Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Характеристики лазеров на парах бромида меди 12
1.1. Характеристики лазера на парах меди и его модификаций 12
1.2. Получение генерации в солях меди 16
1.3. Повышение энергетических характеристик Си и СиВг лазеров.. 19
1.4. Сравнение кинетических и энергетических характеристик СиВг и СиВг+Нг лазеров с характеристиками гибридного лазера и Си лазера с модифицированной кинетикой 24
1.5. Анализ механизмов ограничения частоты следования импульсов Си и СиВг лазеров 28
Выводы 31
Глава 2. Приборы и техника эксперимента 32
2.1. Конструкция активных элементов СиВг лазеров и подготовка их к работе 32
2.2. Методика введения и измерения малых добавок В.2, НВг 39
2.3. Схемы накачки для типичных и высоких частот следования импульсов 41
2.4. Регистрирующая аппаратура, методы измерения параметров лазерного излучения, анализ ошибок 48
Выводы 50
Глава 3. Исследования СиВг лазеров при высоких частотах следования импульсов 51
3.1. Сравнительное исследование влияния добавок Н2 и НВг на генерационные характеристики СиВг лазеров при изменении состава газовой смеси и различных условиях накачки 51
3.2. СиВг лазер малого активного объема с частотой следования регулярных импульсов до 300 кГц 67
3.3. СиВг лазер среднего активного объема с частотой следования регулярных импульсов свыше 200 кГц 70
3.4. Исследование предельных частот следования модифицированным методом сдвоенных импульсов 76
3.5. Исследование СиВг лазеров в режиме пониженных энерговкладов 80
Выводы 85
Глава 4. Разработка саморазогревного отпаянного активного элемента СиВг лазера с добавками НВг 88
4.1. Особенности конструктивного исполнения саморазогревных СиВг лазеров с добавками НВг(Н2) 88
4.2. Сравнение характеристик саморазогревных СиВг лазеров с лазерами с независимым нагревом контейнеров с СиВг 95
Выводы 97
Заключение 99
Литература 102
Приложение
- Сравнение кинетических и энергетических характеристик СиВг и СиВг+Нг лазеров с характеристиками гибридного лазера и Си лазера с модифицированной кинетикой
- Схемы накачки для типичных и высоких частот следования импульсов
- СиВг лазер малого активного объема с частотой следования регулярных импульсов до 300 кГц
- Сравнение характеристик саморазогревных СиВг лазеров с лазерами с независимым нагревом контейнеров с СиВг
Введение к работе
Актуальность проблемы
Лазер на парах меди является на сегодня наиболее эффективным источником излучения не только среди лазеров на парах металлов, но и среди лазеров видимого диапазона спектра в целом. Работая в импульсно-периодическом режиме его средние мощности достигают сотен Вт, импульсные мощности - сотен кВт, длительности импульсов излучения варьируются от единиц до сотен НС, КПД в режиме генератора достигает 3% при частоте следования импульсов единицы -десятки кГц, ресурс активных элементов превышает 1000 час. Сочетание таких характеристик в одном приборе позволили медному лазеру занять определенную нишу в прикладных областях. Они широко применяются в промышленности, медицине и научных исследованиях [1-6].
В последнее время все чаще возникает необходимость в лазерах данного типа, работающих при существенно больших ЧСИ (свыше 100 кГц), с целью использования их в исследовании быстропротекающих процессов, в оптико-электронных системах записи информации, системах навигации, трассовом газоанализе, зондировании параметров приземного слоя атмосферы и т.д.
Анализ современных результатов различных авторов показывает, что высокочастотный режим реализуется в узких трубках. Рекордный результат получен Солдатовым, Федоровым в медном лазере - 235 кГц [2]. Однако появившиеся в последнее время модифицированные разновидности лазера на парах меди - CuBr+Нг, гибридный лазер и лазер с улучшенной кинетикой, использующие активные примеси ( НС1, НВг), осуществляют эффективную генерацию на частотах, превышающих рабочие частоты обычного медного лазера. Это происходит благодаря указанным добавкам. Они приводят к ускорению процессов релаксации и рекомбинации плазмы в межимпульсный период, а следовательно, и к увеличению частоты. В связи с этим следует ожидать, что и максимально достижимые частоты в таких системах будут выше.
Вместе с тем до конца не ясен механизм ограничения частот следования импульсов в лазерах на парах металлов. Но ясно то, что с практической точки зрения больший интерес представляет высокочастотный CuBr лазер с добавкой водорода (либо другой не менее эффективной добавкой (НС1, НВг)), поскольку
лазер с улучшенной кинетикой и гибридный лазер (несмотря на то, что он низкотемпературный) являются прокачными. К тому же более низкие рабочие температуры CuBr лазера по сравнению с Си лазером гарантируют снижение удельного энерговклада и возможно позволят достичь высоких частот не только в узких трубках.
Таким образом, исследование лазера на парах бромида меди при высоких частотах следования импульсов накачки представляет научный интерес. Кроме этого, решение задач, связанных с получением практически значимых выходных мощностей излучения при частотах следования 100 кГц и выше, с созданием активного элемента, обеспечивающего значительный ресурс работы лазеров на этих частотах, поиском путей поддержания необходимых концентраций малых активных примесей в активном элементе, позволит сделать эти лазеры более востребованными на практике.
Цель работы
Основная цель настоящей работы заключается в изучении возможности реализации максимально достижимых частот следования импульсов генерации CuBr лазера (в том числе работающего в отпаянном режиме), а также в исследовании влияния активных примесей Н2, НВг на оптические и частотно-энергетические характеристики этих лазеров.
