Введение к работе
Актуальность темы. С момента получения генерации
на эксимерншс молекулах лазеры этого класса претерпели бурное развитие, и за четверть века в этой области науки и техники достигнуты значительные успехи. Среди них особое место занимают эксимерные лазеры на галогенидах инертных газов с электроразрядным возбуждением. Они способны генерировать импульсы когерентного излучения с выходной энергией в несколько десятков джоулей. Применение электроразрядного возбуждения к эксимерным лазерам позволило уменьшить их вес и габариты, снизить рабочее напряжение, повысить надежность по сравнению с лазерами, возбуждаемыми релятивистским электронным пучком и создать целую серию разработок, нашедших широкое применение в науке, технике, производстве. Активные среды эксимерных лазеров на галогенидах инертных газов позволяют получать генерацию более чем на десяти лазерных переходах, в диапазоне 175-480 нм. Использование ВКР-преобразования позволяет увеличить число линий излучения в несколько раз. Кроме того, электроразрядные эксимерные лазеры способны работать с частотой до 3,5 кГц. Ширина линии генерации может быть уменьшена до 0,001 нм, а расходимость до дифракционного предела.
Повышенный интерес к УФ лазерам стимулировал целую волну экспериментальных и теоретических исследований, а также конструкторских разработок эксимерных лазеров. Благодаря выше указанным свойствам, электроразрядные эксимерные лазеры перспективны для решения ряда задач фотохимии и спектроскопии, медицины и биологии. Они уже нашли применение в лидарных системах, новых технологиях. Существует, однако, ряд недостатков, присущих разработанным лазерам этого типа, препятствующих успешному их внедрению в различных областях науки и техники. Прежде всего следует отметить, что все рекордные значения генерационных параметров получены, как правило, на специально созданных установках, с применением формирующих линий на воде и специальных коммутаторов, с использованием дорогих материалов и сверхчистых. газовых компонент активной среды. Кроме того, эти рекордные параметры не сочетаются в одном и том же лазере в связи с тем, что улучшение одного параметра приводит к определенному ухудшению других. Большинство высокоэнергетических эксимерных лазеров
- г -
используют многоконтурные схемы возбуждения. Это приводит к росту мощности энерговклада на начальной стадии разряда,. однако полный энерговклад остается колебательным. При этом также возрастает доля теряемой энергии (вложенной в разряд после срыва генерации). Серьезным недостатком является наличие структуры на импульсе генерации, затянутого ее спада. Неясными остаются многие процессы, происходящие в активной среде при ее возбуждении, знание которых помогла бы указать пути повышения эффективности эксимерных лазеров, вести целенаправленную разработку новых лазерных систем.
Для широкого практического применения необходимо, чтобы лазер обладал достаточно высокой выходной энергией при относительной простоте устройства. Для ХеСІ-лазеров это значение находится на уровне ~1 Дж. При больших выходных энергиях сложность конструкции непропорционально возрастает и не всегда соответствует требованиям потребителей. Для разработки таких эксимерных лазеров были необходимы сравнительные исследования их генерационных характеристик на одном излучателе с различными составами рабочей смеси, схемами возбуждения и их параметрами, уровнями предыонизации и энерговклада. Они позволяют выяснить, какие процессы оказывают наибольшее влияние на пространственно-временные и энергетические характеристики генерации лазеров, а также экстраполировать выявленные закономерности на другие энергетические диапазоны.
Решить эти задачи как экспериментально, так и аналитически достаточно трудно. Хотя исследованию электроразрядных эксимерных лазеров посвящено большое число работ, в том числе и вопросам ввода энергии в активную среду, однако ряд вопросов, связанных с установлением основных свойств и физических особенностей возбуждения активной среды ХеСІ-лазеров с энергией генерации ~1 Дж, а также определение путей реализации гладкоимпульсного режима генерации требовали своего разрешения.
Целью диссертационной работы являлось . выявление закономерностей изменения энергетических и временных характеристик излучения эксимерных ХеСІ-лазеров с электроразрядным способом возбуждения при изменении параметров систем возбуждения и состава активной среды и в создании на основе полученных данных источников когерентного УФ-излучения - ХеСІ-лазеров с выходной энергией ~1 Дж и гладкой временной огибающей импульса генерации
для широкого практического применения и, в частности, для передатчиков лидарных систем, накачки высокоэнергетических перестраиваемых лазеров на красителях.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
-
Установление взаимосвязи выходных характеристик электроразрядного эксимерного ХеСІ-лазера с энергией генерации до I Дж с параметрами его активной среды: компонентным составом, видом буферного газа, соотношением активных компонент, давлением при различных режимах и схемах возбуждения.
