ЭИ лазерные установки с активным объемом ~1 л и ~10л, на которых были выполнены все эксперименты. Приведены схемы и характеристики электронных, оптических, механических узлов, блоков и элементов, использованных при разработке экспериментальных схем и методик.
В третьей главе приведены результаты экспериментального исследования энергетических и спектрально-временных характеристик импульсных ЭИ лазеров на двойных (,2С1602+13С1б02) и тройных (12С1бО2+12С1б0180+12С18О2) смесях с различной концентрацией изотопозамещенных молекул. Эксперименты проводились с неселективным и селективным резонаторами в режиме "длинных" импульсов. Представлены результаты выполненных с помощью оптико-акустической методики экспериментальных исследований поглощения излучения ЭИ СОг (включая изотопы) лазеров атмосферными водяными парами.
В четвертой главе приведены результаты исследования импульсного ЭИ N2O лазера, итогом которых впервые стало возможным приближение его энергетических характеристик (полная энергия ~100 Дж, КПД~11 %) к соответствующим значениям для СОг лазеров аналогичного типа. Здесь же экспериментально и теоретически исследуется распределение коэффициента усиления слабого сигнала по линиям генерации N2O лазера и определяются энергетические возможности импульсного ЭИ N20 лазера, перестраиваемого по частоте.
В пятой главе приведены результаты исследования созданного ЧС ЭИ СО лазера с модуляцией добротности резонатора и с независимой перестройкой по длине волны (4.8+6.5 мкм) и по длительности импульса (1+10 мкс) генерации. При помощи "запирания" излучения в лазерном резонаторе (включение генерации без вывода излучения из резонатора) на отдельных линиях или участках спектра выше и/или ниже селектируемого перехода определено влияние каскадного радиационного заселения и расселения рабочих лазерных уровней на выходные характеристики ЧС ЭИ СО лазера с МДР. Перестраиваемый по частоте и длительности импульса генерации ЭИ СО лазер использован для силовой частотно селективной лазерной поверхностной обработки полимерных материалов. Анализируются данные по поглощению излучения ЭИ СО лазера атмосферными водяными парами и его влиянию на выходные характеристики лазера с небольшим воздушным столбом в резонаторе.
В заключении по материалам настоящей диссертации кратко сформулированы основные результаты работы.
Экспериментальные исследования проводились автором в 1986-2002 годах, основные результаты были опубликованы в работах [1а-24а], обсуждались на семинарах и доложены на следующих национальных и международных конференциях: X Всесоюзная школа-семинар по селективному воздействию лазерного излучения на вещество, Бакуриани, Грузия, 1986
ИХ Int. Symp. on Gas Flow and Chemical Lasers, Madrid, Spain, 1990 XIV Международная конференция по когерентной и нелинейной оптике, Ленинград, Россия, 1991 « V Int. Symp. on High Power Lasers and Laser Applications, Viena, Austria, 1994
Int. Conf. LASERS '95, Charleston, South Caroline, USA, 1995
III Int. School-seminar 4<Non equilibrium processes and their applications", Minsk, Belarus, 1996 Photonics West '96 OE/LASE *96 Gas and Chemical Lasers Conf, San Jose, USA, 1996 High Power Laser Conf., Besanson, France, 1996
Int. Conf. LASERS '96, Portland, OR, USA, 1996 XI Int. Symp. on Gas Flow and Chemical Laser and High Power Laser Conf, Edinburgh, UK, 1996
Лазеры на атомарных и молекулярных переходах, Томск, Россия, 1997
Int. Conf. on Lasers in Material Processing, Munich, Germany, 1997 Photonics West '97 Conf, San Jose, USA, 1997 High Power Laser Ablation Conf, Santa-Fe, NM, USA, 1998
Перестраиваемые СО лазеры
Для большинства практических применений мощных ИК лазеров и, в частности, импульсных ЭИ СО лазеров, необходимо формировать лазерные импульсы заданной длительности и определенного спектрального состава. Так например, для лазерного разделения изотопов, стимулирования химических реакций, лазерной тепловой поверхностной обработки селективно поглощающих материалов нужно лазерное излучение с длиной волны в интервале 5.0-6.5 мкм и длительностью импульса 10" -10"5с [66-68]. Выполнение этих двух требований (частотная селекция и управление длительностью импульса) по отдельности приводит в СО лазере к уменьшению эффективности генерации примерно на порядок (до 1-5 %) в каждом случае. Попытки получения коротких ( 1 мкс и меньше) импульсов излучения в СО лазере с одновременной частотной