Содержание к диссертации
стр.
ВВЕДЕНИЕ 4
Глава I. ИМПУЛЬСНЫЙ CO-ЛАЗЕР С КРИОГЕННЫМ ОШВДЕНИМ ... 14
1.1. Экспериментальная установка 16
1.2. Энергетические, спектральные и временные
характеристики импульсного СО-лазера с не
селективным резонатором 18
1.3. Энергетические, спектральные и временные характеристики импульсного СО-лазера с
селективным резонатором 32
1.4. Влияние акустических возмущений на гене
рацию импульсного СО-лазера низкого дав
ления 36
Глава 2. CO-ЛАЗЕР НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ С МОДУЛИРОВАННОЙ
ДОБРОТНОСТЬЮ 46
2.1. Экспериментальная установка 47
2.2. СО-лазер с модулированной добротностью
при криогенном охлаждении 50
2.3. Отпаянный СО-лазер с модулированной
добротностью резонатора при комнатной
температуре 72
Глава 3. ИМПУЛЬСНЫЙ ЭЛЕКТРОИОНИЗАЩОШШЙ CO-ЛАЗЕР С
МОЩНОЙ ЭЛЖТР0И0НИЗАЦИ0НН0Й НАКАЧКОЙ 76
3.1. Экспериментальная установка 78
3.2. Электроионизационный СО-лазер с неселек
тивным резонатором 84
3,3. Селективный режим генерации в импульсном
электроионизационном СО-лазере 92
3.4. Измерение коэффициента усиления импуль
сного неохлавдаемого электроионизацион
ного СО-лазера 98
Глава 4. ПРИМЕНЕНИЕ ИМПУЛЬСНОГО CO-ЛАЗЕРА ДЛЯ РАЗДЕ
ЛЕНИЯ ИЗОТОПОВ УГЛЕРОДА И КИСЛОРОДА 124
4.1. Экспериментальная установка и методика об
работки результатов экспериментов 126
4.2. Измерение коэффициентов поглощения природ
ного С ОСС^ и обогащенного С ОСг
фосгена и CFbC0CC в области спектра из
лучения СО-лазера 132
4.3. Исследование селективной диссоциации в
поле излучения импульсного СО-лазера I3G
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 148
ЛИТЕРАТУРА 151
Введение к работе
Особое место среди электроразрядных газовых лазеров занимают лазеры на окиси углерода, что определяется их энергетическими и спектральными свойствами. Мощности непрерывной генерации 1-20 кВт / 1-3 / и квазинепрерывной ~ 50 кВт / 4 /, энергии ^ I кДж, достигнутые в импульсных лазерах / 5 /, наибольший из всех достигнутых в газовых лазерах КПД 50$ / 6 /, и уникальный спектральный состав излучения от 2,7 до 3,1 мкм и от 4,7 до 8 мкм / 7-9 /, в котором наблюдается более 300 колебательно-вращательных переходов, позволяют реально рассматривать возможность использования таких лазеров как для прикладных целей, например, в лазерной технологии / 10 /, локации, связи, лазерной химии, разделении изотопов / II /, так и для научных - в спектроскопии / 12 /, исследовании кинетических процессов колебательной релаксации / 13 / и т.д. При этом для большого числа применений требуются лазерные импульсы длительностью от 100 не до 10 мкс. Создание такого класса лазеров представляется важной задачей. Кроме того, исследование импульсной генерации в СО-лазерах имеет самостоятельную научную ценность,так как несет дополнительную информацию о кинетике формирования инверсии и динамике развития излучения в резонаторах этих лазеров.
С этой точки зрения актуальны экспериментальные исследования энергетических, спектральных и временных характеристик электроразрядных СО-лазеров в различных режимах импульсной генерации в широком диапазоне длительностей. При этом под термином различные режимы импульсной генерации следует понимать разнообразные способы создания импульсов излучения - это либо импульсная накачка электрическим разрядом, либо модуляция добротности резонатора.
Генерация в лазере на окиси углерода была впервые продемон-
стрирована именно в импульсном режиме накачки / 14 /. Пэйтел и Керрол первыми создали импульсный СО-лазер и получили излучение на 40 колебательно-вращательных переходах Р-ветви молекулы СО. Впоследствии ими была предложена модель, описывающая возникновение инверсии и коэффициента усиления слабого сигнала на Р-ветви колебательных полос окиси углерода / 15 /. Однако малый КОД генерации импульсного лазера был причиной того, что до 1971 года это направление не развивалось, и основное внимание было сосредоточено на исследованиях по непрерывным СО-лазерам. Была показана возможность получения излучения в спектральной области 5-6 мкм мощностью более 10 Вт при КЦЦ ^ 2С$ / 16,17 /. Возобновление интереса к импульсным СО-лазерам связано с созданием различных схем лазеров повышенного давления. В работах / 18-20 / получена генерация на окиси углерода до давления 0,5 атм. Параллельно велись работы по исследованию СО-лазера низкого давления с накачкой длинными (~1 мс) импульсами тока / 21,22 /.
