Введение к работе
'
Актуальность темы. Газовые лазеры на парах металлов с разрядом в полом катоде (РПК) занимают среди газоразрядных лазеров особое место. Прегде всего это связано с особыми свойстваки плазмы РПК - наличием группы высокоэнергетических электронов, существование которой в конечном счете приводит к эффективному возбуждении ионных уровней металла и обеспечивает в этом типе разряда: инверсии и генерации на большем числе переходов,чем в положительном столбе (ПС), большие, чем в ПС, коэффициенты усиления и выходную мощность на переходах, способных генерировать в том и другом типе разряда.
Интерес к лазерам с разрядом в полом катоде особенно возрос после того, как было показано, что они могут служить эффективными источниками многоцветного излучения, т.е. излучать одновременно на нескольких длинах волн. В частности, в лазере на парах кадмия генерация осуществлена на длинах волн, соответствующих трем основным цветам видимого спектра: синему, зеленому и красному. Получение трехцветной генерации повлекло за собой задачу оптимизации условий работы лазера на всех трех линиях одновременно и на каждой из них в отдельности, для решения которой необходимо детально рассмотреть физические процессы, приводящие к реализации инверсии населенностей на каїдом из трех переходов.
Стремление получить большую мощность, и повысить стабильность генерации привело к создании множества различных конструкций лазеров с РПК. Но до сих пор нет единого мнения о преимуществах той или другой из них, так как недостаточно изучены физические процессы, происходящие в плазме РПК, а также имеет место недостаток
- A -экспериментальных данных, необходимых для сравнения различных типов конструкций лазерных трубок.
^ Цель работы. Настоящая работа посвящена исследованию ионных лазеров на парах "металлов с РПК различных конфигураций,излучающих в видимом диапазоне длин волн. Она имеет своей целью изучить физические процессы в радиально и аксиально неоднородной плазме лазеров с полым катодом и на основе этих исследований выяснить преимущества и недостатки той или' другой конструкции РПК и использовать полученные результаты для оптимизации трехцветной генерации а также генерации на каждой линии в отдельности в лазере на парах кадмия.
Для достижения указанной цели были поставлены и ревени сле-дуюцие задачи :
1. а) на основе решения кинетического уравнения для разряда
в полом катоде в смеси инертный газ-пары металла с учетом зво-
лвции характера двиїения быстрых электронов,рассчитать локальные
и интегральные скорости возбуждения ионных линий металла, засе
ляемых перезарядкой и пеннинг-процессом, при различных разрядных
условиях;
б) используя рассчитанные интегральные скорости возбуж
дения линий, определить и теоретически обосновать оптимальные, по
давлениям компонентов разрядной смеси, условия накачки линий, за
селяемых тем и другим процессом;
в) используя радиальные профили скорости возбуждения ла
зерных линий этими реакциями, теоретически обосновать оптимальные
поперечные размеры лазерных трубок для получения генерации на
каждой из линий как в непрерывном.так и в импульсном режиме рабо
ты РПК.
2. а) С целью выяснения преимуществ и недостатков различных
конструкций РПК исследовать и сравнить в поперечной и продольно-
- 5 -поперечной конструкции такие локальные параметри плазми как: катодное падение напрязения, плотность тока, концентрации электронов и электронную температуру при различных разрядных условиях;
б) определить характер влияния локальних параметров плаз-ми на мощность непрерывной генерации линий 442 нм, 534/538 нм и 636 нм Cdll как в режиме раздельной, так и совместной генерации.
3. С учетом проведенных исследований выбрать наиболее под-ходящуи конструкцию РПК и обеспечить в ней оптимальные разрядные условия в смеси кадиий-гелий.
Научная новизна. В работе получены следующие новые результаты:
і. В результате решения кинетического уравнения для разряда с полым катодом в смеси буферный газ-пари металла и экспериментального исследования интенсивностей ионных линий металлов, сделан вывод о том, что:
а) возбуждение ионних линий металла, верхние уровни которых за
селяются перезарядкой и пеннинг-процессом, определяется бистрими
электронами, имевшими различный характер двизения, а именно: на
правленный пучок для первых и диффузионное облако для вторых.
б) различие по оптимальному для генерации давлению буферного газа
для переходов, заселяемых перезарядкой и пеннинг-процессом,в ион
них лазерах с РПК обуславливается именно различным характером
движения электронов, определяющих скорость того и другого процес
са.
2. Увеличение напряжения на трубке при переходе от непрерывного режима работы РПК к импульсному, слабо сказывается на форме радиального профиля интенсивности линий, возбуждаемых пеннинг-процессом^ отличие от перезарядочных линий. Поэтому равномерное по диаметру свечение пеннинговских линий и в импульсном
- б -
и в непрерывном режимах получается при сравнительно небольших диаметрах катода.
