Введение к работе
Диссертационная работа посвящена исследованиям методом математического моделирования активных сред ионных лазеров на парах стронция (Х=430,5; 1033 и 1091 нм SrII) и кальция (Х=373,7 нм CaII), направленным на оптимизацию условий возбуждения, поиск способов повышения их выходных параметров и определение их потенциальных возможностей, а также комплексным исследованиям активной среды ионного лазера на парах кадмия (А=441,6; 533,7 и 537,8 нм CdII) при возбуждении в секционированной металло-диэлектрической разрядной трубке. Основные результаты проведенных исследований представлены в работах [1-43].
Актуальность темы. Газоразрядные лазеры на парах металлов представляют собой широкий класс источников лазерного излучения, которые обеспечивают генерацию в УФ, видимом и ИК диапазонах длин волн, обладают высокими энергетическими характеристиками и высоким качеством излучения, имеют достаточно простую и надежную конструкцию и находят практическое применение во многих областях науки, техники, медицины.
Активной средой газоразрядных лазеров на парах металлов является термодинамически неравновесная плазма, при этом состояние плазмы может быть классифицировано по отклонению ее степени ионизации от равновесного для данной температуры электронов значения. При недостаточной для равновесия степени ионизации плазма преимущественно ионизуется, т.е. является ионизационно-неравновесной. В противном случае в плазме преобладают процессы рекомбинации, т.е. плазма является рекомбинационно- неравновесной. Лазеры на рекомбинационно-неравновесной плазме называют рекомбинационными (или плазменными), а лазеры на ионизационно- неравновесной плазме обычно называют газовыми.
Наилучшими характеристиками среди рекомбинационных лазеров обладают ионные лазеры на парах стронция (Х=430,5 и 416,2 нм SrII) и кальция (Х=373,7 и 370,6 нм CaII), впервые созданные в Ростовском государственном университете (ныне Южный федеральный университет). Они излучают в коротковолновой области спектра и имеют достаточно высокие значения энергетических характеристик (до ~4 Вт средней мощности и 20 кВт пиковой мощности) и КПД (~0,1%), что делает их привлекательными для многих практических применений. Лазер на парах стронция также является эффективным источником ИК излучения на ряде самоограниченных переходов в спектрах атомов и ионов стронция (Х=6,456 мкм; ~3 мкм SrI и мкм SrII). Это излучение обеспечивает эффективную абляцию полимеров и биотканей и делает эти лазеры перспективными для применения в обработке материалов, а также в малоинвазивной медицине.
Для решения актуальной задачи создания эффективных рекомбинационных He-Sr и He-Ca лазеров нужны глубокие знания о физических процессах, протекающих в их активных средах, поэтому представляет интерес проведение дальнейших исследований активных сред рекомбинационных He-Sr и He-Ca лазеров. Наряду с экспериментальными исследованиями удобным и информативным инструментом исследования активных сред He-Sr и He-Ca лазеров является метод математического моделирования, с помощью которого могут быть решены задачи поиска возможных способов повышения выходных характеристик, оптимизации условий возбуждения, определения достижимых характеристик генерации рекомбинационных He-Sr и He-Ca лазеров, а также поиска способов оперативного управления ими. Математическое моделирование позволяет также детально исследовать кинетику возбуждения ИК самоограниченных переходов в спектрах ионов стронция (кальция) и, в частности, кинетику процессов, определяющих предельную частоту следования импульсов.
В накачке ряда ионных переходов в рекомбинирующей плазме (например, в ионных спектрах элементов II группы) существенную роль играют удары второго рода, при которых возбужденный атом или ион буферного газа передает энергию атому примеси. В число наиболее эффективных лазеров, накачиваемых ударами второго рода, входит ионный лазер на парах кадмия с накачкой реакциями Пеннинга (А=441,6 нм CdII) и перезарядки (А=533,7 и 537,8 нм CdII). При использовании для возбуждения лазера на парах кадмия разряда в полом катоде (РПК) обеспечиваются большие по сравнению с продольным разрядом скорости накачки и более высокие выходные параметры вследствие наличия в плазме РПК группы быстрых электронов. Но лазерам с РПК свойственны такие недостатки, как сложность конструкции, склонность к дугообразованию и продольным неоднородностям разряда, вследствие чего энерговклад в разряд ограничен.
Представляет интерес в качестве способа повышения выходных параметров использовать для возбуждения активной среды ионного лазера на парах кадмия разряд в секционированной металло-диэлектрической трубке («секционированный» разряд), сочетающий положительные качества тлеющего разряда (высокая стабильность разряда, возможность введения паров металлов в активную среду за счет катафореза, конструктивная простота активного элемента) и РПК (наличие группы быстрых электронов в газоразрядной плазме).
Таким образом, вопросы, связанные с исследованиями физических процессов в активных средах ионных лазеров на парах стронция, кальция и кадмия являются актуальными.
