Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Лазеры на самоограниченных переходах 15
1.1. Энергетическая структура и основные процессы, определяющие параметры лазерной генерации 16
1.2. Конструктивные особенности активных элементов лазеров на парах металлов 23
Глава 2. Экспериментальная аппаратура и методика измерений 31
2.1. Схема питания лазера 31
2.2. Конструкция ГРТ и экспериментальная установка 36
Глава 3. Температурный режим лазера на парах меди и бромида меди 43
3.1. Формирование активной среды 43
3.2. Продольные тепловые неоднородности саморазогревных лазеров на парах меди и бромида меди . . 44
3.2.1. Лазер на парах меди 44
3.2.2. Экспериментальная установка 45
3.2.3. Экспериментальные результаты и их обсуждение 46
3.2.4. Лазер на бромиде меди 54
3.2.5. Экспериментальная установка 55
3.2.6. Результаты экспериментов и их обсуждение 57
3.3. Кинетика активной среды лазера на парах меди в условиях продольной температурной неоднородности 67
3.4. Заключение 82
Глава 4. Лазер на парах свинца с неустойчивым резонатором телескопического типа 83
4.1. Влияние параметров активной среды на процесс формирования излучения с малой расходимостью 83
4.1.1. Формирование излучения с дифракционной расходимостью неустойчивым резонатором телескопического типа 83
4.1.2. Влияние длительности импульса генерации на расходимость излучения лазера на парах меди с неустойчивым резонатором 86
4.2. Лазер на парах свинца , 95
4.2.1, Экспериментальная установка 98
4.2.2. Результаты эксперимента и оптимизация параметров активного элемента лазера 102
4.3 Заключение 106
Глава 5. Лазер на парах стронция, работающий на самоограниченных переходах 107
5.1. Особенности работы лазеров с узким рабочим интервалом температуры 107
5.1.1. Разделение функций формирования и поддержания рабочей температуры в активном объёме и возбуждения активного вещества 107
5.1.2. Применение теплоизолятора с нелинейной теплопроводностью 111
5.2, Лазер на парах стронция 112
5.3 Заключение 120
Заключение 122
Приложение 124
Литература 136
- Конструктивные особенности активных элементов лазеров на парах металлов
- Продольные тепловые неоднородности саморазогревных лазеров на парах меди и бромида меди
- Кинетика активной среды лазера на парах меди в условиях продольной температурной неоднородности
- Влияние длительности импульса генерации на расходимость излучения лазера на парах меди с неустойчивым резонатором
Введение к работе
К настоящему времени лазеры на парах металлов (ЛПМ) используются в таких областях науки, техники и народного хозяйства, как лазерное разделение изотопов, обработка материалов, зондирование атмосферы, медицина. Широкое применение ЛПМ накладывает всё более высокие требования на характеристики излучения, надёжность работы приборов и на срок их службы.
Характерной особенностью лазеров на парах металлов и на солях металлов является их работа при достаточно высоких температурах активной среды. Например, в лазере на парах меди внутренняя стенка газоразрядного канала имеет температуру 1500 С. При этом имеется определённый диапазон температур, в котором существует генерация, а также и оптимальная рабочая температура, при которой лазер имеет максимальный коэффициент полезного действия (КПД). Отклонение от оптимальной температуры активной среды приводит к снижению энергетических характеристик лазерного излучения. Температурный режим активного элемента непосредственно связан с такими параметрами, как максимальная мощность лазерного излучения, однородность излучения по диаметру пучка, расходимость излучения, энергосъём, и поэтому во многом определяет характеристики лазерного излучения. В силу этого проблема влияния температурных неоднородностей на характеристики излучения является актуальной.
Большинство имеющихся экспериментальных и теоретических работ по ЛПМ направлено на изучение явлений, связанных с процессами возбуждения рабочего вещества и буферного газа, а также с релаксацией плазмы после импульса возбуждения. Изучается однородность распределения таких параметров, как концентрации метастабильных и резонансных атомов, концентрация электронов, температура тяжёлых частиц в лазерах на парах металлов и их солях, которые играют важную роль в процессах формирования лазерного излучения. Однако опубликованные работы в основном связаны с изучением их радиальных распределений. Температура вдоль активного объёма, как правило, принимается однородной. В то же время, поскольку распределение потенциала элек- трического поля по рабочему объёму носит неоднородный характер, как в пространстве, так и во времени, обусловленная этим неоднородная диссипация энергии электрического разряда в газе формирует неоднородный температурный профиль вдоль рабочего объёма, который может достаточно существенно влиять на характеристики лазерного излучения. То есть, температурные режимы лазеров, выраженные в распределении температуры стенок вдоль активного объёма в лазерах на парах металлов, продольные температурные неоднородности и их влияние на характеристики лазерного излучения изучены явно недостаточно. Кроме того, есть ряд неизученных закономерностей во влиянии радиальных неоднородностей на параметры лазерного излучения.