-
Определение влияния способа предыонизации активной среды, параметров системы предаонйзацш, задержки основного разряда относительно предыонизации на энергию генерации ХеСІ-лазера.
-
Сравнительное исследование систем возбуждения электроразрядных эксимерных лазеров, выполненных по типу LC-контура и LC-инвертора, влияния их параметров на энергию генерации ХеСІ-лазера, поиск эффективных режимов возбуждения.
Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:
-
Экспериментально изучена зависимость энергии генерации ХеСІ-лазера от взаимного соотношения парциальных давлений активных компонент среды. Показано, что энергия генерации ХеСІ-лазера принимает максимальное значение при соотношении парциальных давлений активных компонент НСІ и Хе - 1:17, которое выполняется во всем диапазоне их рабочих давлений и не зависит от вида буферного газа и системы возбувдения поперечного разряда.
-
Показано, что использование емкостного разряда через пленочный. диэлектрик позволяет осуществлять предыонизацию активной среды ХеСІ-лазера и получать энергию генерации, большую, по сравнению с искровой предыонизацией и меньшими энергозатратами. Экспериментально установлено, что ХеСІ-лазер генерирует импульсы излучения с максимальным значением выходной энергии при задержках начала основного разряда относительно начала разряда емкостной и искровой предыонизации, равных 100-150 не и 150-250 не соответственно.
-
Показано, что уменьшение индуктивности LC-контура до значения ~10 нГн с одновременным уменьшением обострительной емкости до значения 0,01-0,02 от величины накопительной емкости позволяет реализовать возбуждение ХеСІ-лазера с раздельным формированием однородного объемного разряда и энерговкладом в него, стабилизировать разряд, получать импульсы генерации с глад-
_ 4 -ким временным профилем, длительностью ~І70 нс и энергией ~1,5 Дк.
-
Показано, что энергия генерации ХеСІ-лазера при возбуждении LC-контуром с полной перезарядкой накопительной емкости на обострительную достигает максимального значения, а импульсы генерации имеют гладкий временной профіль и длительность 60 нс, при т ~ Тп - Т /2 и Т^Т > 2,5, где т - время задержки' разряда в мекэлектродном промежутке, Т - полупериод перезарядки накопительной емкости на обострительную, а Т - полупериод разряда обострительной емкости на мекэлектродный промежуток.
-
Рассчитаны мовдости энерговклада в активную среду ХеСІ-лазера и зависимости разрядного тока от времени при возбуждении LC-контуром с различными значениями его параметров- Показано, что структура импульса генерации и ее срыв обусловлены колебательным характером разрядного тока и знерговклада.
6. Экспериментально установлено влияние параметров
ьс-инвертора на энергетические характеристики генерации
ХеСІ-лазера. Показана возможность осуществления режима
возбуждения ХеСІ-лазера с выходной энергией ~ I Дк без обострения
импульса разрядного тока.
Практическая значимость полученных результатов состоит в следующем:
1. Определены требования к предыонизации, давлению и составу
активной среды, соотношению активных компонент среды, системам
возбуждения разряда и их параметрам для достижения высоких
энергетических характеристик ХеСІ-лазера с гладким импульсом
генерации.
2. Выработаны різико-технические критерии определения
оптимальных значений параметров схем возбуждения электроразрядных
эксимерных лазерных систем, с энергией генерации ~1 Дж.
Установлены оптимальные режимы возбуждения ХеСІ-лазеров.
3. Разработан и создан ряд макетов ХеСІ-лазеров с энергией
генерации до 1,5 Дж для накачки лазеров на красителях,
использования в качестве передатчиков лидарных систем, для иссле
дования озонового слоя Земли, медико-биологических применений.
' Экономическая значимость полученных результатов состоит в том, что проведенные исследования позволили разработать и создать ряд эксимерных лазеров, которые использовались для различных практических применений. Это позволило не закупать за рубежом данные лазеры в отсутствие их серийного выпуска. Стоимость
разработанных эксимерных лазеров значительно ниже зарубежных.
