Экспериментальное исследование субмиллиметрового квантового генератора на молекуле синильной кислоты

- 2 -
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ ........................................................ 6
Глава I. ИССЛЕДОВАНИЕ КВАНТОВЫХ ГЕНЕРАТОРОВ НА МОЛЕКУЛАХ СИНИЛЬНОЙ КИСЛОТЫ С ЦЕЛЬЮ ОПТИМИЗАЦИИ ИХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ... 13
1.1. Увеличение выходной мощности и КПД введением добавки различных газов в рабочую смесь
лазера................................................ 19
1.1.1. Экспериментальная установка ........................... 19
1.1.2. Результаты эксперимента и их обсуждение 21
1.1.3. Роль СО в улучшении инверсной населенности .... 26
1.2. Использование высокочастотного разряда для возбуждения лазера ....................................... 26
1.2.1. Конструкция разрядной трубки......................................................... 28
1.2.2. Конструкция ВЧ генераторов ............................ 29
1.3. Зависимость выходной мощности лазера с высокочастотным возбуждением от давления рабочей смеси, мощности накачки и температуры
стенок разрядной камеры .............................. 34
1.3.1. Экспериментальная установка................................... 34
1.3.2. Результаты эксперимента и их обсуждение .............. 37
1.3.3. Увеличение выходной мощности лазеров на молекуле синильной кислоты при введении
ксенона в рабочую смесь .............................. 45
1.4. Исследование ВЧ разрядаНСЛ/ -лазера............. 48
1.4.1. Измерение электронной плотности плазмы
ВЧ разряда............................................ 43
1.4.2. Распределение высокочастотного напряжения
в разрядной камере лазера........................ 54
- 3 -
1.4.3. Распределение газовой температуры в разрядной
камере при ВЧ возбуждении .............................. 56
Выводы ................................... -....г...*............. 59
Глава 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЛАЗЕРОВ... 61
2.1. Факторы, уменьшающие стабильность частоты ............. 64
2.1.1. Изменение температуры корпуса резонатора ................ 65
2.1.2. Изменение атмосферного давления ......................... 66
2.1.3. Колебания мощности накачки и изменение
давления рабочей смеси ................................ 66
2.2. Кратковременные флуктуации частоты лазеров .... 71
2.2.1. Методы улучшения кратковременной стабильности частоты........................................................ 76
2.3. Методы улучшения долговременной стабильности частоты........................................................ 77
2.3.1. Стабилизация частоты лазера по вершине
контура линии усиления .................................. 79
2.3.2. Стабилизация частоты лазера по линии
поглощения в дифгорэтилене .............................. 83
2.4. Управляющие элементы систем стабилизации
частоты.................................................. 88
В ы в о д ы .................................................... 92
Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ТИПОВ КОЛЕБАНИЙ, ФОРМЫ ЛИНИИ ГЕНЕРАЦИИ, КОЭФФИЦИЕНТА УСИЛЕНИЯ И ВЫВОДЫ СООТНОШЕНИЙ ПОДОБИЯ ДЛЯ ВЫХОДНОЙ МОЩНОСТИ
ЛАЗЕРА................................................... 93
3.1. Исследование типов колебаний и измерение
потерь резонаторов лазеров .............................. 95
3.1.1. Методика эксперимента........................................ 95
- 4 -
3.1.2. Результаты расчета и эксперимента ..................... 106
3.2. Исследование насыщения усиления лазера ................. 117
3.2.1. Результаты эксперимента и их обсуждение ................. 120
3.3. Построение соотношений подобия для выходной мощности лазеров с ВЧ возбуждением при
генерации на типе колебаний ЕНц ...................... 129
В ы в о д ы ................................................. 140
Глава 4. ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРОВ ДЛЯ ИНТЕРФЕРОМЕТРИИ
ПЛАЗМЫ......................................... 142
4.1. Источники СММ излучения для интерферометрии плазмы на основе UCN-лазера с ВЧ возбуждением ......................................................... 144
4.1.1. ты -лазер для лабораторных исследований ... 144
4.1.2. ИСЫ -лазер для интерферометрии плазмы с амплитудной индикацией фазового сдвига ......................... 147
4.2. HÖN-лазер многоцелевого назначения................. 152
4.2.1. Система автоматической подстройки мощности излучения .................................................... 154
4.2.2. Система автоподстройки разностной частоты
лазеров ................................................ 157
4.2.3. Основные характеристики лазера многоцелевого назначения.................................................... 159
4.3. Распространение в свободном пространстве
излучения волноводного лазера .......................... 161
4.4. Канализация излучения волноводного лазера .... 166
4.5. Детектирование излучения лазера = 337 мкм). 181
4.5.1. Пироэлектрический детектор .............................. 183
4.5.2. Детектор на базе точечного контакта
металл - cfrtSfß ....................................... IQ5
_ 5 -
4.5.3. Низкотемпературный детектор на кристалле
П-ЯпгЗб ............................................ 18?