селекцией до начала настоящих исследований не привели к созданию СО лазера с выходной энергией выше 10 3 Дж. Тем более отсутствовала информация о реальном использовании таких СО лазеров в качестве технологических или научных инструментов. СО лазеры с частотной селекцией. В одной из первых теоретических работ [69], посвященных анализу работы непрерывного частотно селективного СО лазера низкого давления на одной или нескольких спектральных линиях, предсказывалась возможность получения КПД генерации на одной линии всего в 2 раза меньше, чем в режиме свободной генерации. На практике же, в реальных экспериментах как с непрерывными, так и с импульсными СО лазерами, это различие составляет порядок и более. Так в работе [17], в импульсном ЭИ СО лазере на смесях CO:N2=l:9 или CO:N2:He=l :9:10 с длительностью возбуждения -50 мкс и плотностью активной среды 0.5 Амага, максимальный КПД генерации в одночастотном режиме не превышал 3 %. В режиме свободной неселективной генерации КПД составлял 30 % в тех же экспериментальных условиях.
Средний удельный энергосъем -1-2 Дж/л-Амага и КПД 1 % по мнению авторов вполне можно обеспечить для частотно селективного СО лазера, работающего на большинстве линий, присутствующих в спектре его свободной генерации. Однако, при настройке лазерного селективного резонатора на линии, расположенные близко к краю этого спектрального диапазона, и удельный энергосъем и КПД СО лазера сильно (еще на порядок и более) падают. В [17] исследовался СО лазер, работающий на одной спектральной линии. В ряде случаев для конкретных применений спектральную селекцию в СО лазере надо проводить таким образом, чтобы спектр излучения состоял из нескольких определенных линий. Так, при транспортировке мощного ИК излучения через атмосферу желательно иметь в его спектре набор компонент, минимально поглощаемых атмосферными парами воды (НгО является одним из основных поглотителей в диапазоне длин волн генерации СО лазера). В работе [70] такая спектральная селекция была проведена с помощью использования воздушных и водяных ячеек, помещенных внутрь резонатора импульсного ЭИ СО лазера. Варьированием давления водяного пара и температуры в ячейке, уровня накачки активной среды и добротности резонатора здесь удавалось почти полностью подавить генерацию на линиях, обладающих наибольшим поглощением в НгО. Оставшиеся спектральные компоненты в сумме давали -30-40% КПД от значения, соответствующего режиму генерации СО лазера без спектральной селекции. В [70] использовалась "мягкая" селекция линий генерации СО лазера - таким способом на большинстве спектральных компонент происходит перераспределение энергий генерации и лишь на некоторых из них генерация полностью подавляется или возникает вновь благодаря конкуренции вращательных линий вблизи порогового коэффициента усиления. В работе [71] с помощью дифракционной решетки и набора зеркал в резонаторе была реализована схема "жесткой" селекции линий генерации импульсного ЭИ СО лазера. Каждое из семи зеркал могло быть настроено на любой колебательно-вращательный переход в семи колебательных полосах от 4-»3 до 10-»9. Максимальное значение КПД генерации такого частотно селективного СО лазера составило -6.5 % при удельном энергосъеме -50 Дж/л-Амага. В этой же работе исследовалась зависимость энергии излучения на выделенном колебательно-вращательном переходе от интенсивности радиационного заселения (расселения) его верхнего (нижнего) уровня, которая варьировалась включением-выключением генерации на переходах выше и ниже селектируемого. Было показано, что в рассмотренных режимах максимальное увеличение энергии генерации на выбранном лазерном переходе (примерно в 2 раза) достигается путем включения генерации на переходах выше селектируемого и подавления генерации на нижележащих переходах. СО лазеры с управляемой длительностью импульса Изменением длительности и мощности импульса накачки, давления, температуры и состава лазерной смеси можно в широких пределах изменять длительность импульса свободной генерации электроразрядных СО лазеров. Например, в работе [33] были экспериментально продемонстрированы режимы работы ЭИ СО лазера с длительностью импульса генерации от -10 мкс (длительность накачки -1 мкс, смесь CO:N2:He=l :9:10, плотность 0.5 Амага, Т=100К, КПД-15%) до -1200 мкс (длительность накачки -200 мкс, смесь CO:N2=l:250, плотность 0.5 Амага, Т=100К, КПД-10 %).