Основные положения, выносимые на защиту следующие:
1. Энергия генерации ХеСІ-лазера максимальна при соотношении
парциальных давлений активных компонент НС1:Хе - 1:17, которое
выполняется во всем диапазоне их рабочих давлений и не зависит от
вида буферного газа (Не, Ne, Аг) и системы возбуждения
поперечного разряда.
2. Применение емкостного разряда через пленочный
диэлектрик для предварительной ионизации активной среда ХеСІ-
лазера из-под сетчатого катода позволяет получать энергию
генерации, большую по сравнению с искровой предыонизацией и
меньшими энергозатратами. Энергия генерации ХеСІ-лазера
максимальна при задержках начала основного разряда относительно
начала разряда емкостной и искровой предыонизации 100-150 не и
150-250 не соответственно.
-
Уменьшение индуктивности LG-контура до значения ~10 нГн с одновременным уменьшением обострительной емкости до значений 0,01-0,02 от величины накопительной емкости позволяет реализовать раздельное формирование объемного разряда и энерговклад в него, стабилизировать разряд, получать гладкие импульсы генерации длительностью ~170 не и энергией ~1,5 Дж. При возбуждении ХеСІ-лазера LG-контуром с полной перезарядкой накопительной емкости на обострительную максимальная энергия генерации с гладким импульсом достигается при задержках основного разряда г ~ Тп-Т /2 и Тп/Т > 2,5, где Т - полупериод перезарядки емкостей, а Т - полупериод разряда обострительной емкости на межэлектродный промежуток. Структура импульса генерации и ее срыв обусловлены колебательным характером разрядного тока и энерговклада.
-
Применение ЬС-инвертора при минимально возможном значении индуктивности контура инверсии позволяет возбуждать ХеСІ-лазер с выходной энергией ~ I Дж без обострения импульса разрядного тока.
Апробация результатов диссертации.
Основные результаты диссертации опубликованы в 4 статьях в научных журналах, 4 статьях в сборниках, 2 препринтах, 18 тезисах конференций, докладывались на следующих конференциях, симпозиумах, семинарах:
- Межреспубл. школа-семинар молодых ученых "Современные проблемы нелинейной оптики и квантовой электроники", Минск, 1987.
Ш Международная конференция по когерентной и нелинейной оптике, Минск, 1988.
Ш Всесоюзная конференция молодых ученых и специалистов "Теоретическая и прикладная оптика", Ленинград, 1988.
IX Республ. конференция молодых ученых "Исследования в области спектроскопии и квантовой электроники", Паланга, 1989;
П Всесоюзный семинар "Фізика быстропротекающих плазменных процессов", Гродно, 1989;
П Межреспубл. школа-семинар молодых ученых "Современные проблемы спектроскопии, лазерной физики и физики плазмы", Минск, Г989.
УІ Всесоюзная конф. "Оптика лазеров", Ленинград, 1990.
- Ш-rd Symposium on Laser Technology, Szozeoin
Swlnon^soie, 1990;
Республ. научно-техническая конференция "Электрофизические и прикладные вопросы высоковольтных измерений", Запорожье, 1990.
Ш Межреспубликанский семинар "Физика быстропротекающих плазменных процессов", Гродно, 1992.
Международная конференция "Современные проблемы лазерной физики и спектроскопии", Гродно, 1993.
П Международная конференция "Лазерная физика и спектроскопия", Гродно, 1995.
Получено 10 авторских свидетельств на изобретения. Личный вклад автора состоит в следующем:
непосредственное участие совместно с научными руководителями в постановке задач-исследования;
участие в разработке и реализации методик проведения экспериментов;
проведение экспериментов и обработка полученных данных;
интерпретация полученных экспериментальных результатов:
обсуждение и оформление полученных результатов.
Научные руководители оказывали содействие на всех этапах выполнения настоящей работы. Загреба Ю.Н., Курганский А.Д. и Володенков А.П. принимали участие в создании экспериментальной установки, образцов эксимерных лазеров, проведении отдельных экспериментов. Другие соавторы занимались изучением вопросов, не вошедших в настоящую диссертацию.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, общей характеристики, семи х\яав и выводов. Она содержит 215 страниц, включая 77 рисунков, а также список литературы из 175 найменований.
