Кинетика активных сред рекомбинационных газоразрядных лазеров

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ...............................................................6
1. РЕКОМБИНАЦИОНЫЙ Ne-H2 ЛАЗЕР С ПЕННИНГОВСКОЙ ОЧИСТКОЙ НИЖНЕГО УРОВНЯ......................................................32
1.1. Генерация на >^=585,3 нм Ncl в разряде с полым катодом ...........33
1.2. Генерация на >и=585,3 нм Nel в продольном разряде.................40
1.3. Механизмы накачки и инверсии Ne-H2 лазера.........................45
1.4. Исследование продольного разряда в трубке с протяженными металлическими сегментами как активной среды рекомбинационных лазеров.........59
1.4.1. Глубина проникновения разряда в катодную полость металлических сегментов ........................................................63
1.4.2. Спектрально-временные характеристики «сегментированного» разряда...........................................................68
1.4.3. Ne-H2 и Не-Кг4 лазеры с возбуждением в «сегментированном» разряде.......................;..................................71
1.5. Выводы............................................................75
2. ЛАЗЕР НА АТОМНЫХ И ИОННЫХ ПЕРЕХОДАХ РТУТИ ............................78
2.1. Новые лазерные переходы в спектре Hgl ............................79
2.2. Механизмы генерации на переходах Hgll ............................85
2.3. Исследование процессов заселения уровней Hgll методом модуляции населенностей .................................................87
2.4. Изучение процессов заселения уровней бейтлеровского спектра Hgll .92
2.5. О роли ступенчатых ударов второго рода в лазере на ионных переходах ртути ..............................................................96
2.6. Выводы...........................................................105
3. РЕКОМБИНАЦИОННЫЕ ЛАЗЕРЫ НА ПЕРЕХОДАХ МНОГОЗАРЯДНЫХ ИОНОВ .............................................................107
3.1. Потенциальные рекомбинационные лазерные переходы в спектрах миогозарядных ионов...........................................109
3.2. Анализ возможности рекомбинационной накачки уровней многозарядных ионов в газоразрядной плазме....................112
3.3. Экспериментальное исследование возможности рекомбинационной накачки уровней T1III ........................................116
3.4. Рекомбинационные лазеры на переходах OIII и XelV ................121
3.5. Выводы...........................................................128
130
130
137
137
140
147
151
156
160
162
167
171
172
178
179
182
185
186
187
187
189
194
199
199
201
205
207
207
212
216
225
4. ОПТИМИЗАЦИЯ И ДИАГНОСТИКА РЕКОМБИНАЦИОННЫХ Не-Бг* и Не-Са+ЛАЗЕРОВ.........................................................
4.1. Механизмы генерации Не-Зг^Са4) лазеров.........................
4.2. Диагностика активных сред Не-Зг^Са4) лазеров...................
4.2.1. Измерение концентраций долгоживущих компонент плазмы ......
4.2.2. Измерение электронной температуры и концентрации ..........
4.3. Экспериментальная оптимизация Не-8г+(Са+) лазеров .............
4.3.1.Оптимизация по давлению активной среды......................
4.3.2. Оптимизация по энерговкладу в активную среду...............
4.3.3. Закономерности, присущие активным средам саморазогревных Не-Зг^Са4) лазеров................................................
4.4. Методика расчета оптимальных параметров Не-Зг4(Са+) лазеров....
4.4.1. Тестирование методики расчета оптимальных параметров Не-Зг+(Са*) лазеров...............................................
4.5. Малогабаритные Не-Зг4(Са‘) лазеры .............................
4.5.1. Типы малогабаритных саморазогревных Не-Зг4(Са+) лазеров....
4.5.2. Экспериментальный образец (макет) Не-Са' лазера............
4.6. Применения Не-Зг^Са*) лазеров..................................
4.7. Выводы ........................................................
5. ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АКТИВНЫХ СРЕД Не-3г+ и Не-Са+ ЛАЗЕРОВ..........................................
5.1. Самосогласованные математические модели Не-3г+ и Не-Са+ лазеров ..
5.1.1. Модель Нс-3г+ лазера.......................................
5.1.1.1. Электрическая цепь накачки............................
5.1.1.2. Долгоживущие частицы..................................
5.1.1.3. Поуровневая кинетика .................................
5.1.1.4. Электронная и газовая температура.....................
5.1.1.5. Процессы переноса.....................................
5.1.1.6. Коэффициент усиления .................................