4.6. Интерферометры для диагностики плазмы ................ 192
4.6.1. Интерферометр с амплитудной индикацией фазового сдвига для опытно-промышленной
установки У-25Б .................................... 192
4.6.2. Гетеродинный волноводный трехканальный
лазерный интерферометр .............................. 200
В ы в о д ы .................................................... 203
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ..................................................... 205
ЛИТЕРАТУРА ...................................................... 210
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время для генерации субмиллиметрового (СММ) излучения применяются, в основном, лампы обратной волны [19] , лазеры с оптической накачкой [29] и газоразрядные лазеры [бв] . Достоинством последних является их сравнительная простота и высокая надежность. Из этих генераторов наиболее широко используется и имеет тенденцию к дальнейшему распространению НС IV -пла-зер ( j\ = 337 мкм) [9IJ , что связано с его высокой выходной мощностью (более 50 мВт на I м разряда) и доступностью изготовления в большинстве лабораторий.
Впервые лазерное излучение на молекуле синильной кислоты получено в импульсном режиме в 1964 году, а в непрерывном - в 1966 году [Юв] . В СССР первый лазер наИС/V был создан в ХГУ в 1967 году [24] . Первые экспериментальные и теоретические работы по исследованию НСД/ -лазеров были посвящены совершенствованию их конструкций с целью увеличения выходной мощности, измерению коэффициента усиления и выяснению механизма генерации [б8, 102] . Проведенные измерения коэффициента усиления и частоты переходов лазеров на молекулах органических соединений ^112] не подтвердили предположение об ответственности радикала СИ за генерацию. В 1967 году Лайд и Маки [Пв] , указав на существенную роль локальных внутримолекулярных резонансов при генерации СММ излучения на колебательно-вращательных переходах молекул, предположили, что ответственной за генерацию в смеси газов, содержащих И9 С и А/ f является молекула
MN. В настоящее
время эта теория является общепризнанной.
Объяснение механизма создания инверсной заселенности рабочих уровней молекулы HC/V в газовом разряде наталкивается на существенные трудности, обусловленные тем, что в рабочей смеси
7
газов образуется множество различных молекул и радикалов и только около 2,7 % рабочих молекул [іЗі] . В работе [127] указано на существенную роль в возбуждении молекулы плазмохимических реакций. Протекание необратимых плазмохимических реакций не позволило создать НСМ -лазер, работающий без прокачки газовой смеси [і263 . Однако, эти причины не повлияли на широкое использование НСМ -лазера в прикладных исследованиях.