Переход в диапазон длительностей импульсов генерации 10"6 -10 5 с, в силу особенностей формирования инверсной населенности в многоуровневой активной среде СО лазера, связан только с использованием режима модуляции добротности резонатора (МДР) [72]. В отличие от СОг лазера, энергия возбуждения здесь не накапливается на одном рабочем уровне, а распределяется по обширному набору таких уровней, вследствие чего трудно получить значительное превышение КУ над пороговым значением. Расчеты [73] показали, что при очень быстром включении добротности в ЭИ СО лазере в определенных условиях возможна генерация коротких лазерных импульсов при МДР с относительно высоким КПД. В работе [12] режим МДР в импульсном ЭИ СО лазере был осуществлен при помощи быстрого вращения одного из зеркал лазерного резонатора. Были получены одиночные лазерные импульсы с минимальной длительностью -0.5 мкс (на полувысоте) и пиковой мощностью до 5 МВт (для сравнения, пиковая мощность в режиме свободной генерации, когда вращающееся зеркало было неподвижно и еъюстировано, составила -100 кВт). КПД такого лазера достигал 3-5 % при полной энергии генерации в несколько джоулей. Генерация короткого импульса в СО лазере с МДР не сопровождается быстрым переходом колебательной энергии в поступательную, как это имеет место в СОг лазере.
Система контроля параметров накачки
Интегральные по времени импульса энергетические параметры лазерного излучения в зависимости от рабочей апертуры измерялись термоэлектрическими калориметрами БКДМ, КДМ и ВЧД (погрешность измерения энергии -10%), изготовленными в ОКБ ФИАН, и калиброванными на различных длинах волн от 1 до 12 мкм, ИК калориметром Scientech-302 производства США с погрешностью измерения энергии 3 % или измерителем энергии и мощности лазерного излучения ИМО-2Н (погрешность измерения 2 %). Временные характеристики лазерного излучения в зависимости от требуемого разрешения фиксировались охлаждаемыми жидким азотом Се:Аи-фоторезисторами (разрешение 10"6 с) или полупроводниковыми скоростными ИК датчиками PEM-L-3 производства Vigo-System Ltd. (Польша) (разрешение 10"9с), подключенными к широкополосным скоростным запоминающим осциллографам С8-12, С8-14 или С8-17. Спектральные характеристики ИК лазерного излучения в области длин волн генерации СО лазера определялись с помощью спектрографов "СО Spectrum Analyzer" Model 16-C (диапазон длин волн 4.8-5.9 мкм) и Model 16-В (диапазон длин волн 5.3-6.4 мкм). В области длин волн генерации ССЬ и N2O лазеров (9-12 мкм) использовались те же спектрографы, так как их дифракционные решетки работают во втором дифракционном порядке на длинах волн 5-6 мкм и позволяют с некоторой потерей пороговой чувствительности проводить измерения на удвоенных длинах волн в первом дифракционном порядке. Различные комбинации спектральных, временных и энергетических компонентов измерительной системы позволяли фиксировать временные и энергетические характеристики ИК излучения как интегрально по спектру лазерного излучения, так и для отдельных спектральных компонент. Для оценки угловой расходимости лазерного излучения использовалась стандартная процедура (см., например, [95]) измерения профиля его интенсивности в дальней зоне.