Для достижения указанной цели необходимо было решить следующие задачи:
Исследовать влияние активной примеси НВг (в сравнении с Н2) на оптические и частотно-энергетические характеристики CuBr лазера при различных условиях накачки.
Получить практически значимые мощности излучения на высоких частотах следования импульсов (свыше 100 кГц) в CuBr+Ne+H2(HBr) лазере.
Модельным способом изучить возможность достижения максимально достижимых частот в CuBr лазере.
Изучить возможность создания генератора НВг, позволяющего в широких пределах контролировать давление примеси в отпаянных газоразрядных трубках CuBr+Ne+HBr лазеров.
Рассмотреть возможность создания саморазогревного отпаянного активного элемента CuBr лазера, работающего как в обычном, так и в высокочастотном режиме.
Методы исследования
Для решения поставленных задач использовались в основном экспериментальные методы исследования оптических и электрических характеристик плазмы импульсно-периодического разряда и генерации в парах бромида меди. Для анализа полученных результатов в ряде случаев привлекались результаты численных расчетов, проведенные О.В. Жданеевым и изложенные в совместной публикации [6].
Научная новизна
Экспериментальным путем показано, что введение малых добавок бромводорода в активную среду CuBr+Ne лазера модифицирует активную среду лазера. Увеличивается задержка тока относительно напряжения, возрастает разрядное напряжение в фазе накачки, ускоряются процессы релаксации и рекомбинации плазмы в межимпульсный период. В конечном итоге это способствует существенному улучшению частотных и энергетических характеристик лазера.
Впервые для лазеров на парах металлов, работающих в режиме регулярных импульсов, реализована (на примере лазера на парах бромида меди) частота следования импульсов излучения 300 кГц, а модифицированным методом сдвоенных импульсов показана возможность достижения и больших значений (свыше 600 кГц).
Показано, что оптимальная концентрация примеси зависит от состава смеси и условий накачки. Установлено, что оптимальная величина добавки НВг в 1.5 раза меньше, чем Н2.
Впервые на примере CuBr лазера показано, что введением активных добавок режим высоких частот следования импульсов генерации может быть реализован не только в трубках малого диаметра, но и в трубках большего диаметра, что позволяет получать высокие уровни мощности излучения на этих частотах (100 кГц и выше).
Научная ценность
Экспериментальным путем выявлен механизм положительного влияния малых добавок активных примесей бромводорода на генерационные характеристики лазера на парах бромида меди при различных условиях накачки. Установлено, что эффект положительного влияния добавки бромводорода на характеристики CuBr-лазера проявляется при больших давлениях буферного газа Ne, чем в СиВг+Ке+Нг-лазере. Показано, что активные добавки водорода, бромводорода увеличивают область оптимальных и максимальных частот следования импульсов генерации.
Защищаемые положения
Введение оптимальной концентрации бромводорода (порядка 0.2 торр) в активные элементы лазера на парах бромида меди аналогично введению добавок водорода и существенно улучшает частотные и энергетические характеристики лазера (в два и более раз). Этому способствуют: задержка тока относительно напряжения и возрастание разрядного напряжения на электродах газоразрядной трубки в фазе накачки вследствие более эффективной релаксации и рекомбинации активной среды в межимпульсный период.
Частоты следования импульсов излучения лазера на парах бромида меди с активными добавками НВг (Н2) выше, чем лазера на парах меди, вследствие меньшего энерговклада в разряд. В режиме регулярных импульсов для лазера на парах бромида меди реализована частота следования импульсов 300 кГц, и показана возможность достижения частоты свыше 600 кГц.
Введение добавок НВг (Н2) в активную среду CuBr+Ne лазера позволяет реализовать режим высоких частот следования импульсов генерации не только в трубках малого (менее 1 см), но и в трубках большого диаметра (более 2 см) и обеспечить высокие уровни средней мощности излучения на этих частотах (более 10 Вт на 100 кГц).
Достоверность и обоснованность результатов
Научные положения и выводы, сделанные в диссертации, следуют из адекватности и надежности используемых экспериментальных методов и средств, подтверждается сравнением полученных результатов с данными других авторов.
Практическая значимость и внедрение полученных результатов
Разработана конструкция «саморазогревного» активного элемента лазера на парах бромида меди, которая защищена патентом РФ.
Разработан способ поддержания и регулирования концентрации галогеноводорода в газоразрядной трубке лазера на парах галогенида меди, защищенный патентом РФ.
Разработана методика определения величин активных добавок водорода и бромводорода, определены их оптимальные значения для различных условий накачки и состава газовой смеси.
Созданы образцы отпаянных лазеров на парах бромида меди, в том числе впервые создан действующий образец лазера на парах бромида меди с встроенным генератором НВг, с выходной мощностью 10 Вт на частоте следования 100 кГц.
Личный вклад автора
Все исследования, определяющие защищаемые положения выполнены лично автором, либо при его определяющем участии.
Апробация результатов работы
Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на следующих конференциях и симпозиумах:
1. II, III Всероссийская научная конференция "Молекулярная физика
неравновесных систем". г.Иваново. 2000,2001 гг.
Симпозиум "Лазеры на парах металлов", г. Ростов-на-Дону. 2000, 2002, 2004,2006 гг.
XIII, XIV, XV, XVI International Symposium on Gas Flow & Chemical Lasers and High Power Laser Conference-GCL-HPL. 2000 (Florence, Italy), 2002 (Wroclaw, Poland), 2004 (Prague, Chech. Rep.), 2006 (Gmunden, Austria).
V, VI, VII International Conference "Atomic and Molecular Pulsed Lasers"-AMPL, Tomsk, Russia. 2001,2003,2005 гг.