Предметом исследований являются оптимальные условия возбуждения активных сред ионных лазеров на парах стронция, кальция и кадмия, способы повышения их выходных параметров, а также физические механизмы, определяющие их потенциальные возможности и возможности управления выходными параметрами.
Цель работы. Целью диссертационной работы являлись исследования активных сред ионных лазеров на парах стронция, кальция и кадмия, направленные на оптимизацию условий возбуждения и повышение их выходных параметров, определение их потенциальных возможностей и поиск способов управления выходными параметрами.
Основные задачи работы. Достижение цели работы предполагало решение следующих задач:
-
Анализ причин существования оптимума по давлению буферного газа гелия в ионных рекомбинационных лазерах на парах стронция (Х=430,5 нм SrII) и кальция (Х=373,7 нм CaII) и поиск способов повышения их выходных параметров при высоких давлениях гелия.
-
Численная оптимизация характеристик активных элементов рекомбинационных лазеров на парах стронция и кальция различных конструкций и различных размеров и расчет достижимых значений средней мощности при различных способах охлаждения активных элементов.
-
Численное исследование возможности повышения выходных параметров рекомбинационных лазеров на парах стронция и кальция за счет возбуждения цугами импульсов.
-
Численное исследование возможности повышения частоты повторения импульсов лазера на самоограниченных ИК переходах иона стронция (А=1091 и 1033 нм SrII) и определение предельной частоты повторения импульсов.
-
Численное исследование возможности управления выходными параметрами рекомбинационных лазеров на парах стронция и кальция.
-
Численное исследование возможности увеличения пиковой мощности рекомбинационных лазеров на парах стронция и кальция за счет разгрузки резонатора.
-
Расчет расстояния, на которое разряд проникает в полость металлических секций в секционированной металло-диэлектрической разрядной трубке и экспериментальное исследование активной среды ионного лазера на парах кадмия (^=441,6; 533,7 и 537,8 нм CdII) при возбуждении в «секционированном» разряде.
Научная новизна диссертационной работы определяется поставленными задачами, методами их решения и полученными впервые результатами:
-
-
На основе результатов численных исследований активных сред ионных рекомбинационных лазеров на парах стронция (Х=430,5 нм SrII) и кальция (Х=373,7 нм CaII) установлен механизм, определяющий ограничение роста выходных параметров при увеличении давления буферного газа гелия, а также показано, что применение быстрого среза заднего фронта импульса разрядного тока позволяет преодолеть ограничение по давлению гелия.
-
С использованием математических моделей рекомбинационных лазеров на парах стронция и кальция проведена численная оптимизация характеристик активных элементов различных конструкций и различных размеров и найдены достижимые максимумы погонной мощности генерации.
-
Численно исследован режим возбуждения рекомбинационных лазеров на парах стронция и кальция цугами импульсов разрядного тока с малым межимпульсным интервалом как способ повышения выходных параметров и показана перспективность этого способа для повышения характеристик генерации.
-
На основе результатов численных исследований показано, что частота повторения импульсов генерации лазера на самоограниченных ИК переходах иона стронция (А=1091 и 1033 нм SrII) может достигать ~1 МГц.
-
На основе результатов численных исследований установлена возможность оперативного управления выходными параметрами рекомбинационных лазеров на парах стронция и кальция в широких пределах с применением вспомогательных токовых импульсов небольшой амплитуды, формируемых в послесвечении.
-
Численно исследован режим разгрузки резонатора рекомбинационных лазеров на парах стронция и кальция как способ управления выходными параметрами - пиковой мощностью и длительностью импульсов генерации и показана перспективность этого способа для увеличения пиковой мощности рекомбинационных лазеров.
-
Впервые поставлена и решена задача об определении расстояния, на которое разряд проникает в полость металлических секций в секционированной металло-диэлектрической разрядной трубке.
-
Экспериментально исследован разряд в секционированной металло- диэлектрической трубке как способ возбуждения активной среды ионного лазера на парах кадмия (А=441,6; 533,7 и 537,8 нм CdII), сочетающий свойства тлеющего разряда и разряда в полом катоде, и показана его перспективность для возбуждения ионных лазеров, накачиваемых ударами второго рода.
Практическая значимость диссертационной работы состоит в том, что полученные в ней результаты могут быть использованы при создании эффективных ионных лазеров на парах стронция, кальция и кадмия, излучающих в УФ, видимом и ИК диапазонах спектра и перспективных для практических применений. В частности, результаты численной оптимизации активных сред ионных He-Sr и He-Ca лазеров и предложенные способы повышения их выходных параметров позволяют осуществлять целенаправленный выбор конструкций и оптимальных способов возбуждения лазеров с заданными параметрами. Использованные в работе математические модели могут служить удобными инструментами исследований активных сред ионных лазеров на парах стронция и кальция. Результаты исследований способов управления характеристиками генерации рекомбинационных He-Sr и He-Ca лазеров позволяют целенаправленно формировать управляющие импульсы тока в послесвечении разряда для осуществления оперативного управления характеристиками генерации. Результаты исследований разряда в секционированной металло-диэлектрической трубке свидетельствуют о его перспективности как способа возбуждения активных сред с накачкой ударами второго рода, в частности, ионного лазера на парах кадмия.
