Введение к работе
Актуальность работы
Одним из наиболее важных направлений современной квантовой электроники, имеющим большое значение для развития лазерной технологии, методов разделения изотопов и стимулирования химических реакций, для медицины, локации, связи, ЛУТС и многих других важных приложений, является разработка и создание газовых лазеров высокого давления. Среди большого количества таких лазеров можно выделить ограниченный набор лазерных систем, резко выделяющихся своими высокими энергетическими характеристиками - наиболее важным параметром для целого ряда практических приложений. К этим лазерным системам относятся электроразрядные С02 - лазеры (с несамостоятельным [1,2] и самостоятельным [3] разрядом), являющиеся основой современной лазерной технологии, газодинамические С02 -лазеры, позволяющие получать мощности на уровне нескольких сотен киловатт [4], электроионизационные СО -лазеры с КПД до 40 % [5], ультрафиолетовые эксимерные лазеры с удельным энергосъемом до 40 Дж/л при КПД~ 10 % [6], йодный лазер с фотодиссоционной накачкой, позволяющей возбуждать огромные объемы и обеспечивающей рекордные энергии в импульсе излучения [7] и, наконец, химические лазеры, дающие возможность на каждый джоуль электрической энергии получать ~ 10 джоулей лазерного излучения [8].
В то же время следует сказать, что обладая набором столь привлекательных свойств, каждая из перечисленных лазерных систем в отдельности не свободна от тех или иных недостатков. Среди этих недостатков следует упомянуть высокую агрессивность или токсичность компонентов лазерных смесей или продуктов химических реакций (химические, йодные, эксимерные и СО —лазеры), большие трудности принципиального характера при создании лазеров замкнутого цикла (газодинамические и химические лазеры), деградация рабочей смеси в лазерах с замкнутым циклом (эксимерные, С02 — и СО -лазеры), необходимость использования криогенной техники (СО —лазеры), невысокая спектральная плотность излучения (СО - лазеры). Кроме того, обладая достаточно разнообразным набором длин волн в широком спектральном диапазоне от УФ до средней ИК области спектра, эти лазеры не перекрывают конечно же весь этот диапазон полностью. Таким образом представляется весьма актуальным поиск мощных лазерных систем, свободных от указанных недостатков и расширяющих диапазон генерируемых линий большой мощности.
К перспективным кандидатам на роль таких лазеров можно отнести лазеры на атомных переходах инертных газов видимой и ближней ИК областей спектра. Вообще говоря, лазеры этого типа составляют в настоящее время один из наиболее изученных классов лазерных систем. Напомним, что именно к ним относится первый газовый лазер на смеси гелия с неоном, созданный в 1961 году Джаваном, Беннетом и Эрриотом [9], который и сейчас является наиболее известным и широко распространенным представителем данного класса. Дальнейшие исследования 60-х годов привели к созданию многих других лазеров низкого давления с накачкой тлеющим разрядом на нескольких сотнях переходов атомов неона, аргона, криптона и ксенона в видимой и ИК областях спектра [10]. Несмотря на низкий КПД (~10'5) и весьма невысокие энергетические характеристики, широкий диапазон длин волн генерации, полная химическая инертность активной среды и ее высокая стабильность при длительной работе обеспечивают этим лазерам самое широкое применение в различных областях науки, техники и медицины. Позднее значительно более высокие энергетические характеристики были реализованы в лазерах на инертных газах с давлением активной среды до атмосферы и выше. После открытия этих лазеров в начале 70-х годов [11,12] в течение нескольких лет был получен ряд важных результатов при использовании электроразрядного метода возбуждения. Энергия генерации была доведена с долей миллиджоуля в первых публикациях до нескольких десятков миллиджоулей [13, 14], а КПД с 10"2% до ~ 1 % [15, 16]. Был реализован импульсно - периодический режим работы с частотой следования импульсов до 10 кГц [17, 18] и средней мощностью излучения до ~ 10 Вт [19 - 21]. Отмечались такие важные свойства лазеров на инертных газах, как удачный набор длин волн генерации ближнего ИК диапазона, лежащий в области прозрачности кварцевого стекла, нетоксичность лазерных смесей и их способность работать в замкнутом цикле без заметной деградации в течение весьма длительных отрезков времени [17].
Несмотря на обилие полученных данных результаты, опубликованные к началу настоящей работы в 1981 году, показывали необходимость дальнейших исследований, поскольку широкое использование лазеров на инертных газах высокого давления в качестве мощных лазерных систем ограничивалось невысокими, все-таки, удельными (до 0,75 Дж/л [22]) и абсолютными (до 0,2 Дж [16]) энергетическими характеристиками, а также отсутствием надежных методов организации устойчивого разряда при накачке значительных объемов инертных газов. В то же время, обнаруженная в работе [16] принципиальная возможность реализации в лазерах на ксеноне с аргоном в качестве буферного газа КПД на уровне до 20 % при накачке лазерных переходов из высоколежащих метастабильных состояний ксенона и продемонстрированная
в работах [23,24] возможность накачки лазерных переходов потоками заряженных частиц, позволяли надеяться на успешную реализацию новых эффективных методов накачки значительных объемов инертных газов и на качественное увеличение энергетических параметров обсуждаемых лазерных систем.