5.1.1.7. Энергетические характеристики излучения ..............
5.1.1.8. Исходные данные и начальные условия ..................
5.1.2. Модель Не-Са+ лазера.......................................
5.2. Тестирование математических моделей ...........................
5.3. Анализ влияния эффектов самопоглощения на временной ход интенсивности спектральных липий в Ые-Зг‘(Са4) лазерах..............
5.4. Анализ пространственно-временных характеристик активной среды Не-3г+лазера........................................................
3
5.4.1. Процесс установления импульсно-периодического режима ........225
5.4.2. Установившийся импульсно-периодический режим....................227
5.5. Исследование процессов контракции и расконтрагирования в активной •
среде He-Sr+ лазера'............................... ‘ 23 Г
5.6; Выводы ....................../...................: ’...243 .
6. ДОСТИЖИМЬШ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГЕНЕРАЦИИ He-Sr+ (Са4) ЛАЗЕРОВ ....245
6.1. Численная многопараметрическая оптимизация-.........................245
6.2. Повышение энергетических характеристик за счет увеличения давления^ активной среды .......................................... 254
6.3. Повышение энергетических характеристик за счет увеличения объема активной.среды и частоты следования импульсов ................ 259-
6.4. Повышение энергетических характеристик в режиме возбуждения пачками импульсов* .......................................... 267:
6.5. Повышение пиковой мощности и укорочение импульсов генерации
’ методом разгрузки резонатора' .........•..................... .271
6.6. Оперативное управление характеристиками генерации ............... 275
. 6.7. Анализ возможности получения инверсии на новых переходах SrII ы
условиях сильно нестационарной рекомбинационной кинетики ........;—281
6.8. Многоволновая генерация на видимых и-ИК переходах SrII иБгГ284г
6.8.1. Условия-одновременной многоволновой генерации;на переходах
. -• SrII и Srlv ..............................:..;..... 285-
6.8.2! Прсдельная:частота следования импульсов генерации на ИК
. переходах SrII....:................................... .....289
6.9. Деионизация плазмы послесвечения за счет «ускоренной» амбиполярной диффузии^ ................................................ 300
6.10. Выводы- ..........!...............................................305
7. КАТАФОРЕЗНЫЕ ИМПУЛЬСНО-ПЕРИОДИЧЕСКИЕ He-Cd+ и He-Sr+
ЛАЗЕРЫ .........................................:.......................309
7.1. Скорость прокачки паров мегапла в импульсно-периодическом
разряде ............................................... 1......310'
7.2. Динамика катафореза в импульсно-периодическом разряде.............; 312
7.3. Катафорсзные импульсно-периодические лазеры на парах кадмия и стронция .....................................;............. 322
7.3.1. Катафорезный импульсно-периодический He-Cd+ лазер.............323-
7.3:1.1. Возбуждение Bf продольном-разряде .......;...............325
• 7.3.1.2. Возбуждение в «сегментированном» разряде.................328:
7.3.2. Катафорезный импульсно-периодический He-Sr+ лазер.............333
7.4. Критерии пространственной однородности активных сред катафорезных импульсно-периодических лазеров на парах металлов....................339
7.4.1. Поперечное распределение паров металла......................339
7.4.1.1. Радиальный катафорез ..................................342
7.4.1.2. Термодиффузия .........................................344
7.4.1.3. Предымпульсный радиальный профиль концентрации атомов металла .......................................................344
7.4.2. Критерий поперечной однородности активных сред импульснопериодических ЛПМ................................................ 345
7.4.3. Оптимальные режимы возбуждения катафорезных импульсно-периодических ЛПМ..................................................352
7.5. Выводы .........................................................355
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ............................................................358
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Метод Нслдера-Мида.......................................369
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Генетический алгоритм....................................372
ЛИТЕРАТУРА.............................................................378
5
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Диссертация посвящена комплексному исследованию кинетики процессов, определяющих накачку и инверсию населенностей на переходах в спектрах нейтральных атомов, одно- и многозарядных ионов в рекомбинирующей газоразрядной плазме, а также поиску новых перспективных активных сред рекомбинационных лазеров и способов их возбуждения.
Рекомбинационные лазеры (РЛ) - лазеры, инверсная заселенность в которых возникает в период рекомбинации плазмы, обладают рядом привлекательных черт, обеспечивших в последнее время их интенсивное развитие [1-10]. В первую очередь могут быть отмечены потенциальная возможность ввода в плазму высоких плотностей энергии и получения высоких выходных мощностей, а также возможность возбуждения в рекомбинирующей плазме переходов в спектрах не только атомов и ионов, но также и многозарядных ионов, что перспективно для создания лазеров коротковолнового диапазона.
