Введение к работе
:,-,0.-] ,
Диссертационная работа посвящена исследованию, создании а развитию эффективных импульсно-периодических лазеров на парах меди, излучающих в водимой области споктра. В качество работах, на которых осуществляется генерация, вио'ранн пераходн с перглх резонансных на метастабкльные уровни эноргпп в атоме.Этот гнбор обусловлен возможностью получения генерации с еыоокегл прздаяі ним квантовым КГЩ, так как используются переходы на относетзль-но ігазко расположенный метастабилъный уровень. Практический КПД и мощность генерации также могут бить большими, так ка-, значительная часть энергии, вводимой в плазму разряда, козэт бшъ "перехвачена" резонансным уровнем.
Импульсный лазер на парах моди является типичнші представителем этого класса лазеров и он в настоящее время получил бо-..тыпое распространение для решения многих научяюс и прикладшп задач. В диссертации на примере этого лазера рассмотрен широкий круг вопросов, связанных с импульсными лазерами на парах ыетал-лов, и касащихся исследований характеристик генерации и условий возбуждения, физических механизмов и процессов в плазмо разряда, определяющих параметры генерал;:. Решается такзо вопрос о доведении расходимости генерируемого излучения до. дифракционного предала. Создана новая экспериментальная техника для физических исследований, на базе которой впервые в мирово.' практике выпущены промышленные лазеры на парах меди.
Актуальность проольмы
Эффективность лучших непрерывных газоразрядных лазеров в видимой области спектра не превышает 0,1. Эю ограничивает перспективы многих их применений. Для решения ряда задач необходимы импульсные лазеры с высокой частотой повторения импульсов и большими средними и пиковыми к.цностями. Импульсная гена-рация на переходах с резонансного на метастабильный уровень в ? томах метал;: о в (например in атомах меди, бария, таллия, свинга и т.д.!1, полученная я 1965-66 г.г., обещала эффективность
- 4 -большую, чем у непрерывных лазеров, но практической реализации таких лазеров осуществлено но бшю.
Поэтому на этапе создания и разработки лазеров на парах металлов актуальними являются задачи по изучению характеристик генерации эффективных лазеров в зависимости от условий возбуждения; по выяснении возможностей повышения параметров лазеров; по поиску путей оптимизации этих лазеров. Актуальна также разработка и создание новой экспериментальной техники на осново идей, существенно упрощающих работу с високотемпературними газоразрядными трубками(ГРТ) лазеров на парах метамов. Такой, в частности, была предложенная нагл: идея саморазогрева ГРТ в качество способа достижения высоких рабочих температур активных элемонгов лазоров.
Импульсные лазоры на парах металлов обладают очень большим усилоциом (40G-6GG дБ/м) и достаточно короткім временем существования инверсной населённости (10 - 10 с), что является причиной генерирования выходных пучков с неудовлетворительной для многих задач расходимостью излучения при использовании обычных устойчивых резонаторов. Поэтому улучшение расходимости излучения этих лазеров и доводеииа ее до дифракционного предела является актуальной задачей для всего класса лазеров с высоким усилением и коротким временам существования инверсии.
Б настоящее время эти лазеры нашли широкое применение в тс их областях науки и техники как: лазерное разделение изотопов, системы с усилителями яркости изображений, перестраиваемые лазеры на красителях, сверхскоростная іотогра^ия, возбуждение спектров комбинационного рассеяния света, биология л медицина, технология изготовления пздолиіі микроэлектроники, зондирование атмосферы и многие другие. Хотя эти лазеры имеют практический КДЦ генерации около 1%, потребность в ещё более эффективных лазерах остаётся.Для их создания необходимо установить Физические причины ограничения характеристик генерации. Экспериментальное и теоретическое изучение физических процессов в активных средах лазеров на парах мегаллов проводится во многих организациях как у нас в стране, так и за рубежом. Большое внимание уделяется численному моделированию активных сред лазоров. Но отсутствие точных количественных данных с характеристиках элементарных про-
- 5 -цессов и параметрах плазмы в активних средах лазеров делают модельные расчёты модными, а их результата часто неадекватно отражают экспериментальные зависимости характеристик генерации. В связи с этим весьма актуальна разработка методик диагностики плазмы, в частности, изучение пространственно-вромонной кинетики возбуждения и релаксации атомных состояний модп, населён, сти которых определяют характеристики гвнерагда.