Цель работы
Цель настоящей работы заключалась в создании электроннопучковых и электроионизационных лазеров (лазеров с электронным возбуждением) высокого давления на атомных переходах инертных газов видимой и ближней ИК областей спектра с высокими энергетическими параметрами выходного излучения.
Научная новизна и ценность работы
В рамках поставленной задачи в данной работе проведено детальное систематическое исследование лазеров с электроннопучковой и электроионизационной накачкой на атомных переходах ксенона, криптона, аргона и неона, стимулировавшее подобные исследования у нас в стране и за рубежом и выведшее, в конечном итоге, этот, прежде достаточно скромный класс лазеров на уровень наиболее мощных из известных лазерных систем. При этом был получен ряд новых и важных научных результатов.
Так, впервые осуществлена эффективная квазинепрерывная накачка лазерных переходов атомов инертных газов электроионизационным разрядом большой длительности. Решение этой задачи оказалось возможным благодаря предложенному и экспериментально реализованному в данной работе новому подходу к известному ранее [16] методу накачки лазеров высокого давления на атомных переходах ксенона электрическим разрядом из возбужденных состояний рабочего газа. Новизна предлагаемого подхода заключается в использовании внешнего источника ионизации для наработки и поддержания необходимой концентрации возбужденных атомов в активной среде лазера в течение всего импульса накачки. Это дает возможность осуществить объемный сильноточный электроионизационный разряд, сохраняющий устойчивость в течение по крайней мере нескольких микросекунд. Такой разряд позволяет увеличить более чем на порядок значения энерговклада и реализовать накачку лазерных переходов атома ксенона в Аг — Хе смеси с физическим КПД более чем 5 %. Методом абсорбционной спектроскопии получено прямое экспериментальное подтверждение самой, выдвинутой в [16] гипотезы о накачке лазерных переходов ксенона не из основного, а из возбужденных состояний рабочего газа, наработанных в нашем случае под действием пучка быстрых электронов.
Экспериментально показано, что при электроионизационном возбуждении активной среды Аг - Хе лазера в плазме электроионизационного разряда существует эффективный механизм размножения электронов за счет ионизации возбужденных атомов активной среды электронами проводимости. Этот механизм обеспечивает высокую проводимость активной среды и высокую скорость рекомбинационного потока на верхние лазерные уровни атомов рабочего газа. При этом обнаружен эффект саморегулирования параметра Е / р на разрядном промежутке, обеспечивающий необходимую устойчивость электроионизационного разряда. Показано также, что при возбуждении смесей инертных газов, в частности активной среды лазера на Аг - Хе, в плазме электроионизационного разряда существует механизм увеличения времени жизни совокупности ионизованных и возбужденных состояний атомов рабочего газа, обеспечивающий эффективную работу лазера в условиях низкой интенсивности внешней ионизации и открывающий перспективу создания лазеров с высокой средней мощностью излучения.
При систематическом исследовании энергетических возможностей элек-троннопучкового и электроионизационного методов возбуждения для лазеров на атомных переходах инертных газов впервые запущены электроннопучко-вые лазеры ближней ИК области спектра на переходах атомов аргона и криптона и электроионизационный лазер на ИК переходах аргона. Для лазеров, известных и до проведения настоящей работы, впервые в активной среде высокого давления получена генерация на переходе 5d[5/2]| - 6р[5/2]3 атома ксенона с длиной волны излучения X = 2,84 мкм, а в лазере на неоне получена генерация на двух неизвестных ранее (в том числе и в активных средах низкого давления) видимых лазерных переходах Зр[1/2]! - 3s[3/2J2 и 3p[l/2]j -3s[312] с длинами волн X. = 703 и 725 нм соответственно. Показано, что в лазерах с электроннопучковым возбуждением возможно существенное увеличение энергии генерации на ряде спектральных линий за счет использования двухкомпонентных буферных смесей.
Впервые для лазеров высокого давления на атомных переходах инертных газов проведено исследование динамики усиления слабого сигнала на отдельных спектральных линиях по классической усилительной методике и прямое измерение методом абсорбционного зондирования временного хода наведенного (горячего) поглощения в спектральных диапазонах, соответствующих линиям генерации видимого диапазона длин волн. Проведенные эксперименты позволили составить представление о процессах конкуренции на лазерных переходах, имеющих общие верхние, либо нижние лазерные уровни и выявить основные закономерности динамики развития генерации на отдельных спек-
тральных составляющих, систематическое экспериментальное исследование которой для данного класса лазеров на всех известных лазерных переходах и в широком диапазоне экспериментальных условий проведено в рамках данной работы также впервые.