3. Появление в импульсном разряде с полым катодом вторич
ных высокоэнергетических электронов, образуищихся в результате
актов ионизации, обуславливает увеличение мощности и'КПД генера
ции на переходах, верхние' уровни которых, заселяится пеннинг-
процессоа.
-
На основе проделанных измерений и репгения уравнения баланса энергий для электронного газа в разряде с полым катодом выявлена связь электронной температуры с напряженностью аксиального электрического поля, -которое имеет место в отрицательном свечении РПК продольно-поперечной конфигурации.
-
На основе исследования локальных параметров плазмы РПК продольно-поперечной конфигурации и сравнения их с параметрами "чисто" поперечной обосновано преимущество "чисто" поперечной с точки зрения увеличения моцности трехцветной лазерной генерации.
Основные положения и результаты, пынисиыые на защиту.
І. Результаты экспериментального исследования радиальных профилей интенсивностей ионных линий кадмия и ртути в смеси гелий-пары металла в разряде с полым катодом, а также решение кинетического уравнения и рассчитанные на его основе локальные скорости возбуждения этих линий позволили установить, что:
а) возбуждение ионных линий металла, верхний уровень которых за
селяется перезарядкой, определяется в основном электронами, имею
щими узконаправленный характер движения, функция распределения
которых анизотропна;
б) возбуждение ионных линий металла, верхний уровень которых за
соляется пвннинг-процоссом - элоктронахи, имоощнии диффузионный
- 7 -характер движения, функция распределения которых близка к изотропной.
в) различие по оптимальному для генерации давлению буферного газа для переходов, заселяемых перезарядкой и пеннинг-процессом в ион-ных лазерах с полай катодом обуславливается именно различным характером движения электронов,определявших скорость того и другого процесса.
2. Анализ характера движения быстрых электронов и радиаль
ных профилей скорости возбуждения ионных линий металлов в импульс
ном РПК показывает, что:
а) появление в импульсном разряде с полым катодом вторичных вы-
сокознергетических электронов, образующихся в результате актов
ионизации, обуславливает увеличение мощности и КПД генерации на
переходах, верхние уровни которых заселяится пеннинг-процессом;
б) увеличение напряжения на трубке при переходе от непрерывного
режима работы к импульсному, в отличие от перезарядочных линий,
слабо сказывается на форме радиального профиля интенсивности ли
ний, заселяемых пеннинг-процессом. Поэтому равномерное по диамет
ру свечение пеннинговских линий и'в импульсном и в непрерывном
режимах получается при сравнительно .небольших диаметрах катода.
3. Преимущество лазерной трубки с РПК поперечной конструкции
перед продольно-поперечной обуславливается тем. что из-за неод
нородности плотности тока по длине катода, которое имеет место з
продольно-поперечной конструкции, в ней невозможно достижение оп
тимальной для генерации плотности тока на каждом участке полого ка
тода. Поэтому использование лазерной трубки с РПК поперечной кон
струкции позволяет в режиме раздельной генерации при оптимальных
для каждой линии разрядных условиях увеличить мощность и КПД
генерации по сравнении с продольно-поперечной примерно в І.6 и
І.З-1.5 раза для синей, зеленой и красной линий Cdll соответ-
ственно.а в режиме совместной генерации увеличить оптимальный для нее ток примерно в 1.5 раза и поднять тем самым мощность совмест-ного излучения на различных линиях.
Практическая значимость работы. Практическая значимость ра-' боты состоит в том, что:
1. Обосновано преимущество лазерных трубок с РПК поперечной
конфигурации перед продольно-поперечной.
2. Проведенные исследования позволили создать конструкцию
He-Cd лазера с РПК,- для которой мощность излучения в непрерывном
рехиме работы составила на линии 442 нм - 115 мВт,534/538 нм - 45
мВт и на 636 нм - 10 мВт, что находится в соответствии с послед
ними МИРОВЫМИ ДОСТИЇЄНИЯНИ.
Апробация работы. Резултаты диссертационной работы докладывались на Всесоюзном совещании "Инверсная заселенность и генерация на переходах в атомах и молекулах" (Томск, 138G г), Иегду-народной научной студ. конференции по физической оптике ( Санкт-Петербург, 1992г.), 1U Всесопзной конференции по физике газового разряда ( Махачкала, 1988 г.), Ill International Confereniion "Lasers and their applications" ( Plovdiv , Bulgaria, 1988 ), 11-ом Всесоюзном научно-техническом семинаре" Метрологическое обеспечение измерений частотных и спектральных характеристик излучения лазеров" (Харьков,1990 г.), Всесоюзном научном семинаре "НИЛС-92" (Волгоград, 1992 г.), Международной конференции "Оптика лазеров - 93" (Санкт-Петербург, 1993).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ.
Объем работы. Диссертационная работа изложена на 160 стра-
- 9 -пинах машинописного текста, иллюстрируется 47 рисунками, содертит 4 таилицы, состоит из введения, четырех глав, Прилоіеним, Заключения и списка литературы из 154 наименований.