Наиболее удобным и распространенным способом возбуждения РЛ является газоразрядный способ. Г азоразрядные лазеры представляют собой обширный класс источников излучения высокого качества, которые обеспечивают генерацию в широком диапазоне длин волн, обладают высокими выходными характеристиками и находят широкое применение для решения большого круга научных и практических задач [5-22].
Рекомбинационные газоразрядные лазеры обладают всеми достоинствами, присущими газоразрядным лазерам. Они имеют достаточно простую конструкцию, их излучение обладает высокой монохроматичностью, когерентностью, направленностью, узкой линией генерации. Импульсный режим возбуждения РЛ позволяет достигать высокого усиления как правило на нескольких переходах и тем самым обеспечивать во многих активных средах одновременную многоволновую генерацию в разных участках спектра. Применение импульсно-периодического режима с высокой частотой следования импульсов позволяет достигать высоких значений как импульсной, так и средней мощности генерации. При этом в рекомбинационных лазерах на парах металлов (ЛИМ) использование режима саморазогрева решает задачу ввода паров в активную среду и обеспечивает достаточно высокий практический КПД [5-10], а наличие эффекта расконтраги-рования разряда [23-27] позволяет обеспечивать пространственную однородность активных сред при высоких давлениях вплоть до нескольких атмосфер. Высокие выходные характеристики и возможность генерации высококачественного излучения в широком диапазоне длин волн от мягкого рентгеновского до ИК диапазо-
6
на делает рекомбинационные газоразрядные лазеры перспективными для многих практических применений.
Плазма, служащая активной средой газоразрядных лазеров, является термодинамически неравновесной. По отклонению от равновесия различают перегретую (ионизационно-неравновесную) и переохлажденную (рекомбинационно-неравновесную) плазму. Поскольку степень ионизации, как правило, не является равновесной, то состояние плазмы можно классифицировать по отклонению степени ее ионизации от равновесного значения для данной электронной температуры. Если плазма имеет недостаточную для равновесия степень ионизации, то плазма преимущественно ионизуется, в противном случае преобладают процессы рекомбинации заряженных частиц. Лазеры на переохлажденной плазме обычно называют рекомбинационными или плазменными, а лазеры на перегретой плазме - газовыми [1-10]. . • .
Лазеры с одним типом неравновесности активных сред имеют ряд общих свойств, отличных от лазеров с другим типом неравновесности. Так, газовые лазеры генерируют, как правило, на переднем фронте возбуждающего импульса (их типичными представителями являются самоограниченные лазеры на переходах атомов. меди, золота, свинца, а также атомов и ионов стронция, кальция, бария [7-8, 11-14, 20-22, 28-29]) или в непрерывном режиме в газах низкого давления (например, ионные аргоновый и криптоновый лазеры [8, 18; 30]). Рекомбинационные же лазеры обычно генерируют в послесвечении импульсного разряда (например, ионные лазеры на фиолетовых переходах стронция (>=430,5 и 416,2 нм Srll), на УФ переходах кальция (Х=373,7 и 370,6 нм Gall), на зеленой линии ртути (>=567,7 нм Hgll) [5-10]). При этом расположение уровней, удобное для формирования инверсии при возбуждении электронным ударом из основного состояния атома или иона, как правило, не приводит к инверсии при рекомбинационной накачке и наоборот [8].
Впервые возможность использования рекомбинирующей плазмы в качестве активной среды для лазеров была показана в 1963 г. в работе Л.И. Гудзенко и Л.А. Шелепина [31], где на основе теоретического анализа неравновесной водородной плазмы сделан вывод о возможности получения значительных коэффициентов усиления. В дальнейших теоретических работах рассматривались различные механизмы, приводящие к быстрому охлаждению свободных электронов - охлаждение за счет столкновений с тяжелыми частицами, пристеночное охлаждение за счет амбиполярной диффузии, разлетный механизм охлаждения [32-34]. Проводился анализ релаксационных процессов, приводящих к инверсии населенностей в атомах и ионах с различной электронной структурой [35-37]. Изучалась возможность создания коротковолновых лазеров за счет рекомбинационной накачки
уровней многозарядных ионов [4, 38-42]. Развивалась теория лазеров на электронных переходах разлетлых молекул [43-44]. Для получения интенсивно рекомбинирующей плазмы рассматривалась возможность использования послесвечения импульсного разряда [37], разлетающегося в вакуум плазменного сгустка [34], лазерной плазмы [38]. Была показана принципиальная возможность создания непрерывного РЛ на основе плазмы, стационарно рекомбинирующей при воздействии электронного пучка [45], продуктов ядерных реакций [46]. Поскольку одной из задач в реализации РЛ является эффективное очищение нижнего лазерного уровня, анализировались различные схемы его очистки: радиационный распад [31-32], девозбуждение при столкновениях с медленными электронами [35, 37], очистка ионизирующейся примесью [1,3, 45,.47-48].