Вместе с появлением экспериментальных работ стала бурно развиваться теория, описывающая кинетику СО-лазера / 15,23-25 /. Этому способствовало также возникновение нового класса лазеров - импульсных электроионизационных СО-лазеров / 26,27 /, показавших высокие энергетические и удельные характеристики / 5,6,28 /. Дальнейшее развитие этих лазеров способствовало определению области их использования / 10 / и совершенствованию теории СО-лазера / 28-30 /.
Потребность иметь импульсы излучения субмикросекундной длительности привела к появлению СО-лазеров с модулированной добротностью резонатора / 31,32 /. С помощью этих лазеров удалось расширить спектр генерации СО как в коротковолновой, так и в длинноволновой области / 9,33 /. Простота конструкции этого типа лазеров,
в особенности с накачкой непрерывным тлеющим разрядом, делает их использование весьма перспективным для многих областей. Особое внимание заслуживает электроионизационный СО-лазер с модуляцией добротности, в котором были получены импульсы излучения длительностью ~ I мкс и пиковые интенсивности ~ 5 МВт при КГЩ ~10$ в полном спектре / 34 /.
Важной проблемой при использовании импульсных СО-лазеров является также селекция колебательно-вращательных переходов. Это связано с необходимостью оптимизации спектра излучения для эффективного прохождения в атмосфере / 35 /, с использованием СО-лазеров в лазерной химии, разделении изотопов, в проблемах смешения излучения для перестройки частоты и т.д. Не менее актуальными следует также считать развитие способов управления излучением СО-лазеров, позволяющих получать как одиночные, так и периодические световые импульсы.
Состояние развития теории, описывающей генерацию СО-лазера, в целом можно считать удовлетворительным, однако, здесь имеются существенные недостатки, которые в основном обусловлены отсутствием достаточного количества экспериментального материала. Большое число процессов, влияющих на генерацию СО-лазера, делает теоретическое описание его работы весьма сложным. Поэтому, несмотря на значительный объем работ по физике образования инверсии в СО / 36-38 /, полного представления о характере и последствиях влияния многих процессов до сих пор нет. Например, недавно авторы работы / 39 / для объяснения расхождения в описании характеристик электроионизационного СО-лазера с результатами эксперимента предложили пересмотреть данные по скоростям V-V -обмена, полагая их в 4 раза ниже известных в литературе. Среди существующих теоретических методов особое внимание также заслуживает аналитическая
теория, описывающая работу импульсного СО-лазера / 40 /. Эта теория позволяет оперативно производить оценки энергетических, временных и спектральных параметров излучения импульсных СО-лазеров с селективным резонатором, однако, к настоящему времени детального сравнения результатов, даваемых этой теорией с данными эксперимента нет.
Приведенные выше соображения делают актуальными такие экспериментальные исследования по импульсным СО-лазерам, которые дали бы новые представления о процессах, ответственных за образование инверсии и формирование излучения,позволили бы уточнить теорию импульсного лазера, а также определили бы новые области его использования.
В этой связи в настоящей диссертации экспериментально исследуются различные способы создания в СО-лазерах импульсов излучения длительностью < 10 мкс. Исследуются энергетические, спектральные и временные характеристики импульсных лазеров низкого давления, лазеров с модулированной добротностью резонатора и импульсных электроионизационных СО-лазеров. Исследованы селективные режимы генерации в этих лазерах.
В частности, впервые найдены и исследованы условия, при которых в импульсном СО-лазере низкого давления реализуется цуговый режим генерации при длительности отдельных импульсов в цуге 10 мкс. Установлено, что причиной такого характера генерации являются акустические возмущения, возникающие в разрядной трубке при импульсном вкладе энергии в разряде. Показано также, что эти возмущения вызывают не только колебания интенсивности излучения, но и сдвиг частоты продольных мод резонатора в пределах контура усиления молекулы СО. Впервые исследовано развитие спектра излучения во времени в СО-лазере с модулированной добротностью резона-
тора. Найдены условия, при которых в этом лазере удается получить генерацию на более 300 колебательно-вращательных переходах в спектральном интервале 4,7-7,7 мкм при длительности импульсов излучения ~ I мкс. Впервые найдены и исследованы условия, при которых в импульсном неохлавдаемом СО-лазере с накачкой мощным несамостоятельным разрядом длительностью ~2 мкс получены импульсы генерации с удельным энергосъемом в неселективном режиме генерации ~25 Дж/л»атм и в селективном — 6 Дж/л*атм при длительности -^10 мкс. На базе полученного экспериментального материала и созданных установок проведены исследования по возможности использования импульсного СО-лазера для целей лазерного разделения изотопов углерода и кислорода. Впервые реализована изотонически селективная диссоци-алия молекулы фосгена по любому изотопу углерода и кислорода (С, 13С, 1в0 и 180).