Первое широко известное применение эти лазеры нашли в цепях синтеза частот инфракрасной и видимой областей спектра [*14б]. Для этого требуются источники излучения, имеющие высокую чистоту спектра и значительные мощности (20 - 100 мВт в непрерывном режиме), ввиду низкой эффективности гармонических смесителей в СММ диапазоне. Работы по исследованию ширины линии излучения показали, что, вследствие флуктуаций концентрации электронов в разряде, монохроматичность газоразрядных лазеров на молекулах синильной кислоты не превышает 10"® ("72, 119, 136, 145]. Абсолютная стабилизация частоты НСМ -лазеров по эталону [22, 36, 100] позволила улучшить эту характеристику на порядок. Фазовую синхронизацию лазера возможно осуществить только в течение коротких интервалов времени, ввиду узкой полосы системы автоподстройки, обусловленной инерционностью управляющих элементов. Для устойчивой работы ФАП лазер должен иметь высокую кратковременную стабильность в режиме свободной генерации. Для получения приемлемых уровней выходной мощности и чистоты спектра были созданы лазеры с длиной разряда до 8 м, работающие при пониженных давлениях рабочей смеси [*22, 100] . Уменьшить ширину спектра, вплоть до I кГц, при сохранении уровня выходной мощности ЧСЫ -лазеров, возбуждаемых разрядом постоянного тока, позволяет применение предложенной нами (28 ] рабочей смеси, содержащей окись углерода.
Дальнейшим толчком к исследованию и широкому применению ла-
8
зеров на молекуле синильной кислоты послужили работы по управляемому термоядерному синтезу, так как оптимальными для интерферометрии плазмы большинства термоядерных установок являются частоты, лежащие в средней части субмиллиметрового диапазона [6 ,
55, 85] . Для этих целей требуются источники излучения с повышенной выходной мощностью, надежные в эксплуатации, обладающие хорошей долговременной стабильностью выходных характеристик. Для построения интерферометров с амплитудной индикацией фазового сдвига достаточным является обеспечение долговременной стабильности частоты привязкой ее к вершине контура усиления лазера [13, 31, 119]. Более высокую точность определения параметров плазмы обеспечивают интерферометры с измерением фазового сдвига на промежуточной частоте, лежащей в радиодиапазоне. В настоящее время HCN -^лазеры используются для построения гомодинных схем интерферометров, в которых для сдвига частоты используются механические устройства £54, 5б] . Недостатком таких систем является низкая промежуточная частота (до 100 кГц), что ограничивает временное разрешение интерферометра. Повысить промежуточную частоту можно применением гетеродинных схем. Для реализации гетеродинных интерферометров необходимы источники с высокой чистотой спектра и долговременной стабильностью частоты. В работе [то] нами показана возможность применения НС N -лазеров с высокочастотным возбуждением для построения таких интерферометров.
Использование субмиллиметровых интерферометров на крупных установках (токамаки, стеллараторы, МГД-генераторы и др.), в особенности для многоканальной интерферометрии, требует создания как источников излучения с повышенной выходной мощностью и стабильностью характеристик, так и трактов канализации их излучения с малыми потерями. Перспективными направляющими системами в СММ диапазоне являются широкие полые диэлектрические волново-
- 9 -
ды [I2l] . В последнее время проводится широкое теоретическое и экспериментальное исследование таких систем [5, 44, 8l]. Применение их в СММ интерферометре обеспечивает приемлемые уровни затухания (менее I дБ/м), меньшую критичность к юстировке и вибрациям по сравнению с зеркальными линиями передач [31, ПО] .
Работы по оптимизации выходных характеристик 'UCN -лазеров, возбуждаемых разрядом постоянного тока, выполненные в центре ядерных исследований (Франция) под руководством Д.Верона, позволили получить мощности излучения более 100 мВт, при длине разряда 2 м [91, 92]. Улучшение характеристик лазера достигнуто при использовании волноводного резонатора и рабочей смеси с большим (до 80 %) содержанием гелия. На основе этих лазеров построен многоканальный интерферометр для диагностики плазмы в то-камаке TF R [14з] .
Предложенный нами [28 , 75] HCN -лазер с возбуждением высокочастотным разрядом позволил значительно улучшить монохроматичность излучения и повысить мощности, снимаемые с единицы объема используемой моды резонатора, по сравнению с лазером, возбуждаемым разрядом постоянного тока [53, 76, 77].