5. VII International Scientific and Practical Conference of Students, Post-
Graduates and Young Scientists "Modern Technique and Technologies"- MTT'2001.
Tomsk, Russia.
6. International Quantum Electronics Conference-IQEC'2002. Moscow, Russia.
7. Ill International Symposium "Laser Technologies and Lasers"-LTL'2003.
Plovdiv, Bulgaria.
International Symposium "Optics Laser". St.-Petersburg, Russia. 2003.
VIII Korea-Russia International Symposium on Science and Technology. Korus 2004. Tomsk, Russia.
10. The 7-th Russian-Chinese Symposium on Laser Physics and Laser
Technologies. 2004, Tomsk, Russia.
11. На семинарах лаборатории квантовой электроники ИОА СО РАН и
кафедры промышленной и медицинской электроники электрофизического
факультета ТПУ, 2000-2007 гг.
Основные результаты, включенные в диссертацию, опубликованы в 13 печатных работах в рецензируемых изданиях, а также двух патентах РФ. Общее число публикаций по теме - 33. Они указаны в ссылках [8-40].
Исследования по теме диссертации и представление результатов проведены в рамках г/б и прикладной тематик Института оптики атмосферы СО РАН, при поддержке:
РФФИ, гранты №№ 99-02-17016-а, 00-02-26801-3, 02-02-27130-3, 03-02-27135-з,05-02-27130-з,
Фонда Карипло, Италия, 2000,
ФЦП «Интеграция науки и высшей школы», 2002,
ИОА СО РАН, грант для молодых ученых, 2005 -2006 гг.
«Университеты России», 2005,
Минобрнауки «Развитие научного потенциала высшей школы 2006-2008», РНП 2.1.1.5440.
Структура и краткое содержание работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, состоящего из 174 наименований и двух приложений. В работе 125 страниц, включая 38 рисунков и 6 таблиц.
Во введении обосновывается актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследования, показываются научная новизна и практическая значимость
полученных результатов, представлены защищаемые положения и дано краткое описание работы.
В первой главе содержится литературный обзор работ, опубликованных к моменту начала и в процессе выполнения данной работы. Рассматриваются основные характеристики, достоинства и недостатки, области применения лазера на парах меди. Отмечается, что стремление к достижению высоких энергетических характеристик привело к появлению нескольких разновидностей этого лазера, достойное место из которых занимает CuBr лазер. Проводится подробное сравнение кинетических и энергетических характеристик CuBr лазера со своими аналогами и отмечаются его преимущества. Основные из них заключаются в способности работать на более высоких частотах следования импульсов и повышенном КПД, чему способствует положительное влияние добавки активной примеси - водорода. Кроме этого проводится анализ механизмов ограничения частоты повторения импульсов в этих лазерах. На основании этого делается вывод о том, что выяснение причин ограничения частоты, а также реализация высокочастотного лазера с практически значимыми мощностями излучения и большим сроком службы позволит CuBr лазеру составить серьезную конкуренцию своему аналогу на чистой меди.
Во второй главе описываются конструкции исследуемых газоразрядных трубок, требования к используемому для их изготовления материалу и их подготовка к работе. Приводятся схемы накачки лазеров, работающих как при типичных 10-20 кГц, так и при высоких частотах следования импульсов до 300 кГц, определяются методики введения и измерения малых добавок активных примесей - Н2, НВг в активную среду лазера, а также методы измерения параметров лазерного излучения и проводится анализ ошибок. Помимо этого перечисляется использующаяся аппаратура. Делается вывод о том, что разработанная саморазогревная конструкция активного элемента CuBr лазера проста и удобна в работе, а разработанные высокочастотные источники питания на основе таситронов обеспечивают надежную коммутацию на частотах до 300 кГц.
В третьей главе приводятся результаты сравнительного исследования влияния добавок Н2 и НВг на генерационные характеристики CuBr лазера при различных условиях возбуждения. Определены оптимальные значения
концентраций добавок при разном давлении буферного газа Ne. Показано, что при увеличении напряжения источника питания (при условии постоянства вводимой мощности), а также мощности накачки требуются большие концентрации добавок. Для получения максимальных выходных характеристик при увеличении диаметра газоразрядной трубки и частоты также требуется большая добавка, что связано с процессами межимпульсной релаксации плазмы. Использование активной добавки позволяет достигнуть максимальной частоты следования импульсов 300 кГц в трубке малого объема и получить практически значимые мощности излучения на частоте 250 кГц - 1.5 Вт в трубке среднего размера. Кроме этого модельным методом сдвоенных импульсов демонстрируется возможность достижения частот следования свыше 600 кГц. Делается вывод, что существует возможность увеличения частот и мощностей излучения и в трубках большого объема при условии быстрого ввода энергии и малых энерговкладах за импульс.
В четвертой главе представлены результаты исследования энергетических и ресурсных характеристик саморазогревной конструкции CuBr лазеров и их сравнения с характеристиками CuBr лазеров широко распространенной конструкции идентичного объема как при типичных, так и высоких частотах следования импульсов. Отмечаются преимущества саморазогревной конструкции. Также обосновываются преимущества разработанного генератора НВг перед имеющимся на сегодняшний день генератором Н2. На основании этого делается вывод, что при очевидных эксплуатационных преимуществах по энергетике и наработке саморазогревные трубки не уступают своим аналогам с независимым нагревом контейнеров с CuBr, а дополнительное использование генератора НВг делает их еще более привлекательными.
В заключении сформулированы основные результаты работы.
В приложении 1 описывается навигационная оптико-электронная система «Обзор», в основе которой в качестве источника подсветки используется CuBr лазер.