К началу 1970-х годов теоретические исследования РЛ оформились в самостоятельное научное направление, значительный вклад в развитие которого внесли работы Л.И. Гудзенко, Л.А. Шелепина, С.И. Яковленко с сотрудниками [1-4, 8, 45-55]. Примерно в это же время начались систематические целенаправленные экспериментальные исследования РЛ [56-65].
Генерация в спектрах нейтральных атомов в импульсном разряде была получена при различных типах рекомбинации заряженных частиц.
В частности, генерация на ИК переходах в спектрах Аг1, Кг1, Хе1 наблюдалась в смесях инертных газов (лучшими выходными характеристиками обладает линия Х=1,73 мкм Хе1). Наиболее высокие характеристики генерации достигались при больших давлениях газов (порядка атмосферного). При столь больших давлениях используется преимущественно электроионизационный и электронно-лучевой метод создания плазмы [66-75]. В этих условиях накачка возбужденных уровней в послесвечении, а также частично в период действия электронного пучка, обусловлена процессами диссоциативной рекомбинации молекулярных ионов инертных газов:
При давлениях значительно ниже атмосферного накачка в послесвечении в основном обусловлена ударно-радиационной рекомбинацией атомарных ионов:
Генерация на А=844,6 нм 01 в послесвечении разряда в кислороде осуществлялась при накачке диссоциативной рекомбинацией (1) [76].
Процесс ион-ионной рекомбинации:
А2+ + е -» А* + А, АВ+ + е —> А* + В.
(О
(2)
А+ + е + е(А, В) А* + е(А, В).
(3)
А+ + В- —» А* + В
(4)
8
обеспечивал накачку и генерацию на ИК переходах атомов натрия (Л.=1,138 и 1,140 мкм) и калия (7= 1,243 и 1,252 мкм) в их смесях с водородом [77-80].
Б [81] установлена решающая роль ион-ионной рекомбинации в накачке резонансного уровня при генерации на резонансном переходе алюминия с 7.=396,2 нм, полученной при облучении алюминиевой мишени АгБ лазером (7.=! 93 нм) и разлете паров алюминия в водород. Основным источником получения ионов А1+ и IГ являлась фотоионизация компонент Л1-Н2 смеси излучением ЛгБ лазера. В [82] исследовались спектральные и электрические характеристики импульснопериодического разряда в парах алюминия с водородом в присутствии буферных газов неона и гелия с целью поиска разрядных условий, которые бы позволили реализовать в разряде физические процессы, аналогичные фотопроцессам при освещении металлических мишеней эксимерными лазерами.
Серия работ [83-86] посвящена поиску новых возможных сисгем для реализации импульсных лазеров, инверсия в которых образуется в процессе ион-ионной рекомбинации. В частности, рассмотрены возможные пары положительных ионов металлов и отрицательного иона кислорода. Также экспериментально установлена заметная роль ион-ионной рекомбинации в формировании послесвечения импульсного разряда в смесях галогенидов металлов с водородом и буферным газом гелием.
Наибольшее количество линий генерации в спектрах нейтральных атомов было получено при накачке ударно-радиационной рекомбинацией:
А+ + 2е -> А* + е. (5)
Основная часть этих линий принадлежит ПК диапазону. В их числе находятся генерация на переходе 4-3 атома водорода (А.= 1,87 мкм) [58], на Зр-Зз переходах атомов углерода (7=1454, 1069, 1068, 966, 941 нм) и на ряде переходов в атоме азота (7=906,4; 862,9; 859,4 нм) [87-89]. Генерация в послесвечении наблюдалась также на ИК атомных переходах ртути, кадмия, цинка, магния, таллия, олова, серы, никеля, свинца [90-96].
