Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Обзор литературы 8
I.I. Импульсные лазеры на самоограниченных переходах атомов 8
1.2. Пути создания непрерывных лазеров на переходах с резонансных на метастабильные уровни атомов 12
Глава П. Кинетика активной среды непрерывных газоразрядных лазеров на самоограниченных переходах 20
2.1. Общие условия инверсии 20
2;.2. Система кинетических уравнений для заселенностей рабочих уровней 30
2.3. константы скоростей элементарных процессов 35
2.4. Температуры и концентрации электронов, необходимые для формирования стационарной инверсной заселенности 40
Заключение по главе П 66
Глава Ш. Коэффициенты усиления и энергетические характеристики непрерывных газоразрядных лазеров на самоограниченных переходах 68
3.1. Поперечный катофарез и его влияние на параметры генерации 68
3.2. Расчет коэффициентов усиления, мощности гене рации и КПД активной среды 73
3.3. Результаты расчетов 79
3.4. Выбор диаметров разрядных систем 99
3.5. Зависимости характеристик генерации на переходе атома бария от энергии электронов 100
Заключение по главе Ш 102
Глава ІУ. Экспериментальная установка 106
4.1. Способы генерации плазмы с высокими температурами электронов 106
4.2. Конструкции лазерных трубок 119
4.3. Схемы возбуждения и измерения электрических характеристик разряда 122
4.4. Оптические измерения 125
Глава У. Результаты экспериментов и их обсуждение 128
5.1. Лазер на парах кальция 128
5.2. Лазер на парах бария 135
Заключение по главе У 159
Основные результаты работы 161
Литература 164
Приложение 181
- Импульсные лазеры на самоограниченных переходах атомов
- Общие условия инверсии
- Поперечный катофарез и его влияние на параметры генерации
- Способы генерации плазмы с высокими температурами электронов
- Лазер на парах кальция
Введение к работе
В настоящее время существует достаточно широкий класс газоразрядных импульсных лазеров, работающих на переходах между резонансными и метастабильными уровнями атомов металлов (лазеры на самоограниченных переходах). Активная среда лазеров на самоогра-ниченных переходах, состоящая из паров металла и буферного газа, возбуждается короткими импульсами напряжения длительностью в несколько сот наносекунд. Инверсная заселенность формируется во время импульса возбуждения. Длительности импульсов генерации находятся в пределах от единиц до десятков наносекунд. Частоты следования импульсов составляют единицы герц - десятки килогерц и ограничены условием восстановления параметров активной среды к моменту прихода следующего импульса возбуждения.
Импульсная генерация на самоограниченных переходах получена в большом числе сред (пары свища, марганца, меди, золота, бария, таллия, висмута, кальция, стронция, европия и др.). В лазерах на самоограниченных переходах реализованы коэфсрциенты усиления, превышающие 100 дБ/м, Эти лазеры отличаются высокими средними
(до ста Вт) и удельными пиковыми (до единиц кВт/см ) мощностями генерации, а также достаточно высокими КПД ( ^ 1%).
Значительные успехи, достигнутые в разработке импульсных лазеров, определяют большой интерес и практическую важность задачи создания лазеров на самоограниченных переходах атомов непрерывного действия. К моменту начала данных исследований непрерывная генерация была получена лишь на переходах атомов Са и Sh- . Для поддержания стационарной инверсии в разряд добавлялся водород, играющий роль тушащей нижнее рабочее состояние примеси. При этом атомы металла вступали в необратимую химическую реакцию с водородом, что накладывало принципиальные ограничения на срок службы непрерывных лазеров такого типа.
Малое число рабочих сред, в которых наблюдалась непрерывная генерация на самоограниченных переходах атомов, и недостатки реализованного химического способа очистки нижнего рабочего уровня указывали на необходимость поисков новых путей создания непрерывных лазеров, работающих на переходах с резонансных на метаста-бильные уровни атомов.
В импульсных лазерах генерация происходит благодаря преимущественному заселению во время импульса возбуждения верхнего рабочего уровня электронным ударом. Для перехода от импульсного к непрерывному режиму генерации требуется обеспечить расселение нижнего рабочего уровня, которое также может достаточно эффективно осуществляться электронами. Анализ возможности существования стационарной инверсной заселенности в условиях, когда концентрации атомов металлов в резонансных и метастабильных состояниях определяются неупругими электрон-атомными столкновениями, и попытка реализации непрерывной (квазинепрерывной) генерации в таких условиях и составили предмет исследований настоящей работы.