Таким образом, проведение систематических исследований продольных температурных распределений; процессов, формирующих температурное поле рабочего объёма и выявление влияния температурных неоднородностей на параметры генерации, является актуальным.
Цель работы:
1) выявление распределения температуры вдоль активного объёма в лазерах на парах металлов в режиме саморазогрева; 2) выяснение роли продольной и радиальной диссипации энергии разряда в процессе формирования лазерного излучения; 3) изучение возможностей повышения таких характеристик выходного излучения, как средняя мощность генерации, энергосъём, уменьшение расходимости излучения, замедление процессов деградации выходных характеристик приборов.
Для достижения поставленной цели было необходимо: разработать и создать измерительные установки, позволяющие измерять параметры накачки ЛПМ, а также характеристики лазерного излучения (средняя и импульсная мощность генерации, форма и длительность импульса генерации); создать устройства для скоростной регистрации распределения температуры вдоль газоразрядного канала в лазерах на парах Си, Pb, CuBr, Sr; исследовать степень неоднородности распределения температуры по длине рабочего объёма, механизм формирования температурного поля в лазерах на парах металлов, созданию оптимальных условий для генерации; изучить механизмы формирования и снятия в условиях неоднородного радиального и продольного распределения температуры в лазерах на парах металлов; исследовать работу лазера на парах металлов на самоограниченных переходах, его энергетические характеристики и их поведение в зависимости от условий накачки и параметров активной среды в условиях температурной неоднородности.
Методы исследований: - метод математического моделирования для описания состояния активной среды в период прохождения импульса возбуждения; оригинальная методика описания состояния активной среды в различных её частях, основанная на изучении энергетический и спектральных характеристик лазерного излучения.
Основные положения, защищаемые в диссертации:
1. В активной среде саморазогревных лазеров импульсный разряд продольной конфигурации в смеси паров металлов Си, РЪ, CuBr, Sr с буферными газами Не и Ne формирует неоднородное распределение температуры вдоль разрядного канала (100 - 200 К), которая наиболее сильно выражена в приэлектродной об ласти со стороны катода при давлении буферного газа в диапазоне от 3 до
30 мм. рт. ст.
В активной среде лазера на парах бромида меди, в силу продольной неоднородной диссипации энергии разряда, вдоль газоразрядного промежутка соотношение мощностей генерации Р(Х.іУР(^2)на линиях ^і = 0.5105 мкм п%2 — 0.5782 мкм изменяется более чем в 4 раза, при этом в прилегающей к катоду области разрядного промежутка это соотношение минимально.
Степень радиальной неоднородности температурного поля активного объёма играет определяющую роль в эффективности формирования излучения с расхо- димостью, близкой к дифракционной, в лазере на парах свинца. Уменьшение степени радиальной неоднородности температуры (—30%) путём изменения вводимой в разряд мощности, а также рода и давления буферного газа позволяет увеличить долю мощности излучения с минимальной расходимостью (~ в 2 раза).
Достоверность результатов работы подтверждается: воспроизводимостью результатов экспериментов по выявлению генерационных характеристик излучения, непротиворечивостью с результатами работ других авторов по температурным неоднородностям [52, 95] и продолжает их на случай продольных неоднородностей в рабочем объёме. Результаты, образующие основу первого защищаемого положения, согласуются с результатами работ других авторов [82] и обобщают их на случай диссипации энергии разряда и формирования температурного поля активного объёма. Известное поведение линий генерации лазера на парах меди в работе предлагается использовать для характеристики состояния частей активного объёма, что укладывается в представления о физических процессах, протекающих в активной среде лазера, и в достаточной степени выявляет продольную неоднородность инверсии насе-лённостей. Кинетическая модель, непротиворечивым образом дававшая согласие между теоретическими и практическими результатами в однородной среде, в работе используется для описания микропараметров плазмы в условиях температурных неоднородностей. Правомерность использования кинетической модели доказывается результатами численного моделирования. Результаты работы по формированию излучения с малой расходимостью лазера на парах свинца, с учётом специфики, согласуются с работами других авторов [96], соответствием результатов с радиальной неоднородностью активной среды.