Результаты проведенных в диссертационной работе исследований были использованы в учебной работе на физическом факультете Южного федерального университета.
Достоверность и обоснованность полученных в диссертации результатов обеспечивается комплексностью исследований и их физической непротиворечивостью, использованием самосогласованных математических моделей, адекватно отражающих реальные активные среды, согласием результатов расчетов с экспериментальными данными, соответствием полученных результатов данным других авторов.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
-
-
-
Повышение энергетических характеристик и КПД саморазогревных рекомбинационных лазеров на парах стронция (Х=430,5 нм SrII) и кальция (Х=373,7 нм CaII) при давлениях буферного газа гелия, превышающих оптимальное значение, может быть достигнуто с применением быстрого среза заднего фронта импульса разрядного тока, обеспечивающего рост скорости рекомбинационной накачки за счет снижения подогревающего действия заднего фронта на электронный газ.
-
Повышение энергетических характеристик и КПД саморазогревных рекомбинационных лазеров на парах стронция (Х=430,5 нм SrII) и кальция (Х=373,7 нм CaII) может быть достигнуто с применением цугов импульсов разрядного тока, обеспечивающих более эффективную двукратную ступенчатую ионизацию стронция и кальция при малом межимпульсном интервале (~1 мкс) и, соответственно, рост скорости рекомбинационной накачки.
-
Оперативное управление характеристиками генерации саморазогревных рекомбинационных лазеров на парах стронция (Х=430,5 нм SrII) и кальция (Х=373,7 нм CaII) может быть реализовано с применением вспомогательных импульсов разрядного тока с варьируемыми амплитудой и моментом включения, обеспечивающих в послесвечении управляемое снижение скорости рекомбинационной накачки и инверсии населенностей за счет подогрева электронного газа.
-
При разряде в секционированной металло-диэлектрической трубке роль индикатора, указывающего на степень проявления эффекта полого катода, может выполнять зависимость расстояния, на которое разряд проникает в полость металлических секций, от давления буферного газа и внутреннего диаметра секций, при этом максимум этого расстояния практически соответствует условиям, при которых начинает проявляться эффект полого катода.
Таким образом, положения и результаты диссертационной работы можно квалифицировать как решение задачи оптимизации условий возбуждения активных сред ионных лазеров на парах стронция, кальция и кадмия, поиска способов повышения их выходных параметров и управления ими, имеющей существенное значение в области радиофизики.
Личный вклад автора
В исследованиях, представленных в диссертационной работе, автору принадлежат построение модифицированных версий математических моделей He-Sr и He-Ca лазеров, предназначенных для решения конкретных задач, проведение численных экспериментов и обработка их результатов. Автор также принимал участие в исследованиях «секционированного разряда» как способа возбуждения ионного лазера на парах кадмия. Постановка задач, анализ и интерпретация результатов исследований осуществлялись совместно с научным руководителем. Результаты, составившие основу положений, выносимых на защиту, получены автором лично или при его определяющем участии. В работе, на ее различных этапах, принимали участие Е.Л. Латуш и О.О. Пруцаков.
Апробация результатов диссертационной работы
Результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на следующих научных конференциях и симпозиумах:
Всероссийские симпозиумы «Лазеры на парах металлов» (Лоо, 2004, 2006, 2008, 2010, 2012); X, XI, XII, XIII Всероссийские научные конференции студентов физиков и молодых ученых (Москва, Екатеринбург, Новосибирск, Ростов-на-Дону и Таганрог, 2004, 2005, 2006, 2007); The 8th International Conference "Atomic and Molecular Pulsed Lasers" (Tomsk, Russia, 2007); VI Всероссийская научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Инноватика-2008» (Томск, 2008); The 9-th Russian-Chinese Symposium on Laser Physics and Laser Technologies (Tomsk, Russia, 2008); Всероссийская конференция «Лазеры. Измерения. Информация» (Санкт- Петербург, 2010); XVIII International Symposium on Gas Flow and Chemical Lasers & High Power Lasers (Sofia, Bulgaria, 2010), Молодежная школа- конференция с международным участием «Лазеры и лазерные технологии», посвященная 50-летию создания первого в мире лазера (Томск, 2010).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 43 печатные работы, включая 8 статей в журналах, рекомендованных ВАК РФ для опубликования результатов диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук.
Структура работы
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и двух приложений. Работа изложена на 155 страницах, включая 64 рисунка, 3 таблицы и 170 литературных ссылок, из них 43 - на работы автора.
Похожие диссертации на Оптимизация характеристик ионных лазеров на парах стронция, кальция и кадмия
-
-
-