В [97-99] была предложена новая методика создания рекомбинирующей газоразрядной плазмы - сегментированный искровой разряд, который возбуждался в небольших зазорах между рядом тонких металлических полосок, размещенных на диэлектрической подложке. Под действием разряда атомы металла вводятся в плазму между полосками, ионизируются, и плазменные сгустки расширяются полусферически в окружающий буферный газ (преимущественно гелий). При этом плазма быстро охлаждается и рекомбинирует. При использовании сегментированного искрового разряда была получена генерация при рекомбинационной накачке на 54 переходах ближнего ИК диапазона в спектрах ато-
9
мои углерода, кадмия, цинка, магния, олова, свинца, серебра, индия, кальция, меди, висмута, лития, алюминия.
Генерация на атомарных переходах видимого диапазона, нижними уровнями которых обычно являются сильнозаселенные метастабильные и резонансные состояния, может быть получена при использовании сголкновительного механизма очистки. Так, в [100] была получена генерация па переходе атома кадмия
л о
6 8] - 5 Р| (Х=480 нм) в послесвечении поперечного разряда в смсси паров кадмия с водородом и гелием при очистке нижнего уровня 53Р] в столкновениях с молекулами водорода.
Одним из эффективных способов столкновительной очистки нижнего лазерного уровня является очистка ионизирующейся примесью [1, 3, 45, 47]. Экспериментально такая схема инверсии при очистке реакцией Пеннинга на водороде впервые была по-видимому реализована на линии гелия 21=706,5 нм Не1 в послесвечении продольного импульсного разряда в смеси Не-Н2 [101], а также на желтой линии неона А.=585,3 нм N01 в послесвечении поперечного разряда в смеси №-Н2 [102-103]. Высокие удельные мощности генерации были получены при возбуждении №-Н2 лазера электронным пучком [104-105], что свидетельствует о перспективности №-Н2 лазера при таких способах газоразрядного возбуждения, которые обеспечивают эффективную ионизацию рабочего газа, например, за счет наличия в плазме группы быстрых немаксвелловских электронов.
Потенциалы как однократной, так и двукратной ионизации многих элементов сравнительно невелики, что позволяет получать в условиях газового разряда значительные концентрации не только однократных, но и двукратных ионов и осуществлять в послесвечении рекомбинационную накачку ионных переходов, имеющих более короткие длины волн по сравнению с атомарными переходами.
Одними из первых экспериментальных работ, посвященных исследованиям ионных рекомбинационных лазеров, были работы, начатые в 1972 году Е.Л. Ла-тушем и М.Ф. Сэмом с сотрудниками в Ростовском государственном университете [56-57, 59-65]. Результатом этих работ, обобщенных в [5-6, 9-10], является создание класса ионных рекомбинационных лазеров на парах металлов.
В частности, была впервые получена генерация на 35 ионных переходах щелочноземельных металлов, алюминия, олова и свинца в послесвечении импульсного разряда при накачке ударно-радиационной рекомбинацией:
А4* + 2е —» А+" + е, (6)
а также была исследована генерация при рекомбинационной накачке на ионных переходах ртути, кадмия, цинка.
Была показана важность электронного девозбуждения [106]:
10
Л"’* + е -> А^* + е, (7)
которое перераспределяет населенности близкорасположенных уровней, а значит существенно влияет на создание инверсии в условиях рекомбинирующей плазмы.
С учетом роли электронного девозбуждения были сформулированы общие требования к расположению лазерных уровней для формирования инверсии в условиях рекомбинационно-столкновителыюй кинетики:
- верхний лазерный уровень должен быть одним из нижних в верхней группе близкорасположенных уровней;
- нижний лазерный уровень должен быть одним из верхних в нижней группе близкорасположенных уровней;
- нижний лазерный уровень не должен располагаться слишком близко к основному состоянию;
- уровень электронной температуры Ге должен быть как можно ниже, а концентрация электронов пс должна быть достаточно высокой, чтобы вероятность столкновительных переходов внутри групп превосходила вероятность оптических переходов.
Именно при таком расположении уровней электронное девозбуждение способствует концентрации накачки на верхнем лазерном уровне и эффективной очистке нижнего уровня.