Научная новизна работы заключается в следующем: - впервые экспериментально исследовано продольное распределение температуры стенок разрядного канала, в результате которого установлена степень продольной неоднородности, вызванное неоднородной диссипацией энер- s гии разряда. Установлена область давлений буферного газа, в пределах которой возникают сильные температурные неоднородности в прикатоднои и в прианодной зонах рабочего канала; - впервые показано влияние параметров активной среды на формирование лазерного излучения с малой расходимостью в лазере на парах свинца; показаны возможности повышения характеристик лазерного излучения, основанные на увеличении однородности распределения паров рабочего вещества вдоль рабочего канала; на основе оптимизации температурного режима впервые достигнута средняя мощность генерации 5 Вт на парах стронция с Х = 6.456 мкм;
Научная ценность:
Результаты диссертационной работы позволяют понять физические процессы, проходящие в плазме продольного разряда при формировании активной лазерной среды. Проведён анализ возбуждения и снятия инверсии в условиях существования продольных температурных неоднородностей. Установлены условия их эффективного влияния на параметры генерации. Продолжая исследования по влиянию неоднородностей на характеристики излучения, проведённые другими авторами, материалы работы дополняют их, и служат основой для формирования более совершенных математических моделей лазеров, а также для создания теоретических моделей мультиэлементных лазеров (Си - Аи, Sr -СиВг). Результаты модельного рассмотрения физических процессов, происходящих в активной среде лазеров на самоограниченных переходах, работающих в режиме саморазогрева, позволяют более полно и более точно отображать процессы, происходящие в активной среде.
Практическая ценность работы заключается в следующем: - результаты экспериментальных исследований использованы при разработке малой серии лазеров на парах меди "Милан - 1", "Милан - 5", "Милан - 10", со средней мощностью генерации 1, 5, и 10 Вт, работающих на линиях генерации 0.5105 и 0.5782 мкм; разработан и изготовлен малогабаритный лазер на парах стронция, работающий на самоограниченных переходах с длиной волны излучения X = 6.456 мкм, используемый в приборе измерения влажности атмосферы на коротких трассах; впервые определён массовый коэффициент поглощения парами воды лазерно-го излучения с X = 6.456 мкм (1.32 см /г) для условий, реализуемых в атмосфере; разработанная конструкция электрода для лазера на парах металлов (А.С. № 784695) и используемая при изготовлении лазеров создаёт условия для длительной и надёжной эксплуатации активного элемента; разработан способ формирования температурного профиля по длине активного объёма лазера на парах стронция, защищенный авторским свидетельством № 2456636 и используемый при изготовлении малоинерционного измерителя влажности; разработан и изготовлен активный элемент на основе предложенного решения по авторскому свидетельству № 1426671 лазера на парах свинца; определены условия эффективного формирования излучения с расходимостью, близкой к дифракционной, для лазера на парах свинца.
Внедрение результатов: на базе отпаянных активных элементов лазеров на парах металлов созданы опытные образцы лазеров, нашедших применение в системах зондирования атмосферы, в навигации, в медицине. Результаты диссертации внедрены в НИИ онкологии Томского научного центра СО РАМН. Рекомендуется использовать материалы диссертации в Томском государственном университете, в Институте оптики атмосферы СО РАН, в Ростовском государственном университете, ГНПП «Исток». Использование результатов работы планируется в фирме «Pul- slight» (Болгария), в Вандербильтском университете (Нешвилл, штат Тенесси, США),
Материалы диссертации представлены на следующих конференциях:
5 Всесоюзный симпозиум по лазерному и акустическому зондированию атмосферы. Томск. ИОА. 1978. 5 Всесоюзный симпозиум по распространению лазерного излучения в атмосфере. Томск. ИОА. 1979. Научно - техническая конференция "Технология изготовления и тренировки отпаянных активных элементов лазеров на парах металлов. Рязань. 1980. Всесоюзное совещание "Инверсная заселённость и генерация на переходах атомов и молекул" Томск. 1986. Международные конференции " Импульсные лазеры на переходах в атомах и молекулах", Томск, 1995г, 1997г, 1999г, 2001г., 2003г. "5-th Russian-Chinese Symposium on Laser Physics and Laser Tecnology" (Томск, 2000). V Int.Conf. Atomic and molecular pulsed lasers, Tomsk, 10-14 September, 2001. Intern. Conf. on Lasers'2001, STS Press McLean, New Orleans. - 2002.
Публикация работы.
Основные результаты диссертации опубликованы в 38 печатных работах, в том числе 8 авторских свидетельств на изобретения.
Структура и объём работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Всего диссертация содержит 147 страниц текста, 8 таблиц, 38 рисунков и список литературы из 131 наименований.
Содержание работы
Во введении показана актуальность исследований роли тепловых процессов в лазерах на парах металлов и их солях, формирующих рабочий режим, а также определяющих параметры генерации и деградации активных элементов. Сформулирована цель работы, рассмотрена структура диссертации, представлена научная новизна, основные положения, выносимые на защиту, и практическая ценность работы.