С помощью фокусирующего зеркала и отражающего светоделительного клина излучение направлялось на термочувствительную бумагу. По диаметрам последовательно ослабленных клином отражений на термобумаге и известным коэффициентам отражения граней клина восстанавливался исходный профиль интенсивности в фокальной плоскости зеркала и, соответственно, расходимость лазерного излучения. Конкретные оптические схемы экспериментов, выполненных в рамках настоящей работы, существенно отличаются друг от друга и поэтому представлены в начале каждого соответствующего раздела. В настоящей главе диссертации приведены результаты экспериментальных исследований импульсного ЭИ СОг лазера, в активной среде которого молекулы природного углекислого газа С Ог частично заменены ее различными изотопическими модификациями (13С1602, 12С18Ог и 12С180160). Лазер работал в режимах свободной и частотно селективной (ЧС) генерации "длинных" (тВ03б, Тген =30+40 мкс Трел) импульсов излучения. Для ЧС лазеров на трех активных молекулах (12С1602, 13С160г и 12С180г) с помощью оптико-акустической методики проведены измерения коэффициентов поглощения лазерного излучения водяным паром в двухкомпонентной модельной атмосфере: [Н2О]=10 Top, [N2]=750 Тор. Технологические и физические особенности процессов обогащения природного углекислого газа ([ С 02] 98.9%) изотопическими модификациями атомов углерода 13С или кислорода 180, к сожалению, не позволяют получать степень обогащения (C02)i=[(C02)i]/2k[(C02)k], близкую к 100 % [96]. Неизбежно в обогащенном газе присутствуют различные примесные молекулы. Максимальное обогащение (13С160г)тах природного углекислого газа по изотопической модификации 13С1бОг составляло в экспериментах 80 % (рис. 8). При этом 16 % приходилось на долю молекул 12С160г и 4 % - на примесные молекулы 13С160170,12С1б0180 и 13с17о2. Обогащение природного СОг изотопом кислорода 180 вследствие обменных реакций приводило к перераспределению этих атомов между различными видами молекул СО2 и к установлению равновесных концентраций в тройной смеси [24]: [12С1602]:[12С160180]:[12С1802Н1-а0)2:2ао(1-ао):ао2 (5) 1 о где ао-"чистая" степень обогащения углекислого газа по атому О. Параметры максимально обогащенной по атому О газовой смеси, использовавшейся в экспериментах, соответствовали величине ссо=0.8 (рис. 9). При этом доля примесных молекул (12С,60,70, 12С170180, 13С1602, 13С1802) составляла -9%, а максимальное обогащение ,(12С1802)тах в соответствии со стехиометрической формулой (5) достигало -62% по молекуле 12С1802 и (12С160180)тах 34 % по молекуле 12С160180, соответственно. Рис. 8.