Наиболее эффективными из ионных рекомбинационных лазерных переходов являются переходы 62Si/2 - 52Рз/2,1/2 SrII (^=430,5 и 416,2 нм) и 52S1/2 - 42P3C,i/2 Call (к-313,7 и 370,6 нм), что является следствием удачного расположения лазерных уровней с точки зрения рекомбинационно-столкновительной кинетики [5-10]. Генерация на фиолетовых и УФ линиях ионов стронция и кальция наиболее эффективна при больших давлениях легкого буферного газа гелия, способствующих быстрому и глубокому охлаждению электронов в послесвечении, необходимому для достижения высокой скорости рекомбинационной накачки (коэффициент ударно-радиационной рекомбинации о^ резко зависит от электронной температуры
Гс, а также от заряда иона Z: ат =9,21-10"27Z3 InVz2 +1 ■7’e"9/2 [3, 5-6, 107-110];
здесь Тс измеряется в эВ). Достаточно высокие достигнутые значения средней (до -4 Вт) и импульсной (до -20 кВт) мощности генерации, коэффициента усиления (-0,1 см'1) и КПД (-0,1%) при высоком качестве излучения ставят рекомбинационные He-Sr+ и Не-Са* лазеры в ряд лучших источников лазерного излучения фиолетового и УФ диапазонов.
Исследования механизмов генерации в послесвечении импульсного разряда [5-10, 111-131] показали, что существенную роль в накачке ряда ионных лазерных
11
переходов (в том числе, в спектрах элементов . II группы) в рекомбинирующей плазме играют удары 2 рода между тяжелыми долгоживущими частицами с тепловыми энергиями, при которых возбужденный атом или ион буферного газа передает энергию атому или иону примеси. Было показано также [128], что в условиях рекомбинационно-столкновительной кинетики удары. 2 рода могут быть рассмотрены как процессы, увеличивающие, начиная с некоторого уровня, рекомбинационный поток, проходящий по уровням энергии сверху вниз. При этом сохраняют силу сформулированные выше требования к расположению лазерных уровней. В частности, накачка может осуществляться за счет следующих реакций: •
- квазирезонансной перезарядки с возбуждением и с ионизацией
А.+ В" —> А-*' + В; (8)
"А+-В+-> А^+В + е; (9)
- пеннинговской ионизации атомов примеси метастабилями буферного газа
А + В(т) ->А+* + В + е,. (10)
А + В(т) + В + 2е; ’ (11)
- ступенчатых процессов передачи возбуждения и пеннинговской ионизации
А* + В(т) -> А+’ + В; (12)
А* + В(т) —>• А** + В + с. (13)
Возможны также процессы, когда.оба участвующих в реакции компонента находятся в возбужденном состоянии, однако поскольку концентрации их существенно меньше, чем концентрации атомов«и ионов в основном состоянии, вклад их в накачку обычно невелик [5-6; 8-10]. Заметим,'что для накачки уровней за счет соударений^тяжелых частиц не требуются низкие электронные температуры,, поэтому этот механизм накачки реализуется также и в ионизационном режиме возбуждения, в том числе в стационарном разряде [5-10, 131].
В настоящей работе исследовались активные среды как с рекомбинационной накачкой, так и с накачкой ударами 2 рода в рекомбинирующей плазме.
В число наиболее эффективных лазеров, накачиваемых ударами 2 рода, входят лазеры на ионных переходах ртути (А=615 и 794,5 нм Ь^Н), кадмия (А.=441,6;
533,7 и 537,8 нм СсШ), криптона (Я=469,4; 458,3 и 431,8 нм Кг11) [5-10, 131]. В рекомбинационных же лазерах на ионных переходах стронция и кальция реакция перезарядки с ионизацией (9) является5 дополнительным каналом создания двукратных ионов металлов в период рекомбинации плазмы-[5-10].
Результаты проведенных в РГУ исследований-послужили стимулом к постановке исследований ионных рекомбинационных лазеров также во многих других лабораториях в нашей стране и за рубежом [7-8, 132-152].
Что касается исследований генерации на переходах многозарядных ионов в рекомбинирующей газоразрядной плазме, то ко времени выполнения настоящей работы эти исследования находились лишь в начальной стадии. Наибольший интерес представляют работы [98-99, 153], где в сильноточном сегментированном искровом разряде наряду с упоминавшейся выше генерацией в атомных спектрах была получена генерация на переходах ионов цинка, магния, олова, свинца, серебра, индия, кальция, меди, алюминия, а также на ряде переходов 1пШ, ВПП, АПН при накачке уровней ионов различной кратности 2 ударнорадиационной рекомбинацией:
А2+ + 2е —> А<2'1>4'* + е. (14)
Эти результаты свидетельствуют о перспективности использования сильно-точного газового разряда для возбуждения рекомбинационных лазеров на переходах многозарядных ионов.