На защиту выносятся следующие положения:
Кинетическая модель активной среды непрерывных газоразрядных лазеров на самоограняченных переходах атомов, работающих без добавки в разряд тушащих нижнее рабочее метастабильное состояние примесей.
Результаты расчетов температур и концентраций электронов, необходимых для поццержания .в газоразрядной плазме стационарной инверсии заселенностей резонансных и метастабильных уровней атомов Си, А(* , Col t Sr Ьсі Те Рв и Мп .
Результаты расчетов коэффициентов усиления, КПД активной среды и мощности непрерывной генерации на переходах с резонансных на ме тает аби льные уровни атомов Си-, An , Ox t Sir , Ьа,
те , ре и hn, .
4, Результаты экспериментов, в которых без добавки в разряд тушащих нижние рабочие состояния примесей получена и исследована квазинепрерывная генерация на самоограниченных переходах атомов кальция и бария.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и приложения. В первой главе приводятся параметры генерации, реализуемые в импульсных лазерах на самоограниченных переходах, и содержится обзор работ, посвященных исследованиям возможности превращения импульсных лазеров в лазеры непрерывного действия. Во второй главе рассмотрена кинетика образования инверсной заселенности резонансных и метастабильных уровней атомов в газовом разряде без добавки примеси, приводящей к селективному расселению метастабйльного уровня, и определены условия, при достижений которых формируется стационарная инверсия. Третья глава посвящена расчетам коэффициентов усиления, мощности генерации и КПД активной среды непрерывных газоразрядных лазеров на самоограниченных переходах. Из условия сохранения однородного распределения концентрации активных атомов в основном состояний в поперечном сечении разряда определены предельные давления буферного газа, поперечные размеры разрядных систем и предельные концентрации электронов в разряде. В четвертой главе анализируется возможность использования различных типов газового разряда для возбуждения активной среды непрерывных лазеров на самоограниченных переходах,и описаны«экспериментальная установка и методика измерений электрических характеристик разряда и параметров генерации. Пятая глава содержит результаты экспериментов, в которых наблюдалась квазинепрерывная генерация на самоограни-ченном переходе Pj_ - 1Х> атома кальция и была впервые получена квазинепрерывная генерация на аналогичном переходе атома бария. Сопоставлены расчетные характеристики генераций с полученными экспериментальными данными. В заключение в краткой форме сформулиро-
ваны основные результаты работы. В приложений приведены данные для расчета констант скоростей разрушения электронным ударом рабочих уровней атомов Си t All t Ссь , Sr t В a , T ,
Импульсные лазеры на самоограниченных переходах атомов
Впервые импульсная генерация была получена на переходе 6р% Р -бр 0% (длина волны Я = 0,7229 мкм) атома свинца в 1965 году [і] при возбуждении короткими импульсами напряжения смеси паров свинца и буферного газа гелия или неона при давлении Р 1 2 тор. Генерация наблюдалась во время нмпульса возбуждения и ее длительность X не превышала X 10 с. Уже в первой работе был реализован высокий коэффициент усиления 36 , превосходящий 20 дБ/м. В том же году группой Гулда [2] , изучавшей возможность реализации так называемого сголішовительного лазера, была получена импульсная генерация на переходах у ґ - CL D (линии генерации в зеленой области спектра) и z Р - & и (инфракрасные линии) атома марганца. Генерация появлялась при разогреве лазерной трубки до температуры 950С, которой соответствовало давление насыщенных паров марганца Р п 10 тор, В качестве буферного газа использовался гелий при давлении Р 1 2 тор. Длительность импульсов генерации составляла примерно 20 не. Наиболее мощной являлась зеленая линия генерации Я =0,5341 мкм, для которой коэффициент усиления достигал 37 дБ/м. В трубке диаметром I см и длиной I м была реализована пиковая мощность Wn -=300 Вт, что соответствовало удельной пиковой мощности Vlj 4 Вт/см . При частоте следования импульсов возбуждения = 360 Гц средняя мощность генерации составила WCp =2,1 мВт на зеленых линиях и Wcp =1,2 мВт на инфракрасных линиях. Той же группой в 1966 году была впервые получена генерация на переходах 3d Чр -Зо( Н 2]) атома меди [3]. На переходе зс/1 Чр РЪю 3d Hs uyg (зеленая линия генерации Я = 0,5105 мкм) коэффициент усиления достигал 58 дБ/м, а пиковая мощность генерации -W = 1,2 кВт (удельная пиковая мощность Wn & 20 Вт/см ). Коэффициент преобразования энергии, вкладываемой в разряд от накопительной емкости, составлял 0,1$.