11 В первой главе проведён обзор литературы. В п. 1.1 рассмотрены основные механизмы образования инверсии, а также обсуждаются различные процессы, сопровождающие процесс возбуждения рабочих уровней при возбуждении рабочей среды электрическим разрядом, условия, накладываемые на энергетические уровни, при выполнении которых формируется в активной среде инверсия населённостей. Обсуждаются процессы, связанные с температурой в активной среде» рассматриваются газовая температура (ТЁ), электронная температура (Те), температура стенки (Tw), их влияние как на процессы возбуждения активной среды, так и на процессы формирования лазерного излучения. Представлены модели, используемые для описания процессов, происходящих в плазме. Важным вопросом является влияние водорода на мощность генерации; он рассмотрен в связи с последними результатами, полученными в лазерах на бромиде меди. Физические явления, связанные с конструктивными особенностями активных элементов, рассматриваются в п. 1.2. Обращено внимание на экспериментальное и теоретическое изучение радиальной неоднородности параметров плазмы. Кроме того, тепловой режим во многом определяется согласованной работой всех элементов схемы питания. В конце п. 1.2. сформулированы вытекающие из обзора литературы задачи диссертационной работы.
В Главе 2 рассматриваются схемы питания лазеров на парах металлов, используемые в работе, их особенности работы в связи с требованиями к импульсу тока (п.2.1). В п.2.2 рассматривается конструкция ГРТ, её отдельные элементы, подготовка активного элемента к работе и аппаратура, позволяющая производить измерения параметров разряда и лазерного излучения.
Конструктивные особенности активных элементов лазеров на парах металлов
Первые активные элементы, в которых была получена генерация на самоограниченных переходах в лазерах на парах металлов в силу недостаточной проработки как отдельных узлов, так и конструкции в целом, имели низкие энергетические параметры и малую надёжность в работе. Необходимость работы при высоких температурах, а рабочая температура лазера на парах меди составляет порядка 1500 С, создаёт трудности при изготовлении рабочего объёма. Накладываются высокие требования на применяемые материалы, которые должны иметь низкое давление собственных паров, обладать высокой механической и электрической прочностью, обладать определёнными теплоизолирующими свойствами. В этих условиях необходимо осуществить подвод электрической энергии, а также создать условия для эффективного формирования и вывода излучения из рабочего объёма. В первых работах [44] разогрев и поддержание рабочей температуры осуществлялось с помощью печей. В совокупности с вышеизложенными причинами конструкция была достаточно сложной и трудно реализуемой для широкого экспериментального исследования. Исследование лазеров на парах металлов в полном объёме началось после того, как была предложена конструкция активного элемента лазера, работающего в са-моразогревном режиме [45, 46, 47]. Рабочая температура в активном объёме устанавливается за счёт тепла, выделяемого при разряде, за счёт диссипации энергии разряда- Величина температуры может регулироваться изменением средней мощности, вводимой в разряд. Использование энергии разряда одновременно для поддержания рабочей температуры и для возбуждения активного вещества усложняет исследование работы ГРТ, поскольку в этом случае изменение накачки одновременно приводит и к изменению температуры рабочей среды.
Однако простота конструкции и работа, для которой требуется только организовать разряд в рабочем объёме, инициировали широкие исследовательские работы. При работе в саморазогревном режиме обычно используют газоразрядные трубки с продольным разрядом и с внешним или внутренним теплоизоля-тором. При этом имеется в виду расположение теплоизолятора вне или внутри вакуумированного объёма. Как правило, рабочий канал выполнен из керамического материала — двуокиси алюминия или окиси бериллия в форме трубки, по концам которой располагаются электроды. Расположение теплоизоляции вне вакуумированного объёма предполагает наличие спаев керамика - металл — стекло [48, 49], поскольку вывод излучения из рабочего объёма производится через прозрачные окна. При этом роль вакуумной рубашки выполняет сама керамическая трубка. Выполнение таких спаев не всегда возможно в лабораторных условиях, скажем, в силу токсичности материалов, но и выполненные спаи, в силу величины возникающих перепадов температуры выдерживают ограниченное количество термоударов, возникающих при включении и выключении лазера. Поэтому, несмотря на то, что при такой конструкции создаются чистые условия при рабочих температурах, что немаловажно для того, чтобы происходила эффективная генерация, наиболее широко применяется конструкция ГРТ с внутренней теплоизоляцией. При таком выполнении активного элемента требуется тщательная предварительная подготовка материала теплоизолятора. Теп-лоизолятор должен обладать малым собственным давлением паров при рабочих температурах. По этому он проходит термическую обработку в вакууме. Теп-лоизолятор снижает температуру на своей внешней стенке до величины, при которой материал вакуумной рубашки надёжно выполняет свою функцию. Использование диссипации энергии разряда для создания и поддержания рабочей температуры упрощает конструкцию ГРТ. Однако одним из условий эффективной работы лазера является равномерное распределение температуры по рабочему объёму. В то же время сам способ создания и поддержания температурного режима заведомо создаёт как радиальную, так и продольную темпе ратурные неоднородности. Первые расчёты температуры газа на оси разрядной трубки в J ЦІМ проведены в [50]. Выражение для температуры газа на оси трубки в приближении равномерного распределения источника тепла, использованной в этой работе, записывается в виде: 4яАв где Тст — температура стенок разрядной трубки; Хв - теплопроводность буферного газа; b - коэффициент, учитывающий, что не вся вводимая мощность выделяется в виде тепла в объёме газа; ц - КПД генерации; Рн - средняя мощность, вводимая в разряд на единицу длины. Основными параметрами, определяющими распределение температуры газа по радиусу трубки и температуру газа на её оси, является теплопроводность газа и мощность накачки, вводимая на единицу длинны трубки.