Таким образом, к началу данной работы (1982 г.) рекомбинационные газоразрядные лазеры уже сформировались как самостоятельный класс лазеров. В то же время стало очевидным, что перспективы дальнейшего развития РЛ связаны с необходимостью глубоких комплексных исследований свойств и характеристик их активных сред. Также определился круг задач этих исследований. Исследования, представленные в диссертации, продолжают исследования рекомбинационных лазеров, начатые научной группой Ростовского государственного университета (в дальнейшем Южного федерального университета). В них отражен научный вклад автора в развитие этого направления.
Объектами данных исследований являются активные среды наиболее эффективных лазеров на ионных переходах, накачиваемых в рекомбинирующей плазме процессами рекомбинации и ударами 2 рода (Не-Бг*, Не-Са+, Не-Щ+, Не-СсГ, Не-Кг+ лазеры), а также лазеров на переходах нейтральных атомов (Ые-РЬ и Не-ОД лазеры) и многозарядных ионов (ТИП, ОШ и Хе1У).
Предметом этих исследований являются физические механизмы, определяющие накачку и инверсию в период рекомбинации плазмы, общие закономерности, присущие активным средам рекомбинационных газоразрядных лазеров, оптимальные способы и условия их возбуждения.
Актуальность исследований определяется тем, что они позволяют расширить набор длин волн генерации, получить одновременную многоволновую генерацию в разных участках спектра, в том числе в коротковолновом диапазоне, установить механизмы накачки и инверсии, найти пути повышения выходных характеристик и способы оперативного управления ими, определить достижимые характеристики генерации, выявить общие закономерности, присущие активным
13
средам, прогнозировать оптимальные параметры возбуждения рекомбинационных лазеров и их выходные характеристики. I Глазма рекомбинационных газоразрядных лазеров отличается большим разнообразием происходящих в ней элементарных процессов взаимодействия частиц, а также наличием таких явлений, как контракция, расконтрагирование, катафорез. Детальные исследования этих процессов и явлений также представляют интерес для смежных областей - физики электронных и атомных столкновений, физики плазмы и газового разряда.
Цель диссертационной'работы. В соответствии с вышесказанным целыо настоящей работы являлись комплексные экспериментальные и теоретические исследования кинетики процессов в рекомбинирующей газоразрядной плазме, направленные на поиск новых перспективных активных сред рекомбинационных газоразрядных лазеров на переходах атомов, одно- и многозарядных ионов и способов их возбуждения, установление физических механизмов, формирующих инверсию в период рекомбинации плазмы, определение достижимых характеристик генерации, выявление закономерностей, присущих активным средам, и определение оптимальных условий их возбуждения.
Основные задачи научных исследований. Конкретная реализация цели работы предполагала решение следующих задач:
- экспериментальное исследование активной среды Nc-H2 лазера при возбуждении в различных типах разряда; исследование продольного разряда в трубке с протяженными металлическими сегментами как способа возбуждения активных сред (в частности, Ne-H2, Не-Кг+ и He-Cd+ лазеров), сочетающего свойства продольного разряда и разряда с полым катодом;
- поиск новых рекомбинационных лазерных переходов в спектре Hgl; комплексное исследование механизмов формирования инверсии на переходах Hgl и Hgïl;
- экспериментальное исследование возможности осуществления рекомбинационной накачки уровней многозарядных ионов (в частности, уровней ТИП, OIII, XcIV) в плазме сильноточного импульсного разряда; поиск рекомбинационных лазерных переходов в спектрах многозарядных ионов;
- экспериментальная оптимизация саморазогрсвиых He-Sr+ и Не-Са" лазеров различных геометрических размеров, поиск общих закономерностей, присущих их активным средам; создание отпаянного экспериментального образца Не-Са' лазера; анализ возможных практических применений рекомбинационных лазеров;
- разработка и тестирование самосогласованных математических моделей He-Sr+ и Пе-Са+ лазеров; численное исследование пространственно-временных характеристик активных сред, в том числе исследование механизмов явлений контракции и расконтрагирования импульсно-периодического разряда;
14
- комплексное исследование механизмов, ограничивающих рост энергетических характеристик Не-8г+ и Не-Са+ лазеров, поиск путей повышения выходных характеристик и способов оперативного управления ими, определение достижимых характеристик генерации;
- комплексное исследование возможности осуществления катафорезного ввода паров металлов в активные среды лазеров на парах металлов в условиях продольного импульсно-периодического разряда; экспериментальная реализация катафорезных импульсно-периодических Нс-СсГ и Нс-Эг* лазеров.