Методом абсорбционного зондирования проведено также измерение констант скоростей 34-х плазмохимических реакций, причем для некоторых реакций, играющих весьма важную роль в процессах расселения нижних уровней лазерных переходов и формирования инверсии населенности в лазерах на ксеноне и неоне, такие измерения проведены впервые.
Практическая ценность работы
Проведенное в работе систематическое исследование энергетических и спектральных характеристик лазеров с электроннопучковым возбуждением на электронных переходах атомов ксенона, криптона, аргона и неона ближней ИК и видимой областей спектра позволило для всех этих лазеров достигнуть рекордных на момент их получения энергетических характеристик выходного излучения при расходимости на уровне дифракционного предела. На основе имеющих и самостоятельную практическую ценность результатов по исследованию динамики усиления и генерации на отдельных спектральных составляющих проведены оценки величин ударного уширения лазерных переходов в Аг-Хе смеси. Ценность относительно простых экспериментов с электронно-пучковой накачкой определяется также тем, что их результаты могут быть с успехом использованы для анализа процессов в существенно более трудоемких экспериментах с ядерной и электроионизационной накачкой.
Исследование электроионизационного способа возбуждения показало большую практическую значимость предложенного в работе нового подхода к накачке из возбужденных состояний атомов рабочего газа применительно к наиболее эффективному из рассматриваемого класса лазеров - лазеру на смеси Аг-Хе. Осуществление в большом объеме (10 л) несамостоятельного разряда, управляемого электронным пучком большой длительности (~ 5 мкс), позволило более чем на порядок увеличить значение удельных (до 8 Дж/л) и более чем на два порядка абсолютных (до 80 Дж) энергетических характеристик электроразрядных лазеров на инертных газах и довести при этом эффективность преобразование запасенной в конденсаторной батарее электрической энергии в лазерное излучение до 3,2 %. При энергосъемах, близких к максимальным, достигнута расходимость излучения на уровне 3-Ю"5 рад.
Проведение в работе измерений констант скоростей плазмохимических реакций имеет фундаментальное значение. Для целей диссертации их ценность определяется также тем, что полученные впервые или уточненные значения этих констант необходимы для построения уточненных кинетических
моделей лазеров на атомных переходах инертных газов. Кроме того они могут оказаться полезными при анализе кинетических процессов в активных средах эксимерных лазеров различных модификаций.
Основная же ценность настоящей работы с практической точки зрения заключается в том, что анализ полученных в ней результатов позволяет получить физическое обоснование и сформулировать условия реализации и принципы построения мощных импульсно — периодических электроионизационных лазеров для приложений. Так в работе показана принципиальная возможность создания импульсно — периодических электроионизационных лазеров высокого давления на смеси Ar-Хе с длиной волны излучения X = 1,73 мкм, объемом активной области Юл, удельным энергосъемом 0,5-1,0кВт/л и КПД на уровне 2,0 — 3,2 %. Показано также, что в случае использования традиционных импульсно - периодических электроионизационных лазерных установок атмосферного давления можно рассчитывать на получение средней удельной мощности генерации ~ 200 Вт/л при условии обеспечения высокой степени чистоты газодинамического контура и применения импульсно - периодической системы коммутации конденсаторной батареи питания разряда. Среди перспективных практических приложений следует отметить возможность использования лазера с длиной волны А. = 1,73 мкм, совпадающей с одним из окон прозрачности земной атмосферы, в системах локации и связи. Упомянем также, что осуществленный в настоящей работе устойчивый несамостоятельный объемный разряд в инертных газах высокого давления с длительностью импульса в несколько микросекунд и разрядным током до 100 кА может быть применен в высоковольтных малоиндуктивных коммутаторах, предназначенных для использования в быстрых и сильноточных разрядных цепях.
Созданная в рамках настоящей работы экспериментальная электроионизационная лазерная установка с нагревным катодом электронной пушки по совокупности параметров отвечает современному уровню достижений в данной области лазерной техники и может быть использована в качестве основы для построения импульсно - периодических Аг - Хе лазеров. Некоторые узлы установки являются оригинальными техническими разработками, составившими предмет самостоятельных исследований.
Апробация работы и публикации
Материалы, вошедшие в диссертацию, доложены на 13-й Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Минск, 1988), Международной конференции "Оптика лазеров '93" (С.-Петербург, 1993), 26-м Международном коллоквиуме по спектроскопии (София, 1989), 21-й Европейской
конференции по взаимодействию лазерного излучения с веществом (Варшава, 1991) 12-й Всесоюзной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Москва, 1985), 6-й Всесоюзной конференции "Оптика лазеров" (Ленинград, 1990), Всесоюзном семинаре "Процессы ионизации с участием возбужденных атомов" (Ленинград, 1988), и опубликованы в работах [25 - 79].
Объем работы
Диссертация состоит из Введения, семи Глав, Приложения и Заключения. Общий объем диссертации - 265 страница текста, включая 155 рисунков и 21 таблицу. Список литературы содержит 343 наименования.