В приложении 2 приводится акт внедрения результатов работы в учебном процессе студентов электрофизического факультета ТПУ.
Сравнение кинетических и энергетических характеристик СиВг и СиВг+Нг лазеров с характеристиками гибридного лазера и Си лазера с модифицированной кинетикой
После получения генерации в парах галогенидов меди в сдвоенных импульсах последовали работы по изучению кинетических характеристик этих лазеров. Измерения временных зависимостей концентраций основного (No), метастабильных (Nm) состояний атомов меди [73-75, 119], а также ход концентрации электронов (пе) в межимпульсный период [120] показали, что особых отличий от аналогичных характеристик ЛПМ нет. Лишь скорость релаксации концентрации электронов меньше скорости релаксации в плазме ЛПМ, что, как предположено, указывает на различие в механизмах релаксации температуры электронов (Те). В дальнейшем, основное внимание было приковано к изучению кинетики импульсно-периодических ЛПМ (его модификаций) и ЛПБМ благодаря лучшим энергетическим характеристикам. Их основное отличие от ЛПБМ, возбуждаемых сдвоенными импульсами заключается в том, что начальные условия определяются периодом послесвечения последовательности импульсов в присутствии накопительных эффектов. Первые попытки изучения накопительных эффектов от импульса к импульсу и с ростом частоты и их влияния на частотно-энергетические характеристики ЛПМ были проведены в теоретической работе [121]. Из результатов делаются выводы, что основную роль в ограничении характеристик ЛПМ играет недостаточно высокая скорость охлаждения электронного газа, которая приводит к медленному девозбуждению нижнего лазерного уровня и медленной рекомбинации плазмы, что вызывает сильное накопление предимпульсных значений концентраций электронов и метастабилей.
Автор работы одним из первых предложил для эффективного снижения влияния этого эффекта использовать добавки легких примесей, в частности, водорода. Более поздние работы по исследованию механизмов влияния водорода на характеристики лазеров на парах чистой меди позволили авторам [122, 123] заключить, что значительное увеличение выходных параметров связано с переходом к объемному механизму рекомбинации плазмы. Увеличивается скорость охлаждения электронов за счет передачи энергии путём упругих соударений в межимпульсный период, что приводит к уменьшению предимпульсной пе и лучшему согласованию сопротивления разряда с волновым сопротивлением разрядного контура. Переход к объемной рекомбинации способствует увеличению оптимальной ЧСИ, особенно для ГРТ с большим диаметром. Последние результаты по моделированию кинетики ЛПМ с добавками Н2 в широком диапазоне рабочих частот [124-126] показали, что увеличение выходной мощности может иметь различную природу при разных ЧСИ. При высоких ЧСИ (/ № кГц) увеличение мощности может происходить только за счет снижения предимпульсных значений пе и атомов меди в метастабильном состоянии, а также увеличения скорости восстановления концентрации меди в основном состоянии. При работе на низких ЧСИ (/40 кГц) факторов, отмеченных выше, становится недостаточно. Увеличение мощности происходит вследствие увеличения концентрации атомов меди (пСи) в активной среде за счет разогрева ГРТ при введении Н2 и одновременном уменьшении предимпульсной Nm за счет тушения этих уровней молекулами Н2 в колебательно-возбужденных состояниях. Кроме того, при введении Н2 уменьшается значение тока, протекающего в межимпульсный интервал через ГРТ, что, в свою очередь, ускоряет протекание релаксационных процессов в плазме.
Помимо моделей Си+Н2 лазеров этой группой авторов были разработаны самосогласованные кинетические модели Cu+НСІ и Cu+HBr лазеров [126 - 128]. Результаты работ показали хорошее согласие с имеющимися экспериментальными данными, полученными ранее австралийскими исследователями [64]. В отличие от Си+Н2 лазеров на данный момент известна лишь одна расчетная работа, изучающая влияние добавок Н2 на характеристики СиВг-лазеров [129]. Ее результаты позволили авторам сделать два важных вывода: 1) введение Н2 снижает концентрацию CuBr и температуру газа на оси ГРТ, что в свою очередь, ведет к снижению столкновительного истощения энергии электронов и к увеличению Те\ 2) пе увеличивается в течение импульса возбуждения при введении водорода (ее максимальное значение выше, а начальное ниже). Сравнение электрических характеристик CuBr и CuBr+H2 лазеров показало, что водород вносит задержку в развитие разряда (ток запаздывает относительно напряжения), а также приводит к заметному увеличению длительности импульса генерации [61, 69]. Первые качественные объяснения эффекта водорода связывались именно с этим обстоятельством - увеличивается сопротивление разряда и, следовательно, улучшается согласование ГРТ с генератором накачки. В последующих экспериментальных работах [130-133] были сделаны подробные параметрические и кинетические исследования CuBr и CuBr+Нг лазеров. Как оказалось с добавкой водорода эволюция населенностей лазерных уровней не сильно отличается от населенностей CuBr лазера. Хотя зафиксирована более быстрая релаксация резонансных уровней, а также основного состояния (в 3 раза) в течение импульса возбуждения, причем расселяется всего 20% атомов (в то время как 60% - без Нг). Это объясняется экранированием прямой ионизации атомов меди отлипанием электронов от отрицательных ионов Н2. Поскольку активные среды ЛПМ с улучшенной кинетикой, гибридного лазера, а также ЛПБМ с примесью водорода имеют схожий состав, то проводилось аналогичное сравнение их между собой, а также с обычными ЛПМ и ЛПБМ в работах [134-141]. Анализ характеристик CuBr, CuBr+H2 и CuHyBrlD лазеров одинаковых габаритов при одних и тех же условиях возбуждения [137] свидетельствует о том, что CuHyBrlD лазер и СиВг+Нг лазер имеют схожие электрические и выходные характеристики, но также отмечается и то, что в режиме ввода высоких мощностей гибридный лазер способен излучать большую мощность, чем СиВг+Нг лазер. Это подтверждается результатами работы [63], где ГРТ идентичная по габаритам 120-ваттному CuBr+H2 лазеру [69] имела выходную мощность излучения 200 Вт.