Общие условия инверсии
Рассматривается открытая трехуровневая модель активной среды рис, 2.1). Индексами 0,1 и 2 на рис. 2.1 обозначены, соответственно, основное, метастабильное и резонансное состояния.
Условие на температуру электронов
Пусть условия таковы, что заселенности резонансного К1й и метастабильного п± уровней определяются только возбуждением электронным ударом из основного состояния и разрушением в неупругих столкновениях с электронами, приводящих к возбуждению выше лежащих уровней и прямой ионизации. Тогда величина инверсии АҐІ будет определяться соотношением в основном состояний; Коп - константа скорости возбуждения электронным ударом уровня Я « Константа К п включает сумму скоростей возбуждения выше лежащих состояний - Кпт и скорость пря мой ионизации Kn-L :
К = Z К + К 2 2
Из (2.1) следует условие инверсной населенности
Известно, что сечения возбуждения электронным ударом резонансных уровней много больше сечений возбуждения метастабйльных, поэтому при температуре электронов порядка величины Те Е%-Е± , где Е и Е± - энергий возбуждения резонансного й метастабильного уровней, отношение K02/K0i Д0ЛЖЙ0 существенно превышать единицу. В то же время, константы скоростей К и К±п примерно равны, т.к. определяются сечениями возбуждения по примерно равному числу разрешенных переходов. С ростом температуры электронов отношение K0 //(oi растет, а величина К / л падает. Таким образом, для переходов между резонансными и метастабильнымй уровнями, с некоторой пороговой температуры электронов 1е , разность АУІ = їі -{о /а й,в (2.1) может быть положительной величиной.
Поперечный катофарез и его влияние на параметры генерации
При низких давлениях в разряде, необходимых для получения высокой температуры электронов, ионизованные в объеме атомы ре-комбинируют в пристеночных областях и затем в результате теплового движения снова поступают в приосевые зоны разряда. Распределение атомов по сечению при этом характеризуется провалом на оси [101, 102], величина которого определяется тепловыми скоростями атомов и скоростью ионизации, зависящей от температуры и концентраций электронов.
Как следует из результатов расчетов, представленных во втором параграфе главы, коэффициенты усиления и мощности генерации при заданной температуре и концентрации электронов сильно зависят от концентрации атомов в основном состоянии /г0 , быстро падая с уменьшением П0 . Поэтому, в условиях, когда возникают значительные неоднородности в распределении П0(ъ) , может происходить резкое ухудшение выходных характеристик лазера, вплоть до полного срыва генерации. Таким образом, кроме условия на температуру и концентрацию электронов, возникает дополнительное требование, связанное с необходимостью поддержания достаточно однородного распределения концентрации атомов в основном состоянии по сечению разрядной трубки. Предельно допустимой считалась неоднородность, при которой концентрация атомов в прйосевой области разрядного объема в е раз меньше концентрации на стенке. При этом характерное время ионизации примерно равно времени, за которое атомы достигают осевой зоны.
Способы генерации плазмы с высокими температурами электронов
Положительным столбом (ПС) называют [lOl] часть разряда, заполняющую все пространство между приэлектродными областями разрядного промежутка, на параметры которой не оказывают влияние краевые эффекты, связанные с электродами.