Масс-спектрограмма использовавшегося в экспериментах углекислого газа с максимальным обогащением по молекуле С1 Ог. Изотопный состав углекислого газа в рабочей лазерной смеси варьировался добавлением природного ССЬ к максимально обогащенным его изотопическими модификациями исходным смесям с последующим контролем на масс-спектрометре СН-8 фирмы Varian. Лазерные эксперименты проводились на установке с оптическим объемом 10 л и длиной активной области -1.2 м в условиях импульсного ЭИ возбуждения ( нак=40 мкс -Трел) как в режиме свободной генерации, так и в селективном по длине волны режиме. Давление активной среды менялось в интервале 0.25-0.5 атм., состав смеси Zj;k[ Ck02]:[N2]:[He] варьировался от 1:2:4 до 1:4:5. (;,к - означает сумму по всем имеющимся в смеси изотопическим модификациям молекулы СОг). Начальная температура Т лазерной смеси составляла -300 К, максимальный удельный энерговклад QBKjimax -350 Дж/л-атм. Энергия пучка быстрых электронов на входе в лазерную камеру была зафиксирована на уровне -160 кэВ при плотности тока -20 мА/см2. В режиме свободной генерации в лазере использовался устойчивый неселективный резонатор длиной L=2 м (рис. 10а), образованный "глухим" (Готр-100 %) медным зеркалом 1 с радиусом кривизны -10 м и полупрозрачным (г -ЗО % для Х=9-11 мкм) диэлектрическим выходным зеркалом 2 на плоскопараллельной подложке из NaCl. Угловая расходимость излучения в этом режиме определялась геометрией лазерного резонатора и во всех экспериментах была на уровне -(2+4)-10"3 рад. В частотно селективном режиме (рис. 106) непосредственно на лазерной камере устанавливались плоскопараллельные пластины 3 из NaCl, в качестве глухого селективного зеркала использовалась дифракционная решетка (ДР) 4 (100 штр/мм, угол блеска 23), а в качестве выходного зеркала использовалась плоскопараллельная пластина 5 из ZnSe с коэффициентом отражения -40% для А,=9-11мкм. Жестко связанное с ДР зеркало б позволяло производить привязку частоты настройки ДР, работавшей в автоколлимационном режиме, (с помощью вспомогательного HeNe лазера 7 и шкалы 8) к частотам лазерных переходов с точностью -0.5 см". В этом режиме, угловая расходимость лазерного излучения составляла -(3+5)-10 рад и соответствовала типичной расходимости плоского резонатора использованной длины.
Частотно-селективный режим
В частотно селективном режиме работы лазеров на изотопических модификациях молекулы СОг практический интерес представляли в большей степени лазерные смеси с максимальным обогащением по атомам С и О, поскольку именно они (исходя из предыдущих экспериментов по неселективной генерации) имели энергетические характеристики, наиболее близкие к параметрам, соответствующим обычному лазеру на природном углекислом газе. Для более наглядного сравнения (в одинаковых условиях накачки активной среды, геометрии и добротности лазерного резонатора) первая серия экспериментов по частотно селективной лазерной генерации была проведена на природном углекислом газе 12С160г. На рис.17 черным цветом представлены относительные распределения удельной энергии генерации частотно селективного С Ог лазера по отдельным выделенным колебательно-вращательным переходам от 1Р(16) до 1Р(24) при различных значениях удельного энерговклада QBKJI=150 (а), 230 (б) и 320 Дж/л.атм (в). Аналогичные распределения для лазеров на изотопозамещенных модификациях С Ог и С Ог молекулы углекислого газа показаны серым и белым цветами, соответственно. (За единицу во всех случаях принята удельная энергия генерации на линии 1Р(20) лазера на природном углекислом газе). Поскольку в условиях настоящих экспериментов лазерная генерация осуществлялась в режиме "длинных" (Тген Хнак Хрел) импульсов, определяющим фактором формирования инверсной населенности на рабочем (селектируемом) переходе (и, соответственно, основным процессом, определяющим выходную энергию лазера) является процесс установления баланса накачки и VT-релаксации с одновременным быстрым формированием квазиравновесного распределения населенностей по вращательным уровням (Хц 10 -10" с).