Сравнение удельных энергетических характеристик также подчеркивает превосходство гибридных лазеров. Максимальная средняя удельная мощность излучения для ЛПМ (диаметр 4.5 мм, длина 30 см) - 1.3 Вт/см [142]. Аналогичная ситуация происходит и в СиВг+Нг лазере с ГРТ таких размеров, у І но с диафрагмой 1.5 мм (объем 4.77 см ) [143] - 1.4 Вт/см . Но наивысшая удельная средняя мощность наблюдается в CuHyBrlD лазере объемом 4.77 см - 2 Вт/см [144]. Результаты измерений основных кинетических параметров плазмы указанных работ показывают высокое максимальное за импульс значение пе в этих лазерах по сравнению с ЛПМ, ЛПБМ, но ее релаксация происходит гораздо быстрее (быстрая фаза за 10 мкс) до более низких значений. Подтверждением более быстрой релаксации активной среды в межимпульсный период являются измерения N0 ЛПМ с улучшенной кинетикой и CuHyBrlD лазеров. Они работают
Схемы накачки для типичных и высоких частот следования импульсов
В работе были задействованы два экспериментальных стенда, рассчитанные на накачку ГРТ различных активных объемов. Высоковольтный выпрямитель одного из них позволял регулировать средние значения напряжения от 0 до 15 кВ и тока от 0 до 1 А. Максимальная потребляемая мощность от второго источника питания составляла 3 кВт при максимальном напряжении 7 кВ. Тренировка и большая часть экспериментов по исследованию энергетических характеристик CuBr лазеров осуществлялась при использовании традиционной схемы накачки - прямого разряда накопительной емкости на ГРТ через коммутатор (рис. 4). На низких ЧСИ (5-20 кГц) для коммутирования мощностей до 3 кВт использовался импульсный водородный тиратрон ТГИ1 1000/25, при мощностях 3-8 кВт - ТГИ1-2500/50 [165]. Для определения максимальных ЧСИ (до 300 кГц) в ГРТ малого диаметра в этой схеме применялся таситрон ТГУ1-5/12, способный коммутировать мощности до 1.5 кВт. При определении максимальных ЧСИ в ГРТ среднего диаметра использовался таситрон ТГУ1-1000/25, коммутирующий мощности до 2.5 кВт. Тиратроны и таситроны имели водяное анодное и сеточное охлаждение через развязки, представляющие собой силиконовые трубки, навитые на диэлектрическое основание. Тиратрон ТГИ1-1000/25, работающий при мощностях до 1.5 кВт охлаждался воздухом. Методика измерения энергетических характеристик CuBr+H2 лазера при увеличении ЧСИ заключалась в следующем. Производилось измерение мощности при стандартных ЧСИ - 10 кГц. Затем осуществлялось увеличение частоты с заданным шагом. Причем на каждой частоте производилось новое включение ГРТ, которая выводилась на стационарный режим работы и на каждой частоте фиксировались импульсы тока, напряжения и генерации. При повышении ЧСИ величина рабочей емкости постепенно снижалась для поддержания постоянного энерговклада в ГРТ. Высоковольтный выпрямитель (ВВ) состоял из высоковольтного трансформатора, выпрямительного узла, конденсаторного фильтра, защищающего сеть по высокочастотным помехам, защитной аппаратуры, регулятора, устанавливающего необходимое напряжение на рабочей емкости и контрольно-измерительных приборов, фиксирующих ток и напряжение.
Рабочие емкости С1 (конденсаторы типа КВИ-3), благодаря цепи резонансной зарядки L1 - D1, заряжаются от ВВ до удвоенного напряжения. В качестве зарядных диодов D используются кенотроны ВИЗ-70/32 с накальным трансформатором в масляном исполнении. Зарядные индуктивности также имеют масляную изоляцию и их величина составляет 1-Ю Гн. При работе на высоких ЧСИ используются зарядные индуктивности с воздушным охлаждением, величина которых тщательно подбирается в каждом отдельном случае. Индуктивность Ls (10-100 мкГн) шунтирует ГРТ на время между импульсами возбуждения, обеспечивая перезарядку С1. В некоторых случаях, для повышения эффективности накачки параллельно ГРТ включается обострительная емкость С$, которая увеличивает крутизну импульсов возбуждения. Стабильная длительная работа коммутатора обеспечивается подачей на его сетку поджигающего импульса положительной полярности напряжением до 500 В для ТГИ1-1000/25, до 1000 В для ТГИ1-2500/50 от модулятора БЗ, а также подбором накальных напряжений на катоде и генераторе водорода, которые могли варьироваться от 6 до 6.6 В. Модулятор, формирующий запускающие импульсы для тиратрона ТГИ 1-1000/25 включает в себя задающий блокинг-генератор, собранный на транзисторе. Он формирует импульсы положительной полярности, которые в дальнейшем усиливаются и подаются на тиратрон ТГИ1-35/3, после которого через формирующую линию поступают на сетку основного тиратрона. Такая система использовалась для запуска более мощного тиратрона ТГУ1-2500/50, модулятором которого являлся блок на основе ТГИ 1-1000/25, а блок на основе ТГИ 1-3 5/3 выполнял функции подмодулятора. Высокочастотные запускающие импульсы (20-300 кГц) на таситрон ТГУ1-5/12 поступали от транзисторного модулятора, который запускался от стандартного генератора Г5-27А. В свою очередь, такая система являлась запуском для таситронаТГУ1-1000/25. Для улучшения восстановления электрической прочности тиратронов и таситронов на их сетку подавалось отрицательное напряжение смещения, величина которого соответствовала паспортным данным для каждого типа коммутатора. Таситроны ТГУ1-5/12 и ТГУ1-1000/25 использовались в схеме (рис. 5), предназначенной для определения максимально достижимых частот CuBr лазеров модельным модифицированным методом сдвоенных импульсов.