В ПС низкого давления Р температура электронов Те устанавливается на уровне, при котором скорость рождения заряженных час-твц равна скорости их ухода на стенки, ограничивающие разрядную область. В диапазоне давлений, когда длина свободного пробега иона ц. много меньше радиуса разрядной трубки JR , 7 следующим образом связана с внешними параметрами (см., например, [III] ):
Здесь: fK L - подвижность ионов ( H L 1/Yl0 ), в0 - заряд электрона. Выражение (4.1) получено в предположении нулевых граничных условий для концентрации заряженных частиц и 71» 7 , где \ - температура ионов. Из (4.1) следует: Кі/Те і/(Я0Н) . При 7 , непревышающих значительно энергию ионизации, величина Кі/7"е есть возрастающая функция температуры электронов, поэтому 71 растет с уменьшением давления и диаметра разрядной трубки. В условиях 6i»R t когда скорость ухода заряженных частиц в пристеночные области,где происходит их рекомбинация, максимальна, связь 7 с Я0 и R несколько иная [iOl] где m-L - масса иона. Однако и здесь Те растет с уменьшением произведения KloR
Из (4.1), (4.2) видно, что 7 не зависит от концентрации электронов. Это справедливо при умеренных токах. При больших плотностях тока в разряде, когда отношение Пе/К10 на оси разрядной трубки близко к единице, концентрация атомов в разряде быстро падает с возрастанием Пе [102], в результате чего появ - 108 ляется зависимость Ге от К1е , а следовательно - и от разрядного тока.
В разрядах в ЧИСТЫХ инертных газах температура электронов может достигать ВЫСОКИХ значений. Так, например, в гелии при PR ІСГ1 тор»см температура электронов составляет Те 8 эВ
[Ю1]. Введение паров металлов в разряд существенно снижает Те. В работе [112] измерена зависимость Те от давления паров кадмия в разряде Не - С а лазера. Увеличение давления паров Col с R, =10 тор до РСс( =10"" тор приводило к падению температуры электронов с 5-6 эВ до 1-1,5 эВ, В разрядах в чистых парах металлов значения Те даже при низких давлениях сравнительно невысоки. Например, при давлении паров ртути Р„ =1,2 10 тор в разряд-ной трубке дише гром 2,8 см и токах 0,2 А и 0,8 А 7е не превышают, соответственно, 2,1 эВ и 2,4 эВ [ИЗ] .
Измерения функций распределения электронов по энергиям в ПС в парах р1у1й в «рока, диапазоне разрядных .оков при Р юАор показывают, что ФРЭЭ для энергий до 4 эВ близка к максвелловской [114] . Однако число жлекгронов с более высокими энергиями может быть меньше, чем соответствующее число в максвелловском распределений [ІОІ] .
Лазер на парах кальция
В экспериментах с лазером на парах кальция использовалась разрядная система,конструкция которой показана на рис. 4.1 а. Разряд возбуждался в керамической трубке диаметром 0,3 см и длиной 13 см. Схема возбуждения приведена на рис. 4.2 а. В качестве выходного зеркала применялась германиевая пластинка с коэффициентом отражения 50% и коэффициентом пропускания 16$.
Давление буферного газа гелия варьировалось от 10 тор до 70 тор. Для ограничения тока использовались балластные резисторы с сопротивлением до 100 кОм. Квазинепрерывная генерация была зарегистрирована на линии Я =5,544 - 0,003 мкм(перехоц чрPt-3ol 1) при давлений гелия РНе & 5 тор. Мощность генерации составляла величину порядка I мВт. Давлению РНе =5 тор соответствует PR =11,25 тор.мм . Расчет из условия обеспечения однородного распределения атомов кальция по сечению разрядной трубки при температуре Те =2 эВ и концентрации электронов К1е=3 Ю см""3 дает значение PR =4,5 гор.мм (Глава Ш, 3.1). Превышение эксперимента над расчетом может указывать на то, что реализуемые в разряде температуры и концентрации электронов ниже значений Т и К1е , заложенных в расчете. Длительность импульсов генерации определялась длительностью импульсов тока и составляла.
На рис. 5.1 приведена типичная осциллограмма импульсов генерации и тока разряда, полученная в условиях: емкость накопительного конденсатора Сн=0,1мкФ, балластное сопротивление R IOOKOM, давление гелия РНе =2 тор, температура нагревателя Т=770С. Генерация наблюдалась в некотором интервале разрядного тока от Im[n Д I max Ток Imax уменьшался с увеличением давления.