Цель работы:
-
Исследование характеристик генерации лазера на парал меди, установление их связи с условиями возбуждения и поиск на этой основе режимов работы импульсно-перис^-паских лазорої? на парах меди с высокими практической эффективность» и средней мощностью геиорации.
-
Комплексное изучение пространственно-временной кинотики населённоствЯ основного, мотастабилщыг, резонансішх и некоторых высоковозосужденных состояний атома меди как в импульсо возбуждения, так и в меякмпульсном интервале времени. На основа этих данных и их связи с характеристиками гонорации и условшмз возбуащония провести анализ физических механизмов я процессов, ответственных за параметры генерации.
-
Исследование возможности реализации дифракционного предела расходимости генерируемого излучения от лазеров о коротким временем существования инверсии, но с высокими значениями усиления. Изучение энергетических, яркостных, временных и спектральных характеристик лазера на парах меди с ноустойчивым резонатором .
-
Разработка физических основ и создание новой экспериментальной техники для физического эксперимента с эффективными импульсно-периодическими лазерами на парах металлов, требуодих рабочую температуру разрядных камер, превншащую 1400С. Для этого исследовать так называемый саморазогравной режим работы разрядных трубок, который исключает присутствие высокотемпературного нагревательного элемента, и за счет этого существенно упрощается конструкция лазера и повышается практическая эффективность генерации.
Научная новизна и практическая ценность диссертации заключается в том, что:
-
Впервые экспериментально осущестатён импульсно-пвриоди-ческий режим работы лазеров на парах меди с высокими частотами следования импульсов (до 20 кГц), что позволяет сделать швод od объёмном характере релаксации населённости мотастабильного уровня атома меди. Показана возможность достижения частот следования свыше 100 кГц.
-
Проведены перше комплексные исследования свойств и характеристик импульсно-периодических сачоразогревннх лазоров на парах меди. Впервые эксперкмоятатыю обоснованы большие перспективы этих лазеров, в частности получены: средняя мощность генерации свыше 40 Вт, при практическом КПД 1% и частотах следования импульсов до 20 кГц. Показана возможность достижения существенно больших средних мощностей генерации.
-
Впервые получены комплексные экспериментальные данные по пространственно-временной кинетике населённостей основного, иетастабильных, резонансных и некоторых высоковозбуждённых состояний атома меди. Исследования проведены во время импульса возбуждения и в межимпульсном интервале времени при повышении плотности рабочих атомов меди, повышении мощности возбуждения и в режиме сдвоенных импульсов.
-
Впервые дан анализ переходного процесса установления генерации с дифракционной направленностью пучка излучения в неустойчивом резонаторе. Анализ сделан на основе подсчёта времени, необходимого для выделения из спонтанного излучения дифракционно направленного пучка с помощью неустойчивого резонатора.
-
Впервые экспериментально изучался неустойчивый резонатор с коэффициентом увеличения вплоть до М = 370. Экспериментально обосновано, что для лазеров с коротким временем существования инверсии для достижения дифракционного продела расходимости генерируемого излучения, необходимо использовать резонаторы с величинами М = 100 + 300.
-
Впервые создана новая экспериментальная техника на принципах саморазогрева разрядных трубок, существенно спростившая конструкцию и повысившая практический КПД лазеров на парах металлов. Разработаны источники питания этих лазеров на осново
импульсных водороднік тиратронов в качестве коммутируацих вле-ментов. Эти газоразрядные трубки и источники питания были использованы в дальнейшем для создания промышленных лазеров, выпущенных впервые в мировой практике.
На защиту выносится:
-
В активной среде лазера на парах меди релаксация населённости нижнего рабочего метастабільного уровня происходит в объёме газоразрядной камеры, а не на её стенках, что позволяэт осуществлять эффективную генерацию видимого излучения с высокой частотой следования импульсов.
-
Феноменологическое описание характеристик генерации са-моразогревних лазеров на парах меди в зависимости от условий возбуждения в импульсно-периодическом режиме. Первое экспериментальное осуществление работы сачоразогревных лазеров на парах меди с практической эффективностью 1%; со оредяей мощностью генерации 43,5 Вт; с частотой следования импульсов 2-20 кГц; удельными средней 0,4 Вт/см , пиковой 7,5 кВт/см мощностями; удельной энергией генерации 3? мкДж/см. Предельная частота следования импульсов генерации для этого лазера.может превишать 100 кГц.