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Каждая глава посвящена экспериментальному исследованию лазера определенного типа и начинается с короткого обзора имеющихся в литературе данных по рассматриваемому вопросу. В последней главе представлены исследования по практическому использованию СО-лазера для целей лазерного разделения изотопов.
Первая глава посвящена исследованию импульсного СО-лазера низкого давления с криогенным охлаждением с селективным и неселективным резонатором. Показано, что на формирование инверсии в лазере оказывают влияние два механизма - один быстрый, проявляющийся за времена ~- 2 мксТорр '' , другой - медленный, с характерным временем V-V -обмена. Показано, что акустические возмущения в импульсном СО-лазере могут существенно изменять временные характеристики его излучения, что позволяет реализовать в нем цуговый режим генерации с частотой следования импульсов от 14 до 30 кГц.
Во второй главе приведены результаты экспериментального исследования СО-лазера низкого давления с модулированной добротностью резонатора при комнатной и криогенной температуре. Изучены особенности формирования колебательной и вращательной структуры спектра излучения. Приведены энергетические характеристики и временные свойства излучения такого лазера. Исследован режим селективной модуляции добротности. Показаны способы управления спектром генерации, позволяющие получить излучение на более, чем 320 колебательно-вращательных переходах колебательных полос 1-0 * 33-32. Проанализирована спектральная эффективность генерации на отдельных колебательно-вращательных переходах и возможные пути повышения КОД.
Третья глава посвящена исследованию импульсного СО-лазера с накачкой мощным несамостоятельным разрядом длительностью ~2 мкс при комнатной и криогенной температуре. Приводятся данные об энергетических, спектральных и временных характеристиках излучения лазера с неселективным и селективным резонатором. Проведены измерения коэффициентов усиления слабого сигнала в СО-ЭИЛ при комнатной температуре, результаты сравниваются с данными аналитической теории. Анализируются факторы, существенно отражающиеся на формировании спектра излучения СО-лазера повышенного давления.
В четвертой главе рассматриваются вопросы практического использования импульсного СО-лазера для разделения изотопов углерода и кислорода. С помощью отпаянного селективного СО-лазера, созданного на базе активного элемента серийного лазера ШПЇЇ-706, проведены измерения коэффициентов поглощения молекул фосгена С0С и CRC0C6 и показана перспектива использования их для лазерной химии и разделения изотопов. На примере молекулы фосгена впервые реализована изотонически селективная диссоциация и показано, что
перестройкой частоты излучения импульсного СО-лазера удается получить обогащение по любому изотопу углерода и кислорода. Автор защищает следующие основные положения.
В импульсном СО-лазере низкого давления при в разряде более 10 В»см2, где Е - напряженность электрического поля, № плотность молекул, на формирование генерации могут оказывать влияние быстрые процессы с характерным временем X* р^ 2 мкс«Т6рр", меньшим времени v-V-обмена.
Акустические возмущения, возникающие в импульсном СО-лазере низкого давления при криогенном охлаждении существенно влияют на временные свойства излучения, что проявляется в реализации пич-кового режима генерации с числом пичков более 20 и частотой следования от 14 до 30 кГц. Данный режим генерации может быть использован для оценки скорости звука в средах с различным составом СО
и Не.
Режим модуляции добротности резонатора в СО-лазере низкого давления является наиболее предпочтительным с точки зрения возможности расширения спектра излучения. Изменением параметров активной среды можно добиться эффективного управления спектральными свойствами лазера и получить генерацию на более 320 колебательно-вращательных переходах колебательных полос 1-0 * 33-32, при этом число линий в одном импульсе генерации может превышать 170.
В импульсном неокладаемом СО-лазере с накачкой мощным несамостоятельным разрядом длительностью ~ 2 мкс удается получить генерацию в спектральном интервале 5,3-6,1 мкм, при этом удельный энергосъем на наиболее сильных линиях может достигать ~ 6 Дж/л» атм при длительности импульсов излучения на полувысоте ~ 5 мкс. Аналитическая теория удовлетворительно описывает временные характеристики коэффициента усиления слабого сигнала неохлаждаемого
- II -
электроионизационного СО-лазера и может быть использована для определения спектральных и временных свойств излучения в селективном режиме генерации.