В основе лежит принцип возбуждения активной среды сдвоенными импульсами путем разряда рабочих емкостей С1, С2 через ГРТ при поочередном срабатывании тиратронов ТІ, Т2. Частота между парами импульсов соответствовала типичному для этих лазеров импульно-периодическому режиму 10-30 кГц, а с помощью двухканального генератора ЗГ (Г5-27А) можно было регулировать задержку между импульсами возбуждения до 10 мкс. Предварительно лазер выводился на стабильный режим генерации, которая возникала в первом импульсе (т.е. задержка между импульсами минимальная), а затем второй импульс смещался относительно первого до появления в нем импульса генерации. Таким способом определялась максимальная ЧСИ. Использование резонансно-зарядовой цепи на каждый канал Ы - Dl, L2 - D2 позволяло, изменяя рабочие емкости СІ, С2, варьировать формы импульсов возбуждения (амплитуда, длительность). С помощью этой же схемы был организован импульсно-периодический режим пониженного энерговклада с формированием возбуждающего и более мощного диссоциирующего импульсов, когда между ними формировалась нулевая задержка. Подбором рабочих емкостей снижалась энергия первого импульса до тех пор, пока в нем существовала генерация.
СиВг лазер малого активного объема с частотой следования регулярных импульсов до 300 кГц
Используя тот факт, что для создания активной среды СиВг лазера требуются существенно меньшие рабочие температуры, чем для традиционного Си лазера мы сумели іішіучіт» усшичивую іенерацию при снижении удельною энерговклада в разряд в 2-3 раз по сравнению с лазером на парах меди идентичного объема в широком диапазоне изменения частот повторения (рис, 22,23). Анализ полученных результатов показывает, что максимальная ЧСИ (300 кГц) для СиВг лазера реализуется в трубке диаметром 1,4 см при удельной мощности накачки \щг Ю Вт/см3, Данное значение Wsp является оценочным, т.к. для его расчета использована полная потребляемая мощность (ГРТ и элементами схемы), а за активный объём ЕЗЯТ объем II Г, заключенный между электродами. При этом К!Щ (также относительно полной потребляемой мощносш) на оптимальной частоте (80-100 кГц) составляет 0.2%. При снижении Wsp до 5 Вт/см3 КПД вгорастает до 1,4%, однако этот режим удается реализовать только в трубках большего диаметра (2 ем), где максимальные ЧСИ не превышают 160 кГц. ледует отметить, что при этом средняя мощность излучения на частоте 100 кГц хотя и оказывается значительно меньше максимальной, но остается довольно значительной - 4.8 Вт. Максимальные ЧСИ для трубок диаметром менее 1.4 см составили 270 кГц (для диаметра ГРТ 0.8 см и Wsp=20 Вт/см3) и 160 кГц (0.4 см и Sp=80 Вт/см). Высокие Wsp в трубках малого диаметра приводят к большим плотностям тока разряда. Так, для ГРТ диаметром 0.4 см амплитуда тока достигает 100 А, а плотность тока превышает 10 кА/см2. При этом степень ионизации атомов меди достигает 50%, уменьшая число рабочих атомов, падает КПД.
Еще раз подчеркнем, что указанные Wsp для CuBr лазера существенно ниже, чем для лазера на парах чистой меди аналогичного объема, что подтверждается не только нашими результатами, но и данными других авторов. Так, в работе [142] Wsp достигает 200 Вт/см для трубки диаметром 0.45 см при ЧСИ 70 кГц. Мы полагаем, что достичь ЧСИ более 300 кГц нам не позволили, главным образом, возможности используемого коммутатора. Однако, высокочастотная коммутация может быть осуществлена, например, поочередным включением нескольких таситронов, а дальнейшее снижение энерговклада в трубки малого диаметра (менее 1 см), работающих на высокой частоте в режиме саморазогрева, может быть обеспечено использованием более эффективного теплоизолятора. Дополнительные возможности увеличения максимальных и оптимальных частот повторения, средней мощности излучения и КПД в трубках средних диаметров (порядка 2 см) должно дать контролируемое добавление водорода в разряд. Исследования, представленные в разделе 3.2 с ГРТ CuBr лазера среднего диаметра 2 см и длиной 80 см без специального добавления Н2 позволили получить мощность генерации 4.8 Вт при ЧСИ 100 кГц. А максимальное значение ЧСИ составило 160 кГц, что было ограничено используемым коммутатором -таситроном ТГУ1-5/12. Малые же добавки Н2, как было показано ранее, способны дополнительно увеличить энергетические и частотные характеристики ЛПБМ не только малых, но и средних диаметров. Используя более мощный высокочастотный коммутатор (ТГУ1-1000/25), появляется возможность реализовать режим регулярных импульсов накачки CuBr лазера с диаметром ГРТ более 2 см на частотах, превышающих 100 кГц, изучить поведение энергетических характеристик (в присутствии малых добавок водорода) и определить максимально достижимые значения ЧСИ. Для исследования предельно достижимых значений ЧСИ генерации CuBr+H2 лазеров средних размеров (диаметром более 2 см) был выбран саморазогревной излучатель № 13 (таблица 1) (диаметр 2.6 см, длина 76 см). Он дополнительно оснащен теплоизоляционным экраном и устройством, позволяющим осуществлять контроль температуры рабочего канала ГРТ и поддерживать ее на уровне, обеспечивающем стабильное значение мощности генерации в стационарном режиме работы лазера. Возбуждение активной среды осуществлялось по схеме прямого разряда накопительной емкости на ГРТ с помощью таситрона ТГУ1-1000/25 (рис. 4). Специальная оптимизация разрядного контура не проводилась и не велись работы по улучшению характеристик импульса накачки. В качестве буферного газа использовался спектрально чистый неон, при давлении 30 - 50 торр. Добавки-водорода в активную среду составляли 0.2 - 0.5 торр. Методика измерения энергетических характеристик CuBr+H2 лазера при увеличении ЧСИ описана в главе 2. Результаты эксперимента показали, что максимальное значение ЧСИ накачки исследуемого лазера, обеспечиваемое данным коммутатором, составляет 250 кГц (рис. 24). Средняя мощность излучения (Рг) на данной частоте (J) составила 1.5 Вт. При ЧСИ накачки 200 кГц выходная мощность равнялась 3 Вт.