С увеличением радиуса ГРТ температура газа на оси трубки может быть значительно выше, чем температура стенок, в силу чего тепловое заселение метастабильных уровней на оси трубки более высокое. Кроме того, из-за неоднородности Tg по диаметру трубки имеется градиент концентрации атомов металла. Расчётное значение температуры газа на оси трубки достигает [51] 4500 С. В силу такого поведения газовой температуры Tg имеется градиент концентрации атомов металла. Это, в свою очередь, вызывает сильную неоднородность в распределении яркости свечения разряда в разные моменты времени от начала импульса тока и в радиальном распределении интенсивности лазерной генерации [52-55]. Для эффективной работы лазеров на парах металлов требуется обеспечить плотность атомов порядка 2-10!5см при возможно меньшей температуре газовой смеси в разрядном канале. Вопрос теплового режима, формирующегося в лазере на парах меди, работающего в саморазогревном режиме, в значительной степени определяет эффективность работы прибора. Работы, проведённые в этом направлении, показывают важность проблемы [56, 57]. Действительно, возникает вопрос эффективности вложения мощности, отбираемой от выпрямителя, в разрядный объём. Несомненно, она зависит от используемой электрической схемы. В этом смысле наиболее
Продольные тепловые неоднородности саморазогревных лазеров на парах меди и бромида меди
Возбуждение рабочего вещества, создание инверсной среды, а также разогрев и поддержание рабочей температуры в лазерах на парах металлов производится с помощью разряда в газе. Разряд в газе осуществляется при высоких напряжениях (десятки киловольт), импульсные токи при этом достигают значений сотен ампер. Длительность разряда составляет несколько сотен наносекунд. После прохождения импульса тока среда начинает восстанавливаться. Проходят релаксационные процессы, от длительности которых зависит, на сколько полно произойдёт восстановление среды к началу следующего импульса возбуждения. Полного восстановления среды, характерного для моноимпульсного режима, в саморазогревном режиме работы лазера на парах металлов, не происходит. Во-первых, это вызвано необходимостью поддержания температуры, как рабочего вещества, так и рабочего объёма в заданном диапазоне. Во-вторых, это могут быть требования, накладываемые на уровень средней мощности генерации. Таким образом, в частотном режиме важную роль играют остаточные явления, которые накапливаются постепенно от импульса к импульсу и принимают определённое усреднённое установившееся значение, К их числу относится и температурное поле, сформированное и постоянно поддерживаемое каждым импульсом возбуждения. Существенное влияние на параметры генерации при этом имеет распределение газовой температуры (Tg), электронной температуры (Те) по рабочему объёму. К определяющим параметрам относится также и температура стенок рабочего объёма (Tw). Все эти параметры формируются разрядом, импульсом тока. При естественном требовании однородности этих параметров по рабочему объёму, сам способ формирования и поддержания их в рабочем диапазоне создаёт градиенты температур. Вид распределения температуры по рабочему объёму в первую очередь зависит от конструкции активного элемента. Как правило, используется керамическая трубка, по краям которой располагаются электроды. Для сохранения температуры керамическая трубка окружена теплоизолятором. Разряд происходит внутри трубки, образующей рабочий объём. В качестве вакуумной оболочки, как правило, используется кварцевая трубка, по краям которой располагаются окна для вывода излучения
Газовый разряд (установившийся ток) имеет определённую структуру, в которой выражены катодное падение потенциала, область отрицательного свечения, положительный столб, анодное падение потенциала. Диссипация энергии разряда при этом неоднородна. В условиях высоковольтного импульсного разряда распределение потенциала вдоль разрядного канала также носит неоднородный характер [82,83]. В соответствии с этим и диссипация энергии на разных участках рабочего канала будет носить неоднородный характер. Поскольку диссипация энергии разряда определяет температуру рабочего объёма, в том числе и температуру стенки разрядного канала, то её неоднородность может существенно влиять на характеристики плазмы, инверсной среды, а также на параметры генерации. В силу этого влияние продольной неоднородности на работу лазера на парах металлов на наш взгляд требует тщательной проработки [84].