Данная работа посвящена экспериментальному исследованию и оптимизации характеристик лазеров на молекуле синильной кислоты, вопросам канализации и детектирования излучения ( «/1 = 337 мкм) с целью создания эффективных источников СММ излучения и построения на их основе гетеродинных и многоканальных интерферометров.
Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:
1. Впервые предложено применять высокочастотный (ВЧ) разряд для возбуждения НС А/ -лазеров.
2. Установлено, что добавление в рабочую смесь в определенной пропорции окиси углерода или ксенона улучшает энергетические характеристики лазеров на молекуле синильной кислоты. Дано ка-
- 10 -
чественное объяснение этому эффекту.
3. Предложен и обоснован метод измерения концентрации электронов в низкотемпературной плазме газоразрядных лазеров и впервые исследованы характеристики продольного емкостного ВЧ разряда в органических соединениях.
4. Впервые проведено детальное исследование частотных характеристик лазеров на молекуле синильной кислоты.
5. Предложена и реализована схема включения на проход двухзеркальных резонаторов, одно из зеркал которых глухое, а второе равномерно полупрозрачно, и разработана методика исследования их типов колебаний.
6. Установлены соотношения подобия для волноводныхНС/'/~ лазеров с ВЧ разрядом.
7. Разработан, построен и исследован эффективный Ж'Л/.-ла-зер с рекордными характеристиками для гетеродинного СШ интерферометра.
Практическая ценность работы.
Найдены оптимальные режимы работы И СIV -лазеров с ВЧ возбуждением и получены соотношения для инженерного расчета лазеров с заданной выходной мощностью. Материалы, представленные в данной работе, послужили основой для создания//С,Л/-лазеров с ВЧ возбуждением в ХГУ, СФТИ, ИРЭ АН УССР. Разработанные лазеры применяются в интерферометрах для диагностики плазмы в МВТ АН СССР, ХФГИ, МРТИ, а также в ИОФАН (разработка ИРЭ АН УССР совместно с ХГУ), СФТИ. Проведенные исследования распространения СШ лазерных пучков в широких полых диэлектрических волноводах позволили применить тракты канализации излучения на их основе в интерферометрах на крупных плазменных установках (ИВТ АН СССР, ХФТИ).
II
Основные положения и результаты, выносимые на защиту.
1. Применение ВЧ разряда обеспечивает рекордные значения удельной выходной мощности, КПД и монохроматичности лазеров на молекуле синильной кислоты.
2. Использование окиси углерода в составе рабочей смеси /т/ДУ-лазера с разрядом постоянного тока приводит к улучшению монохроматичности и четырехкратному росту КПД.
3. Введение в рабочую смесь лазеров на молекуле синильной кислоты ксенона обеспечивает увеличение на 30 % коэффициента усиления.
4. Методика экспериментального исследования типов колебаний несимметричных лазерных резонаторов и измерения концентрации электронов в низкотемпературной плазме газоразрядных лазеров.
5. Результаты экспериментального исследования резонаторов, коэффициента усиления, потерь энергии моды ЕН]-^ при распространении в широких стеклянных трубах и построение на их основе соотношений подобия для инженерного расчета волноводных лазеров с возбуждением ВЧ разрядом.
6. Разработка и создание НСМ -лазеров, трактов канализации излучения для субмиллиметровых интерферометров, применяемых для диагностики плазмы на опытных и опытно-промышленных установках.
Апробация работы и публикации.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технической конференции "Использование оптических квантовых генераторов в современной технике" (гЛенинград, 1971 г.),
П Республиканском семинаре по квантовой электронике (г.Харьков,
1973 г.), Всесоюзном симпозиуме по распространению СШ и ММ волн в атмосфере Земли и планет (Москва-Горький, 1974 г.), на Ш Все-
- 12 -
союзном симпозиуме по ММ и СММ волнам (г.Харьков, 1978 г.), на П Всесоюзном совещании по диагностике плазмы (г.Харьков,1977 г,)* на заседании Научного совета АН УССР по проблеме "Физика и техника миллиметровых и субмиллиметровых волн" (г.Харьков,1984 г.), Всесоюзном семинаре "Лазерная техника и технология" (г.Троицк, 1984 г.), 1У Всесоюзном симпозиуме по ММ и СММ волнам (г.Харьков, 1984 г.).