Область оптимальных частот следования (таких, при которых мощность излучения максимальна) простирается от 40 до 100 кГц, а далее начинается медленный спад мощности. При частоте следования импульсов накачки 100 кГц нами были проведены предварительные испытания ГРТ на наработку. В течение нескольких десятков часов мощность стабильно сохранялась на уровне 10 Вт, а максимальное значение Рг на данной частоте составило 10.5 Вт. Ранее, при исследовании СиВг лазеров без контролируемых добавок водорода [86], максимальная выходная мощность достигалась при ЧСИ 16-20 кГц, после чего наблюдалось ее снижение. Как показывают результаты этой и других работ по исследованию СиВгШ2 лазера [92], а также ЛПМ с улучшенной кинетикой [66, 68], HyBrID-лазера [63], добавки Нг смещают оптимальное значение частоты в область больших значений не только для ГРТ малых диаметров. Как уже неоднократно отмечалось ранее, в последнее время на качественном уровне это объясняется [137, 141] образованием и присутствием в активной среде этих лазеров электроотрицательных молекул (HBr, НС1) с большим сечением диссоциативного прилипания электронов, что увеличивает скорость объемной рекомбинации плазмы. В данном эксперименте лучшее значение КПД (рассчитанного по мощности, отбираемой от выпрямителя) составило 0.7% при / = 50 кГц и РГ = 11 Вт. Относительно низкое значение КПД связано, как уже упоминалось, с тем, что дополнительной оптимизации контура возбуждения не проводилось. Надо также отметить, что полученные Рг не являются максимальными на данных ЧСИ, а являются значениями, соответствующими стационарному тепловому режиму работы лазера. Кроме того, подбор оптимального соотношения (неон - водород) оказался трудной задачей. В результате, приведенные на рис. 25 зависимости, соответствуют добавке водорода несколько отличной от оптимальной. Так незначительное увеличение количества водорода (на частотах накачки 30 и 40 кГц) привело к увеличению мощности излучения до 12 и 12.5 Вт, соответственно, и КПД до 0.8%. Эти значения отмечены точками 1 и 2 на Рис. 25, на котором для наглядности помимо средней выходной мощности приведена зависимость удельной вводимой в разряд мощности накачки Wyd (в единицу объема) от частоты следования импульсов накачки. С изменением ЧСИ, особенно более 100 кГц, Wyd поддерживалась примерно на одном уровне, чтобы сохранить температурный режим работы ГРТ. Сравнение этих значений со значениями Wyd в ЛПМ, полученных ранее для ГРТ аналогичных размеров показывает, что в ЛПБМ Wyd на порядок меньше, за счет меньших рабочих температур.
Сравнение характеристик саморазогревных СиВг лазеров с лазерами с независимым нагревом контейнеров с СиВг
С целью выяснения вопроса, связанного со способностью саморазогревной конструкции ГРТ ЛПБМ обеспечивать высокие выходные мощности (в течение длительного времени) или же, хотя бы сопоставимые с имеющимися конструктивными аналогами, было проведено сравнение энергетических характеристик близких по габаритам ГРТ саморазогревной конструкции и с независимым нагревом контейнеров с СиВг. Такое сравнение производилось при схожих условиях накачки, т.е. одинаковых схемах возбуждения, коммутаторах, близких ЧСИ и мощностях накачки, с добавками или без добавок Н2, НВг, Сравнительные данные пр имеющимся у нас подобным ГРТ приведены в таблице 6. Возбуждение ГРТ с большим активным объемом №19, 20, 21, 22 (таблица 1) осуществлялось с использованием коммутатора ТГИ1-2500/50, который не позволял работать на оптимальных ЧСИ (17-25 кГц} и обеспечивал большие дмшепыюста импульсов накачки и их фронтов. Поэтому использовалась схема со сжатием импульсов (рнсД). В остальных случаях возбуждение ГРТ производилось при оптимальных условиях накачки с прямой схемой (рис, 4) и тиратроном 11ИЬ 1000/25. Данные по ГРТ с независимым нагревом контейнеров с СиВг диаметром 2.6 см, длиной 70 см взяты та работы і 174].