Нами рассматривалась газоразрядная трубка, работающая в режиме саморазогрева [45]. Температурное поле в такой конструкции формируется за счёт диссипации энергии продольного разряда. Кроме того, поддержание рабочей температуры осуществляется с помощью теплоизолятора, которому присущи градиенты температур, определяемые как краевыми потерями, так и конструкцией самого теплоизолятора. Рассматривая тепловой режим работы лазера, важно определить параметры системы, отвечающие за распределение температуры в рабочем объёме, а также масштабы и условия их влияния с целью эф фективного регулирования процесса формирования температурного поля. Важность такой работы представляется актуальной не только с точки зрения увеличения эффективной работы лазера, но и с точки зрения увеличения срока службы активного элемента, так и прибора в целом.
Для определения распределения температуры (Tw) вдоль разрядного канала нами была изготовлена экспериментальная ГРТ (рис.2), вдоль рабочего канала которой расположены термопары 1. Для увеличения времени надёжной работы ГРТ и уменьшения влияния разряда на термопары была применена конструкция, в которой рабочее вещество 2 располагалось во вкладыше 3. Вкладыш вставлялся в несущую трубку 4, которую окружал теплоизолятор 5. В такой конструкции температура, измеряемая термопарами, расположенными вдоль несущей трубки, значительно ниже температуры, реализуемой в рабочем объёме, и сильно сглажена. Вместе с тем, качественная картина распределения температуры вдоль газоразрядного канала сохраняется. На измерения также влияет некоторая локальная неоднородность теплоизолятора в местах расположения термопар, но это влияние незначительно. Внутренний диаметр составлял 10 мм, длина вкладыша 500 мм. Расстояние между термопарами равнялось 110 мм с отступлением от краёв разрядного канала 30 мм. Применялись платина -платинородиевые термопары, позволяющие измерять температуру во всем рабочем диапазоне. Теплоизолятором являлся порошок Zr02. Вакуумная рубашка 6 изготавливалась из плавленого кварца. По краям вкладыша располагались электроды 7 из ниобия. Медь общим весом 2 г располагалась кусочками вдоль разрядного канала. Выходные окна 8 - плоскопараллельные пластины из обычного стекла.
Электрическая схема, показанная на рисунке 1а, типична для саморазо-гревных лазеров на парах металлов [45]. Она формирует прямой разряд рабочей ёмкости через ГРТ и коммутирующий элемент ТГИ1-1000/25. Источник питания работал в режиме: U = 3 кВ, I = 200 мА, f = 10 кГц. Мощность генерации измерялась калориметрическим измерителем мощности ИМО-2. Плоскопарал
Кинетика активной среды лазера на парах меди в условиях продольной температурной неоднородности
Для теоретического описания ЛПМ наиболее широко применяется четырехуровневая модель, учитывающая основное состояние атома меди, рабочие уровни, псевдо- и основное состояние иона меди. Кроме того, в модель включены четыре уровня буферного газа (неона). Псевдосостояние — усредненное состояние блока уровней, находящихся выше резонансного (рис. 14). Такой подход вполне допустим, особенно для периода импульса возбуждения. В этот период температура электронов достигает 5 эВ и более. Для атомов меди, как и для других атомов металлов, энергия связи блока уровней, находящихся выше резонансного, укладывается в указанный интервал, и этот блок можно считать одним уровнем, с которого происходит мгновенная ионизация электронным ударом. В основе расчета кинетики заселения рабочих уровней атома меди лежат следующие положения: 1. Функция распределения электронов по скоростям максвелловская; 2. Распределение атомов меди по энергиям, лежащим выше резонансного уровня, определяется формулой Саха; 3. Тонкой структурой рабочих уровней пренебрегается. Изучение спектральных характеристик генерационных линий меди Xi=510.6 нм и Х-2=578.2 нм показало, что и зеленая, и желтая линии имеют частотные компоненты, связанные с изотопическим составом и сверхтонкой структурой. Естественная медь, используемая в лазере, состоит из смеси двух изотопов, которые обладают сложной сверхтонкой структурой.