Если бы в активной среде не существовало частотного перекрытия колебательно-вращательных переходов из различных колебательных полос (в молекулах одного типа для лазеров на природном СОг и на 13С160г, и в молекулах разного изотопного состава - 12С160180 и 12С180г - для лазера на смеси, обогащенной по атомам 180), то распределения, представленные на Рис.17, имели бы гладкий колоколообразный вид и их максимум смещался бы в соответствии с увеличением энергии накачки (и, соответственно, температуры смеси) в сторону больших значений вращательного квантового числа J. Наличие такого частотного перекрытия, отмеченное еще при рассмотрении динамики спектров свободной генерации лазеров на изотопических модификациях молекулы СОг, приводит к перераспределению энергии генерации селективного лазера. При этом добавки к коэффициенту усиления (и к выходной энергии лазера) на выделенном переходе могут иметь как положительный, так и отрицательный характер, а их абсолютная величина может сильно зависеть от удельной энергии накачки. Наиболее сильно все вышеописанные эффекты проявляются в лазере на молекуле 12С180г (Рис.17, распределения белого цвета), где частотное перекрытие имеет место не только между переходами различных полос этой рабочей молекулы, но и между переходами рабочей молекулы и примесной молекулы 12С160180, неизбежно присутствующей в лазерной смеси в достаточно высокой концентрации. Как уже обсуждалось в обзоре литературы, водяной пар является одним из основных поглощающих компонентов реальной воздушной атмосферы в области длин волн Х-9-11 мкм, соответствующих спектрам генерации СОг лазеров на природном углекислом газе и его изотопических модификациях. Несмотря на то, что в литературе существует большое количество как экспериментальных, так и расчетных работ по определению коэффициентов поглощения лазерного излучения парами воды в области длин волн генерации многих
ИК лазеров [45-48], вопрос о количественных характеристиках этого поглощения остается дискуссионным, поскольку наблюдается существенное различие не только между теорией и экспериментом, но и между экспериментальными данными различных авторов, полученными в близких условиях. Поэтому представляется важным получение любой дополнительной информации о поглощении, в частности, излучения 12С160г, 13С160г и 12С180г лазеров атмосферными парами воды и выяснения возможных причин расхождения данных различных авторов. В качестве источника лазерного ИК излучения в экспериментах использовалась импульсная электроионизационная лазерная установка с активным объемом 1 л, работающая в частотно селективном режиме, аналогичном тому, характеристики которого приведены в п.3.4 Главы 3 настоящей диссертации. Измерения проводились в следующих спектральных диапазонах: -10.6 мкм (полоса 001- 100 12С1602 лазера), -11.1 мкм (полоса 001- 100 13С1602 лазера) и -9.3 мкм (полоса 001- 020 12С1802 лазера). Во всех случаях использовались одночастотные режимы импульсной свободной генерации. Селекция по длинам волн в каждом спектральном диапазоне
Режим свободной генерации импульсного ЭИ N20 лазера
На основе результатов исследований N20 лазеров, выполненных в [31, 32, 104, 5а], в качестве исходной точки для оптимизации была взята лазерная смесь N20:CO:N2 .He с отношением концентраций молекулярных и атомарньк компонент равным 1 ([Не]=50%). Общее давление смеси и длительность импульса ЭИ возбуждения в экспериментах равнялись 0.25 атм и 40 мкс (по уровню 0.1), соответственно. При фиксированной концентрации азота уменьшение парциального давления СО (и, соответственно, увеличение [N2O]) приводит, во-первых, к уменьшению доли энергии накачки, идущей на возбуждение колебательных степеней свободы молекул СО и передаваемой далее посредством W обмена на верхний лазерный молекул N20, и, во-вторых, к уменьшению общей удельной энергии накачки лазерной смеси из-за снижения концентрации электронов в разряде вследствие процессов диссоциативного прилипания N20+e-»N2+0 [63]. Повышение же парциального давления СО ведет к убыванию концентрации активных частиц - молекул N20. Из этого следует вывод, что при фиксированном суммарном давлении N2O и СО в смеси должно существовать оптимальное (с точки зрения максимизации выходных удельных характеристик лазера) соотношение между концентрациями N2O и СО. Результаты экспериментальной вариации соотношения концентраций N2O и СО (рМг]=0) для различных значений параметра Е/Р приведены на рис.23. Оптимальные по удельной энергии генерации соотношения концентраций N20 и СО для различных значений приведенной напряженности электрического поля Е/Р в электрическом разряде оставались примерно одинаковыми (от -1:5 для E/N=10 кВ/см-атм до 1 : 7 для Е/№=6 кВ/см-атм). При этом, с уменьшением величины Е/Р максимальная удельная энергия генерации уменьшалась из-за уменьшения полного удельного энерговклада в активную среду (см. рис.23). Для EfP-9-Ю кВ/см-атм оптимальное соотношение получилось рЧгО]:[СО]=5:33. Использование азота в качестве резервуара колебательной энергии для работы N2O лазера (замена части молекул СО на N2 в оптимизированной по соотношению [CO]/[N20] лазерной смеси) только ухудшало выходные энергетические характеристики лазера (рис.24). Объясняется это тем, что при уменьшении относительной концентрации СО из-за процессов диссоциативного прилипания к молекулам N2O убывает концентрация свободных электронов в разряде, а это, в свою очередь, приводит к уменьшению удельного энерговклада и энергии генерации.