Основные результаты диссертации опубликованы в работах Г7, 13, 15, 28, 31, 65, 72-79, 82] и защищены авторским свидетельством №794695.
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит 134 страницы основного машинописного текста, 74 рисунка, 5 таблиц и список литературы из 147 наименований.
Во введении обоснована актуальность работы, сфор^лирована цель работы, выделены основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе приведены результаты экспериментального исследования энергетических характеристик лазеров на молекуле синильной кислоты, указаны пути их улучшения.
Во второй главе приведены результаты исследования частотных характеристик лазера и приведены методы улучшения кратковременной и долговременной стабильности частоты квантовых генераторов.
В третьей главе рассмотрены вопросы насыщения усиления лазеров, проведено исследование волноводных резонаторов, получены соотношения подобия для инженерного расчета лазеров.
В четвертой главе дано описание различных конструкций НСМ-лазеров с ВЧ возбуждением, рассмотрены вопросы канализации СММ излучения и вопросы детектирования излучения ( Л = 337 мкм).
В заключении сформулированы основные результаты, полученные в данной работе, сделаны выводы о практическом их использовании.
- 13 -
Глава I. ИССЛЕДОВАНИЕ КВАНТОВЫХ ГЕНЕРАТОРОВ НА МОЛЕКУЛАХ СИНИЛЬНОЙ КИСЛОТЫ С ЦЕЛЬЮ ОПТИМИЗАЦИИ ИХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК.
Особенности вращательно-колебательной структуры линейных трехатомных молекул и эффективное возбуждение их в плазме газового разряда позволили получить генерацию в субмиллиметровом диапазоне на молекулахНС Я , Т>С1\1, Я2.0 и др[26, 102].
Лазерные переходы были частично расшифрованы в 1967-1968 годах. Большую роль сыграла работа Р.Лайди и Дж.Маки [пв] по идентификации лазерных переходов в НС/V . Механизм возбуждения здесь имеет свои особенности. Существенным для образования инверсии является взаимодействие между вращательными уровнями близких по энергии возбужденных колебательных состояний.
Колебание несимметричной линейной трехатомной молекулы л У£ может быть представлено в виде трех нормальных колебаний, а также составных колебаний [17, 69]. Форш колебаний молекулы Я СИ показаны на рис. 1.1. Трем нормальным типам колебаний соответствуют квантовые числа У] , Уг., Уз • Нормальное колебание 010 и более сложные виды колебаний при 0 двукратно вырождены. При вращении молекулы вырождение снимается. Если вращение и деформационное колебание молекулы происходят так, что направление колебания ядер и угловой момент вращения перпендикулярны, то возникают силы Кориолиса и изменяется момент инерции молекулы. Если деформационное колебание происходит перпендикулярно плоскости чертежа, то силы Кориолиса не возникают и момент инерции не изменяется. Различный характер взаимодействия деформационных колебаний, происходящих в перпендикулярных плоскостях с вращением, приводит к эффекту расщепления уровней, называемого 0 -удвоением.
Наличие £ -удвоения позволяет представить суммарное коле-
- 14 -
О
о
о-
♦ --о
1
-6-
и
I
•6
©
-о
0
1
У
С
л
I
*
0 \ О
- ч).
У
N
Рис. 1.1 Нормальные колебания и силы Кориолиса в молекуле НС IV .
у,- симметричное валентное колебание. У2 - деформационное колебание.
У3- асимметричное колебание.
Сплошными стрелками показаны нормальные колебания, пунктиром - силы Кориолиса.