В численной модели лазера на парах меди эта структура не учитывается, так как усложнение кинетической модели не повышает точности результатов. 4. В уравнениях баланса частиц и энергий электронов учитываются: а) упругие и неупругие столкновения атомов меди с электронами, б) ступенчатое возбуждение и ионизация электронами атомов меди; РИС. 14. Схема энергетических уровней (модель) атома меди и неона в) амбиполярная диффузия и диффузия метастабильных состояний атомов меди; г) неупругие столкновения электронов с ионами меди и буферного газа; д) самопоглощение учитывается только на резонансном переходе; 5. Два резонансных уровня объединены в один резонансный уровень, два метастабильных уровня объединены в один метастабильный уровень В модели лазера вводится ряд допущений. Во-первых, ввиду малых скоростей реакций неупругих столкновений между тяжелыми частицами эти реакции не учитываются. Во-вторых, в уравнениях, описывающих модель лазера, члены, относящиеся к рекомбинации, ионизации Пеннинга, диффузии и релаксации неоднородностей не учитываются в период возбуждения, т.к. скорости этих реакций малы по сравнению со скоростями остальных реакций. Модель лазера на парах меди описывается системой дифференциальных уравнений. Здесь приняты следующие обозначения: ] &- плотность тока и напряженность электрического поля, определяемые из импульсов тока и напряжения плазмы; #( 32 ) - фактор, учитывающий контур линии генерации; Ne, Те . концентрация и температура электронов; Р - плотность энергии электромагнитного поля в активной среде; m,M g _ Масса электрона и атомного газа; ven - частота упругих столкновений электронов с атомами; Q - телесный угол, определяемый размером ГРТ;
Рассмотрим продольное неоднородное распределение температуры при условии pNe =Ъдторр (рис. 6), где максимальный перепад температур составляет почти 300С. Выберем 4 точки на кривой 4, которым соответствуют следующие значения температуры стенки Тст ГРТ: 1370С,1500оС,1550оС,І650С. Здесь учтено, что измерения Тст в [84] проводились с помощью термопар; разница в показаниях термопар и температуры, реализуемой внутри газоразрядного канала (измеренной с помощью пирометра), составляет 600С. Разница в температурах в разных точках вдоль ГРТ свидетельствует о различии энерговкладов. Мы считаем, что электрический ток остается постоянным вдоль трубки. В этом случае различие в энерговкладах будет определяться разной напряженностью поля, и, следовательно, разным напряжением в данных точках (напряжение на самой газоразрядной трубке - постоянно и равно 6 кВ из условий эксперимента в [84]). Для оценки разницы напряжений в различных точках ГРТ необходимо
Влияние длительности импульса генерации на расходимость излучения лазера на парах меди с неустойчивым резонатором
Теоретический анализ формирования пучка с дифракционной расходимостью [101,67] не учитывает целого ряда обстоятельств: зависимости коэффициента усиления от времени, насыщения инверсии, поперечной и продольной неоднородности инверсии и так далее. Поэтому изучение работы активного элемента совместно с неустойчивым резонатором представляет интерес в плане более глубокого понимания процессов формирования излучения с дифракционной расходимостью [ 102-104]. Действительно, наблюдаемые особенности генерации в целом соответствуют описанной выше качественной картине формирования излучения, В работе [104] показано, как меняется расходимость излучения в зависимости от вида резонатора. В отсутствие зеркал расходимость пучка практически совпадает с геометрической апертурой разрядного канала (50 мрад). Установка глухого зеркала (сферического или плоского) приводит к уменьшению расходимости до 20 мрад. Установка плоскопараллельного резонатора уменьшила расходимость до 3 мрад, а плоскосферического до 10 мрад. При использовании телескопического резонатора с коэффициентом увеличения М=200 формировался пучок расходимостью 0.08 ±0.02 мрад. Излучение с дифракционной расходимостью выделялось диафрагмой 0.8 мм и зеркалом с фокусом 7.5 м. Отмечается задержка импульса с расходимостью 0.08 мрад от фонового пучка на 8 - 10 нсек. Приведённый в статье график показывает резкое снижение доли излучения с малой расходимостью в суммарном пучке после определённого значения потребляемой мощности. Поскольку число проходов по резонатору играет важную роль в формировании излучения, нами было рассмотрено поведение расходимости пучка в зависимости от длительности импульса генерации [105,106].