При замене СО на N2 КПД лазера также не возрастает. То есть, использование СО в активных смесях N2O лазера оказывается предпочтительным, по сравнению с N2, поскольку наряду с функцией резервуара колебательной энергии (в этом плане обе молекулы примерно одинаковы) молекула СО обладает решающим для эффективной работы N2O лазера свойством - ее присутствие обеспечивает компенсацию процессов диссоциативного прилипания электронов в разряде процессами ассоциативного отлипания. В смеси, не содержащей гелия, удельная энергия генерации не превышала 10 Дж/л-атм. При повышении концентрации гелия от 0 до 30% удельная энергия генерации возрастала в 2-3 раза (рис.25), что было обусловлено увеличением инверсной населенности за счет повышения скорости релаксации нижнего лазерного уровня. При увеличении концентрации гелия от 30 % до 50 % рост удельной энергии генерации замедляется (например, для Е/Р=8 кВ/см-атм этот рост составляет всего 10 %). Для больших концентраций Не ( 50 %) зависимости удельной энергии генерации от его относительной концентрации выходят на насыщение при всех исследованных значениях параметра E/N (6-10 кВ/см-атм). Кроме того, смеси с таким большим содержанием Не обладают малой электрической прочностью и в конце импульса несамостоятельного ЭИ разряда (или непосредственно после него) в таких смесях развивается электрический пробой. Это делает разряд неустойчивым, не дает возможности работать при высоких значениях параметра Е/Р и, соответственно, не позволяет эффективно вкладывать энергию в рабочую смесь. Исходя из данных результатов оптимальное значение концентрации гелия в вышеприведенных условиях составляет 30 %.
Для каждогр фиксированного значения параметра Е/Р величина удельного энерговклада практически не зависела от концентрации гелия, поскольку вся энергия накачки расходовалась на колебательное возбуждение молекулярных компонент смеси. Поэтому зависимости КПД генерации от [Не] повторяли кривые рис.25 для соответствующих Е/Р. Наибольшее значение КПД составило 9 % для Е/Р=8 кВ/сматм (удельный энерговклад 200 Дж/л-атм). Наивысшее значение удельного энергосъема составило 30 Дж/л-атм при Е/Р=10 кВ/сматм (Р=0.25 атм). При замещении незначительной (до 6 %) части гелия ксеноном в оптимальной смеси N20:CO:He=5:33:17 наблюдалось небольшое увеличение удельной энергии генерации N20 лазера (рис.26). Добавление же в оптимизированную лазерную смесь ЭИ N2O лазера N20:CO:He=5:33:17 аргона (вместо гелия) (рис.27) не дает выигрыша ни по удельной энергии генерации, ни по КПД лазера (в отличие от СОг лазера, где добавление Аг или Хе в активную среду позволяет значительно увеличить мощность накачки и генерации при неизменной плотности тока электронного пучка [106] за счет увеличения молекулярного веса лазерной смеси и соответствующего увеличения эффективности использования электронного пучка - увеличения числа образующихся электрон-ионных пар на единице длины свободного пробега быстрых электронов). Во всех остальных случаях частичной или полной замены Не в оптимизированной смеси на Аг или Хе удельные энергетические характеристики N2O лазера существенно ухудшались (см. рис.26 и 27). По-видимому, в случае N20 лазера повышение эффективности накачки при добавлении тяжелых компонент (Аг, Хе) к смеси с избытком компенсируется понижением скорости релаксации нижнего лазерного уровня вследствие уменьшения относительной концентрации гелия.