5. Импульсный перестраиваемый СО-лазер с длительностью импульсов генерации на половине интенсивности ^ 5 икс позволяет производить селективную фотодиссоциаодю молекул фосгена по любому изотопу углерода и кислорода (С, С, 1б0 и 80).
Основные результаты диссертации докладывались на ХХІУ и ХХУШ научно-технических конференциях ЖГИ (г.Долгопрудный, 1978, 1982гг), на П Всесоюзной конференции "Оптика; лазеров" (г.Ленинград,1980г.), на Всесоюзной конференции по сильноточной электронике (г.Новосибирск, 1982г.), на Ш Молодежной конференции ИАЭ им.И.В.Кур-чатова по проблемам преобразования энергии (г.Протвино, 1983г.), на Межотраслевой конференции "Взаимодействие излучения, плазменных и электронных потоков с веществом" (г.Протвино, 1984г.), на УІ Всесоюзной школе-совещании по лазерному разделению изотопов (ГССР, Бакуриани, 1983г.) и опубликованы в следующих работах:
А.Г.Басиев, А.А.Голубев, В.А.Гурашвили, С.В.Изюмов. Расширение спектра генерации СО-лазера с модулированной добротностью. 'Ш, т.50, 1980, с.1740-1744.
А.Г.Басиев, В.А.Гурашвили, С.В.Изюмов, В.П.Тяжев, Е.Ю.Ще-котов. Спектральные характеристики импульсного СО-лазера с селективным и неселктивным резонатором. Известия АН СССР. Серия физическая, т.44, 1980, с.2101-2104.
А.Г.Басиев, В.Е.Ґальцев, В.А.Гурашвили, С.В.Изюмов, И.В. Кочетов, А.К.Курносов, В.Г.Певгов.-Особенности спектрообразова-ния СО-лазера с модулированной добротностью. Препринт ИАЭ, Москва, 1981, й 3448/12.
А.Г.Басиев, В.А.Гурашвили, С.В.Изюмов, В.А.Литвинович, Н.Г.Туркин. Генерация на низколежащих переходах окиси углерода в СО-лазере с модулированной добротностью резонатора. Материалы конференции "Проблемы преобразования энергии". Москва, 1983, с.21-22.
А.Д.Белых, В.А.Гурашвили, С.В.Изюмов, В.М.Путилин. Расширение спектральных и энергетических возможностей отпаянного СО-лазера. Материалы конференции "Проблемы преобразования энергии". Москва, 1983, с.26-27.
В.Ю.Баранов, Р.К.Бевов, А.Д .Белых, В.А.Гурашвили, С.В.Изюмов, И.В.Кочетов, А.К.Курносов, А.П.Напартович, А.Н.Старостин, А.П.Стрельцов, С.В.Хоменко. Исследование энергетических и спектральных характеристик импульсного неохлавдаемого СО-лазера с мощной электроионизационной накачкой. Препринт ИАЭ, Москва, 1983, Ш
3794/12.
V.Yu.Baranov, R.K.Bevov, A.D.Belykh, V.A.Gurashvili, S.V. Izumov, I.V.Kotchetov, A.K.Kurnosov, A.P.Napartovich, A.N.Sta-rostin, A.P.Streltzov and S.V.Khomenko. Experimental and Theoretical Study of Noncooled CO Laser with Short-Pulse Pumping IEEE J.of Quant.Electr.,vol.QE-19, n.10,pp.1463-1466. 1983
А.Д.Белых, В.А.Гурашвили, С.В.Изюмов, А.П.Стрельцов, СВ. Хоменко. Импульсный СО-лазер с несамостоятельным разрядом. Тезисы докладов конференции "Взаимодействие излучения, плазменных и электронных потоков с веществом". Москва, 1984, с.13б~137.
А.Д.Белых, В.А.Гурашвили, С.В.Изюмов, В.М.Путилин. Измерение коэффициента усиления в неохлавдаемом электроионизационном СО-лазере. Тезисы докладов конференции "Взаимодействие излучения, плазменных и электронных потоков с веществом". Москва, 1984г.,
с.137-138.
- ІЗ -
10. А.Д.Белых, В.А.Гурашвили, С.В.Изюмов, В.М.Путилин. Исследование серийного отпаянного СО-лазера в селективном режиме и с модуляцией добротности резонатора. Тезисы докладов конференции "Взаимодействие излучения, плазменных и электронных потоков с веществом". Москва, 1984, с. І39-І40.