Время формирования дифракционного пучка, как правило, сравнимо с длительностью импульса, поэтому значительная доля энергии излучается в телесные углы, существенно превышающие дифракционный предел. В то же время, длительность импульса генерации, зависящая от многих параметров, как активного объёма, так и электрической схемы возбуждения, существенно меняется при изменении частоты следования разрядных импульсов. Таким образом, изменение длины импульса генерации позволяет выявить как эффективность формирования излучения с малой расходимостью за время генерации, так и возможности улучшения характеристик лазерного луча. Для выяснения данного вопроса, была собрана экспериментальная установка, показанная на рисунке 19. Лазер на парах меди с неустойчивым резонатором 8-11 генерировал излучение на двух длинах волн 510.6 и 578.2 нм с частотой повторения 1.4 - 10.4 кГц. Пучок генерации проходил линзовый телескоп 4,6 (увеличение М = 1, фокусное расстояние 28 см) и с помощью поворотного зеркала 3 направлялся на (15) ФК-19, с помощью которого совместно с осцил лографом (14) С7 - 10Б фиксировалась форма импульса генерации. Диафрагма 5 с отверстием 250 мкм позволяла выделять из общего пучка часть излучения с дифракционной расходимостью. Калориметрический измеритель мощности ИМО - 2Н фиксировал проходящую мощность. После вывода диафрагмы из пучка измерялась суммарная мощность генерации, а так же и суммарный импульс генерации. Источник питания 12 обеспечивает импульсную подачу напряжения на ГРТ. С помощью шунта 13 и осциллографа снимались характеристики импульса тока, производящего возбуждение активной среды. Для рассмотрения поведения расходимости излучения лазера на парах меди, удобно рассматривать его в виде двух компонент: фоновое излучение, которое отсекается выбранной нами диафрагмой и обладающее высокой расходимостью, и компонентой с расходимостью, близкой к дифракционной. В эксперименте будем рассматривать частотное изменение содержания этих двух компонент.
Процентное содержание фона в пучке излучения в зависимости от частоты следования импульсов генерации приведено на рисунке 20. Измерения проводились по показаниям измерителя мощности 1 при установленной и выведенной диафрагме 5. Значения уровня фона усреднены по многим измерениям на каждой фиксированной частоте. При всех частотах следования импульсов выдерживался стационарный тепловой режим ГРТ за счёт выбора рабочей ёмкости источника питания, что обеспечивало постоянный энерговклад на различных частотах следования импульсов возбуждения. Как видно из рисунка 20, уменьшение частоты следования импульсов генерации от 10.4 до 1А кГц приводило к снижению процентного содержания фона от 47 до 16 %. На том же рисунке приведены осциллограммы импульсов генерации лазера на парах меди, полученные на осциллографе С7 - 10Б с фотоэлементом ФК - 19. На всех осциллограммах видна характерная пичковая структура с периодом, соответствующим времени обхода светом резонатора. С уменьшением частоты от 10 до 1.5 кГц длительность импульса генерации увеличивалась от 24 до 60 не, которое объясняется более глубокой релаксацией метастабильных состояний атомов меди и концентрации электронов. Следует отметить ещё одну причину увеличения длительности и энергии импульса генерации при уменьшении частоты следования. Если не принимать специальных мер, то при уменьшении частоты увеличивается энерговклад за один импульс возбуждения из-за особенностей схемы питания, в основном коммутатора, когда происходит перераспределение потребляемой энергии между коммутатором и активным элементом.
Длительность импульса генерации на жёлтой линии, X = 578.2 нм всегда была больше, чем на зелёной, X = 510.5 нм, и эффективность неустойчивого резонатора на жёлтой линии всегда была выше. Такая сильная зависимость мощности генерации от длительности импульса генерации свидетельствует о том, что в течение всего времени существования инверсии излучение находится в стадии формирования, а наблюдаемый импульс генерации представляет собой переходной процесс. Неустойчивый резонатор характеризуется высокими потерями, связанными с геометрическим выходом излучения. Величина этих потерь за два про-хода равна (1 - 1/М ) и не зависит от размера зеркал [98,99]. Высокие потери неустойчивого резонатора по сравнению с плоскопараллельным резонатором повышают порог генерации, и это выражается в том, что начало генерации с использованием неустойчивого резонатора требует создания более высокой инверсии. На рисунке 21 сравнивается работа ГРТ с плоскопараллельным и неустойчивым резонаторами. В эксперименте использовалась одна и та же ГРТ, менялся только резонатор. Работа производилась на частоте 15 кГц. При этом хорошо видно, что генерация с плоскопараллельным резонатором начинается при значительно более низких напряжениях, чем с неустойчивым резонатором. Но при этом необходимо отметить, что рост мощности генерации с неустойчивым резонатором более быстрый и достигает значений, показанных на рисунке 20.
