Введение к работе
Актуальность теш. Лазеры на парах металлов, работающие на переходах с резонансного на метастабильный уровни, составляют в настоящее время один из важных классов газовых лазеров. Основная особенность таких лазеров - возможность генерации излучения от УФ до ИК области спектра при высоком КПД, недостижимом для лазеров на основе благородных газов. Одним из наиболее эффективных в этом классе лазеров является лазер на парах меди (ЛПМ) генерирующий на самоограниченных переходах излучение с длинами волн 510,6 нм и 578,2 нм. Наибольшее количество работ посвящено исследованию именно ЛПМ, полагал, что существенное улучшение энергетических характеристик ЛПМ позволит улучшить их и для лазеров на других активных средах.
Генерация на самоограниченных переходах атома меди впервые была получена в 1966 году [1], однако бурное развитие этих лазеров началось с 1972 года, когда был предложен саморазогревной режим работы ЛПМ С2]. Высокие прогнозируемые энергетические характеристики плюс простой способ получения паров рабочего вещества при одновременном их возбуждении дали мощный импульс дальнейшего развития ЛПМ.
Высокие значения средней мощности генерации (>200 Вт), частоты следования импульсов генерации (>230 кГц)', КПД (1-ЗХ), коэффициентов усиления (>100 ДО/м), достигнутые к настоящему времени, привели к широкому применению ЛПМ в различных областях науки и техники. Одно из самых масштабных применений ЛПМ нашли в лазерной программе разделения изотопов в атомарных парах, осуществляемой в Ливерморской Национальной Лаборатории в США. ЛПМ - единственный среди лазеров используется в качестве проекционного микроскопа с усилением яркости изображения. Проекционные микроскопы нашли широкое применение в микротехнологиях и устройствах для внутререзона-торной проекционной обработки объектов. Кроме этого, ЛПМ широко применяются в зондировании атмосферы, навигационных устройсгвах, медицине, криминалистике и т.д. Широкая область применений определяет интерес в исследовании ЛПМ как с большим рабочим объемом о целью повышения средней мощности генерации, так и о малым рабочим объемом с целью повышения их эффективности и расширения функциональных возможностей.
Несмотря на существенный прогресс в развитии за последнее десятилетие ЛПМ, а также большое количество работ посвященных исследованию оптимальных режимов работы саморазогревных ЛПМ и процессов, ограничивающих энергетические характеристики лазера, не выработано общего подхода к оценке оптимальных условий создания инверсной населенности. Повышение практической значимости этого класса лазеров делает актуальным уточнение общего подхода к оптимизации условий возбуждения ЛПМ, улучшение эксплуатационных характеристик (повышение срока службы, уменьшение весо-габаритных параметров лазера), а также расширение функциональных возможностей ла-аера (ускоренный выход на рабочий режим, наличие дежурного режима, стабилизация теплового режима работы ЛПМ, управление энергетическими характеристиками генерации). Решение этих задач является актуальным и имеет важное научное и прикладное значение, поскольку улучшает энергетические и эксплуатационные характеристики лазера в целом.
В связи с этю.! целью настоящей работы является исследование и оптимизация энергетических характеристик активной среди лазера на парах меди.
Ее конкретная реализация заключается в решении следующих принципиальных задач:
-
Исследование критериев повышения эффективности работы ЛПК!.
-
Исследование физических процессов в плазме позволяющих управлять выходными параметрами лазерного излучения (частота следо-дования импульсов генерации, энергия импульса генерации) без нарушения теплового режима работы ЛПМ
-
На основании проведенных исследований - создание малогабаритных образцов ЛПМ для широкого круга применений.
Научная новизна работы определяется тем, что в ней впервые:
-
Установлены критерии достижения высокого КПД ЛПМ. Поклзано. что для эффективной накачки рабочих переходов активной среды необходимо формировать импульс возбуждения с крутіаї фронтом напряжения на ГРТ, длительность которого обрывается в момент окончания шпульса генерации при соблюдении условия апериодического характера развития тока за время действия іатульса возбуждения. При таких условиях возбуждения' экспериментально получен КПД ЛПМ относительно экер-говклада в ГРТ 3%.
-
Предложены способы сохранения теплового режима работы ЛПМ неаа-
висимо от параметров импульса возбуждения активной среды как для сачоразогревных газоразрядных трубок (ГРТ). так и со встроенным омическим нагревателем подключенным к электродам ГРТ.
-
Разработаны методы 100Х управления энергетическими характеристиками генерации ЛПМ без нарушения теплового режима работы лазера.
-
Новизна разработанных способов и методов подтверждается полученными авторскими свидетельствами и патентами.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
- разработанные способы и методы, а также выработанные в процессе
исследований критерии оптимальных условий возбуждения ЛПМ позво
ляют разрабатывать новые высокоэффективные лазеры на перах меди о
высокими эксплуатационными характеристиками.
На основе разработанных способов и методов созданы:
серия малогабаритных лазеров на парах меди со встроенным нагревателем в ГРТ "Милан-М", работающих в широком диапазоне частот следования импульсов генерации со стабилизацией теплового режима работы и возможностью работы лазера в дежурном режиме.
лазер на парах меди "Малахит" со 100Z глубиной управления выходными характеристиками лазерного излучения.
лазер на парах меди "Милан-5/01" со стабилизацией выходных характеристик лазерного излучения. Лазер "Милан-Б/01" передан по контракту на лицензионной основе в Болгарию для серийного производства.
Вышеперечисленные лазеры неоднократно демонстрировались на Всесоюзных, Российских и международных выставках. Лазер "Милан-М" награжден золотой медалью ВДНХ СССР.
На защиту выносятся следующие положения и результаты:
-
Одним из критериев эффективной накачки активной среды лазера на парах меди является условие апериодического характера развития разряда до окончания импульса генерации (т.е. когда R > 2(L/C)1/2, где R - активное сопротивление плазмы, L - индуктивность разрядного контура, С - накопительная емкость).
-
Экспериментально полученный КПД лазера на парах меди относительно энерговклада в газоразрядную трубку 9% достигнут за счет селективности накачки верхних лазерных уровней.
-
Упраздение населенностью нижнего лазерного уровня при импуль-сно-периодическом режиме работы іазера на парах моди в оптимальных условиях достигается путем наложения перед импульсом возбуждения
- б -
дополнительного импульса, не вызывающего генерации. 4. Увеличение проводимости плазмы после импульса возбуждения обусловлено энерговкладом в плазму энергии запасаемой индуктивностью, подключенной параллельно ГРТ, во время наложения импульса возбуждения.
Апробация работы. Основные результаты, приведенные в диссертации обсуждались на Всесоюзных симпозиумах по лазерному и акустическому зондированию атмосферы,г.Томск,1982г.,1984г.; Всесоюзных семинарах "Лазеры на парах металлов и их применение",г.Новоро-сийск,1982г.,1991-1993гг.: Межотраслевой научно-технической конференции "Импульсные газоразрядные лазеры",Москва,1986г.; рабочем совещании "Активные среды плазменных и газоразрядных лазеров", Гродно,1987г.; Национальной конференции "Лазеры и их применение",Пловдив,Болгария,1988г. ; Международной конференции "Импульсные лазеры на переходах атомов и молекул",Томск,1992г.1995г.
Основные результаты работы изложены в 1Б печатных работах и 9 полученных авторских свидетельствах и положительных решениях.
Объём и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений. Работа изложена на 160 страницах, включая 49 рисунков и список литературы из 109 наименований.