- 15 -
бание в виде круговых или элиптических колебаний. Оно характеризуется моментом количества движения £ , направленным вдоль оси симметрии молекулы. На значение £ накладывается ограничение £ ^ У , где ^ - вращательное квантовое число. Уровни с & = О, I, 2, ... имеют различный тип симметрии. При 1/а четном £ принимает четные значения 0, 2, 4, ... 1/а , при 1/д не-
четном £ = I, 3, 5, ... 1/2
При каждом £ (кроме £ = 0) колебание двухкратно вырождено. Вырождение снимается при вращении молекулы. С ростом ^ расщепление увеличивается. Вероятность вращательно-колебательных переходов приближается к вероятности чисто вращательных переходов при возникновении резонанса между вращательными уровнями.
Генерация на молекуле И С А/ наблюдается при наличии вращательного кориолисового возмущения• Различная асимметрия колебательного состояния приводит к уменьшению £ на + I при переходе. Пара взаимодействующих уровней характеризуется набором квантовых чисел ^
Вращательные уровни в соответствии с симметрией состояния являются попеременно положительными или отрицательными. Отличаются симметрией также расщепленные уровни.
Идентифицируемые переходы, особенности вращательной структуры молекулы НС А/и возникновение резонанса между уровнями показано на рис. 1.2 а, б. Волнистой линией соединены взаимодействующие уровни. Наличие таких уровней объясняет такие экспериментальные данные, как уменьшение интенсивности излучения 311 мкм при одновременной настройке резонатора на длину волны 337 мкм. При этом уменьшается населенность уровня 10 (11%) и увеличивается населенность уровня 9 (04%). Благодаря сильной связи вращательных состояний внутри каждого уровня, населенность уровня
- 16 -
12° О
0510
12*0
а)
а1 о
о5°о
5-12
5-27
5-26
5-25
Ъ)
Рис. 1.2 Идентифицированный рабочие переходы молекулы Т5СЫ в СШ области спектра.
а).Переходы в области 100 мкм.
б).Переходы в области 300 мкм.
- 17 -
10 (04%) увеличивается, что приводит к падению мощности на длине волны 311 мкм. В экспериментах наблюдалась также каскадная связь между линиями при перепадах 10 (П^О)-1— 9 (04%),
9 (04%)-**-*— 8 (04°0), II (1110)-«-10 (04°0) и Ю(04°0) —*-9(04%) В газовом разряде лазера п&ЯС/'/образуется около 20 различных ионов и радикалов и только 2,7 % составляют молекулыЯб'Л/ [132]. Поэтому механизм получения инверсной заселенности молекулы в газовом разряде является сложным процессом. В работе /127] указывается на возможность образования молекулы НС/У в ходе химических реакций в плазме непосредственно в возбужденных колебательных состояниях 100 и 11%. Для плазмыЯС'Д/-лазера существенно присутствие радикала СЯ в качестве переносчика углерода в газовой фазе [129]. Это наблюдение хорошо согласуется с теорией химического равновесия в плазме низкого давления /140]. Применение этой теории к плазмеЯС/У-лазера предсказывает участие радикалов ая в химическом образовании молекул ЯС.Я [131].
Экспериментально наблюдалось, что увеличение мощности генерации сопровождается увеличением интенсивности излучения фиолетовой полосы СЛ/ /125]. Верхнее колебательное состояние молекулы ИСЯ помимо деформационных колебаний включает валентные колебания одного типа - колебания атомов С и N . Возбуждение этих колебаний может происходить за счет резонансной передачи энергии радикала С Я молекулам ЯС Л/.
Исследование временных характеристик усиления в импульсном лазере и явления запаздывания лазерной генерации по отношению к электрическому возбуждению /99, 116, 135] показали, что возбуждение молекул НСМ усиливается за счет бимолекулярных столкновений Яг. ~ Н С/V[147].