-
Результаты экспериментальных исследований пространственно-временной кинетики населённоотей основного, метастабнлышх и резонансных состояний атома меди, позволивших установить, что:
- основными факторами, определяющими степень возбуждения ато
мов меди, являются длительность импульсов возбуждения и плот
ность электронов в плазме разряда
высокая эффективность заселения резонансных уровней (до 50^) осуществляется только в самом начале импульса возбуждения до тех пор, пока населённость этих уровней не достигнет квазистационарных значений, после чего эффективность падает, что и приводит к относительно низким значениям практического КПД генерации.
с увеличением плотности атомов меди в плазме разряда эффек -тивносгь заселения резонансных уровней возрастает, но при этом преднмпульсная населённость и лодзаселание в импульса возбуждения нижних рабочих метастабильных уровней возрастает в большей
- 8 -степени, чем населённость резонансных уровней, что и приводит к тому, что инверсия не образуется и генерация отсутствует
к концу импульса возбуждения достигается перазаселение мета-стабильных состояний, которое снимается в виде быстрого экспоненциального распада их населённости в столкновениях с электронами
основным фактором, ограничивающим предельную частоту следования импульсов, является предымпульсная населённость метаста-бильных состояний, величина которой увеличивается при сокращении времени между импульсами возбуждения.
-
Для формирования пучков с предельной дифракционной направленностью излучения от лазеров с коротким временем существования инверсии необходимо использовать неустойчивые резонаторы с такими значениями коэффициента увеличения М, которые позволяют выделить дифракционный пучок за время, сравнимое с временем существования инверсии. Причём, для достижения максимальной мощности дифракционного пучка надо так подобрать условия возбуждения и геометрические размеры активной среды, чтобы время её насыщения было сравнимо с временем формирования дифракционного пучка.
-
Результаты экспериментального исследования лазера на парах меди с неустойчивыми резонаторами при М = 6-370, позволившие получить дифракционную направленность генерируемого излучения без существенного снижения мощности генерации по сравнению с мощностью с плоским резонатором.
-
Создание новой экспериментальной техники для изучения шпуль сно-периодических лазеров на парах металлов, работающих на принципах саморазогрева газоразрядных трубок при температурах, превышащих 140ОС, применение которой существенно упрощает конструкции и повышает практический КПД лазеров.
Совокупность этих положений и научных результатов закладывает, основы нового перспективного направления в квантовой электронике: "Эффективные импульсно-периодические лазеры на парах металлов", заключающегося в изучении и поиске новых активных сред для лазеров и в получении на этой основе информации в области физики лазеров и физики наносекундного газового разряда с большими средними мощностями и частотами следования импульсов,
а также позволяет развивать ряд новых применений лазеров в науке и технике.
Апробапия работы.
Основные результаты диссертации опубликованы в 39 работах и докладывались на Международной конференции по квантовой электронике (США, 1973 г.), на II Всесоюзном симпозиума по физике газовых лазеров (Новосибирск, 1975 г.), Всесоюзной конференции "Лазеры на основе сложных органических соединений" (Минск,1975 г.), на УІІ Всесоюзной и XIII Международной конференциях по когерентной и нелинейной оптике (Тбилиси,1976 г.,Минск,1988 г.), ка I Всесоюзной конференции "Оптика лазеров"(Ленинград,1977 г.), на Мевдународной конференции "Лазеры и их применения" (Лейпциг, 1982 г.), на Всесоюзных семинарах "Лазеры на парах металлов и их применения" (Ростов на Дону, 1978 г.,1980 г.,1981 г.,1982 г., 1985 г.), на Всесоюзном совещании "Инверсная заселённость и генерация на переходах в атомах и молекулах" (Томск, 1986 г.), на Всесоюзном семинаре "Физика быстропротекащих процессов" (Гродно, 1986 г.), на УІІ Всесоюзной конференции по физике низкотемпературной плазмы (Ташкент, 1987 г.), на ІУ Всесоюзном семинаре "Динамика элементарных процессов атомно-молекулярных" (Черноголовка, 1987 г.), на I рабочем совещании "Активные среда плазменных и газоразрядных лазеров" (Гродно, 1987 г.), на IX н 1 рабочих совещаниях по лазерной технике (Таллинн, 1986 г.,1987 г.), на Международной конференции по квантовой электроника (ФРГ, Ганновер, 1988 г.).
Автору диссертации в составе авторского коллектива присуждена Государственная премия СССР за 1980 г. за "Разработку физических принципов, создание и исследование импульсных лазеров на парах металлов и на их основе оптических систем о усилителями яркости".
Объём и структура работа. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы из 314 наименований. Общий объём работы 339 стр, в том числа 80 рисунков, 14 таблиц.