Сопоставление выходных характеристик этих двух конструктивных исполнений ГРТ схожих габаритов, работающих на высоких ЧСИ показывают, что и в таких условиях работы саморазогревной лазер нисколько не уступает своему известному аналогу. Например, саморазогревная ГРТ №13 генерировала на частоте 250 кГц (см. п. 3.3), а ГРТ с независимым нагревом контейнеров №10, 11 излучали с максимальной частотой менее 200 кГц (см. п. 3.2). В данном случае стоит отметить. Что возбуждение последних ГРТ осуществлялось менее мощным коммутатором. Таким образом, из таблицы 6 видно, что саморазогревные активные элементы в энергетическом плане не уступают своим аналогам, обеспечивая при этом более стабильный режим работы. Что касается наработки отпаянных саморазогревных ГРТ, то имеющиеся на данный момент сведения показывают, что срок службы ГРТ с малым объемом достигает 1000 часов, а больших - сотен часов. Исследования ресурсных возможностей ГРТ показали, что использование ловушек отработанного рабочего вещества по обе стороны от электродов позволяет увеличить срок службы ГРТ за счет снижения степени загрязнения электродов и выходных окон. Наиболее эффективно проявили себя кольцевые ловушки в сравнении с ловушками в виде отростков, что и следовало ожидать, поскольку они создают холодную зону в большем объеме. Неплохую защиту выходных окон продемонстрировали кольца из пенокварца в конструкциях, показанных на рис. 2 б, в. Об эффективности работы ловушек и пенокварцевых колец можно было судить визуально по слою напыления отработанного рабочего вещества. Использование специального генератора НВг в таких ГРТ позволяет с большой точностью поддерживать максимальные выходные характеристики лазера в течение долгого времени подбором температуры нагревателя, а также менять концентрацию НВг в канале ГРТ в широких пределах в меньшую или большую сторону, что ранее не представлялось возможным при использовании генератора Н2. Все это отражается на сроке службы лазера в целом. Выводы Предложенная конструкция саморазогревного активного элемента ЛПБМ в сравнении с известными ранее технически проста и удобна в работе. По энергетическим характеристикам рассматриваемые ГРТ не уступают своим аналогам с независимым нагревом контейнеров с CuBr. Очень важно и то, что в саморазогревном исполнении автоматически поддерживается требуемая разность температур между рабочим каналом и контейнерами с CuBr и снимается задача электрической развязки между ними, поскольку нагреватели контейнеров отсутствуют. Этот факт отражается на сроке службы лазера. Дополнительное использование специального генератора НВг, оригинальность которого заключается в свойстве реверсивности НВг, делает их очень перспективными при решении прикладных задач. Все это в совокупности позволяет обеспечивать стабильную работу саморазогревного ЛПБМ в широком диапазоне рабочих ЧСИ и достигать практически значимых мощностей излучения на высоких для данного момента времени частотах - более 100 кГц.
В работе получены следующие основные результаты: 1. Экспериментально показано, что добавки НВг в активную среду CuBr лазера аналогичны действию Нг и значительно увеличивают его выходные характеристики, причем для достижения максимума генерации требуются большие концентрации Н2, чем НВг. 2. Максимум мощности излучения в CuBr+Ne+HBr лазере достигается при больших давлениях буферного газа Ne, чем в CuBr+-Ne+H2 лазере. Это способствует увеличению срока службы активного элемента лазера. 3. Установлены величины оптимальных добавок Н2, НВг в зависимости от различных условий накачки: При одинаковых условиях накачки оптимум давления вводимой добавки при высоких давлениях буферного газа ( 100 торр) меньше, чем при низких давлениях Ne (25 торр) вследствие повышения напряжения пробоя. Увеличение рабочего напряжения и давления добавки Н2 приводит к увеличению выходной мощности, значение которой приближается к мощности излучения при низких давлениях Ne. С увеличением мощности накачки требуется и большая величина оптимальной добавки активной примеси (Н2, НВг). Как правило, это сопровождается увеличением разрядного тока, поэтому повышается концентрация электронов, а также и ее предимпульсное значение. В этом случае для эффективной релаксации плазмы в послесвечении необходимо большее количество добавки. Эксперименты с трубками разного диаметра показали линейную зависимость величины вводимой добавки от диаметра ГРТ. Это вызвано тем, что в узких трубках наряду с объемным механизмом релаксации плазмы в межимпульсный период работает пристеночный, вследствие диффузии частиц к стенке ГРТ, а в трубках большего диаметра для ускорения процессов релаксации требуются большие добавки активных примесей. С увеличением частоты следования импульсов накачки также требуется большая добавка примеси. Межимпульсный интервал уменьшается и для ускорения процессов релаксации плазмы (в первую очередь по электронной компоненте) требуется увеличить величину добавки.
В тоже время, оптимальное давление рабочего вещества уменьшается с увеличением частоты следования, что может быть вызвано накоплением свободных атомов меди при сокращении межимпульсного интервала. 4. Использование в качестве коммутатора в схеме накачки CuBr+H2 лазера с малым объемом активной среды таситрона ТГУ1-5/12 позволило достичь частоты повторения импульсов генерации 300 кГц. 5. Применение более мощного коммутатора для накачки ГРТ среднего объема привело к реализации практически значимых мощностей излучения на частотах свыше 200 кГц. При максимально достигнутой частоте накачки 250 кГц в лазерной трубке диаметром 2.6 см мощность излучения составила 1.5 Вт. На частотах 200 и 100 кГц мощности были равны 3 и 10.5 Вт, соответственно. 6. Исследования частотных свойств CuBr лазера, проведенные в режиме сдвоенных, регулярно повторяющихся с частотой до 30 кГц, импульсов накачки, свидетельствуют о возможности достижения частот следования импульсов