В работе /"124^ показано, что добавление в рабочую смесь СС^ или 0^ приводит к увеличению КПД. Кроме резонансного обмена
18
энергией и возбуждения в ходе химических реакций возможен меха-низм возбуждения при соударениях электронов с молекулами активного газа. При соударениях может происходить как заселение колебательных состояний, участвующих в генерации, так и заселение высших колебательных состояний с последующим переходом на рабочие колебательные уровни.
Исходя из предполагаемых механизмов создания инверсной заселенности рабочих молекул, нами для увеличения КПД и мощности излучения использованы следующие методы [2, 28].
1. Добавка окиси углерода или ксенона в рабочую смесь лазера.
2. Применение высокочастотного разряда для возбуждения лазера.
Увеличение мощности излучения также достигается применением волноводного резонатора. Резонаторы субмиллиметровых лазеров имеют малые числа Френеля (/VЛ' I). Чтобы избежать больших дифракционных потерь необходимо использовать объемы мод намного меньше того объема, который заключен между зеркалами лазера.
Это приводит к неэффективному использованию усиливающего разряда. Увеличение рабочего объема при увеличении диаметра разрядной камеры не приводит к положительному эффекту из-за уменьшения коэффициента усиления активной среды [92] . Увеличение рабочего объема достигнуто использованием лазерной разрядной трубки, как диэлектрического волновода. Впервые использовать волноводный резонатор для оптических квантовых генераторов было предложено в работе [121]. Использование волноводного эффекта разрядной камеры/-/^//-лазера позволило значительно увеличить его выходную мощность [77, 93].
- 19 -
1.1. Увеличение выходной мощности и КПД введением добавки различных газов в рабочую смесь лазера.
1.1.1. Экспериментальная установка.
Нами для исследования влияния добавки различных газов в рабочую смесь лазера использовалась установка, блок-схема которой приведена на рис.1.3.
Квантовый генератор имел длину резонатора 1,8 м, длину активной области разряда 1,4 м, внутренний диаметр разрядной камеры 56 мм. Катод и анод, выполненные из нержавеющей стали, размещались в боковых отростках разрядной камеры. Внутренняя часть охлаждаемого водой полого катода имела форму конуса, плавно переходящего в цилиндр. Анод имел форму острия с углом заточки 15°. Такая форма электродов обеспечивала получение стабильного разряда при токах до I А. Зеркала резонатора - внутренние стеклянные с золоченным покрытием с радиусом кривизны 5 м и диаметром выходного отверстия в одном из них 8 мм. Лазер монтировался на стандартной оптической скамье типа ОСК-2 с применением специальных массивных держателей юстировочных головок с зеркалами и работал в проточном режиме с медленным током рабочей смеси.
Напряжение источника питания составляло 5 кВ и было тщательно отфильтровано (пульсации напряжения на частоте 100 Гц не более I %). В качестве балластного сопротивления применялся мощный генераторный тетрод ГУ-27Б. Изменением накала лампы можно регулировать ее внутреннее сопротивление и, следовательно, ток разряда в широких пределах.
Для формирования рабочей смеси до разрядной камеры предусмотрен синтезатор, представляющий собой разрядную трубку длиной 30 см и внутренним диаметром 20 мм. Разрядная трубка лазера и синтезатор имели общий катод, что позволяет осуществлять подачу
Рис. І.3 Блок-схема установки для исследования лазера.
I - Оптическая скамья, 2 - разрядная камера, 3 - рубашка охлаждения,
4 - зеркала резонатора, 5 - юстировочные узлы, 6 - катод, 7 - разрядная трубка синтезатора рабочей смеси, 8 - штуцера входа и выхода охлаждающей жидкости, 9 - манометр, 10 - дозировочные вентили напуска рабочей смеси,
II - источник постоянного напряжения 1[ = 2 кВ, 12 - регулятор тока,
13 - источник постоянного напряжения Ц = 5 кВ, 14 - анод, 15 - штуцер откачки рабочей смеси, 16 - делитель, 17 - измеритель мощности,
18 - модулятор, 19 - пироприемник, - усилитель, 21 - осциллограф.