Научная новизна работы определяется поставленными задачами и рядом впервые полученных научных результатов. К наиболее существенным можно отнести следующие новые результаты:
1. Впервые получена и исследована генерация на переходе А.=585,3 нм Ые1 в рекомбинирующей плазме разряда с полым катодом и продольного разряда; установлено, что основным механизмом накачки при условиях, типичных для генерации, является ударно-радиационная рекомбинация ионов неона, механизмом очистки нижнего уровня - реакция Псннинга на водороде.
2. Предложен и исследован продольный разряд в трубке с протяженными металлическими сегментами как способ возбуждения активных сред рекомбинационных лазеров, сочетающий свойства продольного разряда и разряда с полым катодом. Впервые при возбуждении в этом разряде получена и исследована генерация в рекомбинирующей плазме на переходах №1 (>.=585,3 нм), КгН (>=469,4; 458,3 и 431,8 нм), СсШ (>.=441,6; 533,7 и 537,8 нм).
3. Впервые получена и исследована генерация на 7 ИК переходах Н^1, установлен рекомбинационный механизм накачки. Установлено эффективное заселение перезарядкой уровней бейтлеровского спектра Н^П, определены парциальные сечения перезарядки ионов гелия на атомах ртути; показано, что основными механизмами накачки в рекомбинирующей плазме являются ударно-радиационная рекомбинация для >.=567,7 нм ШН и перезарядка для >.=615 нм Ы^И, а вклад в накачку ступенчатой реакции Пеннинга пренебрежимо мал.
4. Впервые получена и исследована генерация на 4 переходах Т1Ш (>.=468, 482, 770 и 806 нм) в ионизационном режиме возбуждения; получена и исследована генерация при рекомбинационной накачке на 3 переходах 01П и на 9 переходах Хе1У УФ и видимого диапазона; установлено, что ступенчатая ионизация играет преобладающую роль в создании ионов высокой кратности, а основными механизмами охлаждения электронов в послесвечении являются упругие электрон-ионные соударения и диффузионное охлаждение.
15
5. Установлены общие закономерности, присущие активным средам самора-зогревных He-Sr4 (1=430,5 нм SrII) и Не-Са' (1=373,7 нм Call) лазеров; установлены механизмы, ограничивающие рост энергетических характеристик генерации.
6. Установлены механизмы явлений контракции и расконтрагирования в активных средах Hc-Sr+(Ca4) лазеров, а также основные закономерности, свойственные этим явлениям.
7. Впервые теоретически обоснован и экспериментально реализован ката-форезный ввод паров металлов в активные среды импульсно-периодических лазеров на парах металлов, в том числе при больших давлениях (до 1 атм). Найдены обобщенные критерии аксиальной и радиальной однородности их активных сред. Впервые при катафорезном вводе паров получена и исследована импульсно-периодическая генерация на переходах Cdll (1=441,6; 533,7 и 537,8 нм) и на переходе 1=430,5 нм SrII.
Научная значимость полученных в работе результатов состоит в следующем:
- показана эффективность рекомбинирующей газоразрядной плазмы как активной среды лазеров на переходах атомов, одно- и многозарядных ионов;
- разработаны теоретические основы для создания эффективных рекомбинационных лазеров, в том числе коротковолнового диапазона, и экспериментально обоснованы пути их практической реализации;
- найдены новые перспективные активные среды и способы их возбуждения, установлены физические механизмы, определяющие свойства и характеристики активных сред рекомбинационных лазеров;
- установлены закономерности, присущие активным средам рекомбинационных лазеров, определены оптимальные условия их возбуждения, найдены критерии пространственной однородности активных сред, определены достижимые характеристики генерации;
- созданы лазеры нового типа - катафорезные импульсно-периодические лазеры на парах металлов;
- результаты работы могут представлять интерес при исследованиях широкого класса газоразрядных лазеров, а также для физики электронных и атомных столкновений, физики плазмы и газового разряда.
Практ ическая значимость работы определяется тем, что ее результаты могут являться основой при разработке и создании рекомбинационных лазеров с высокими выходными характеристиками, перспективных для практических применений, а также могут быть использованы при дальнейших, в том числе приклад-
16
пых, исследованиях рекомбинационных лазеров. К наиболее важным можно отнести следующие из таких результатов:
1. Проведены комплексные исследования по разработке и оптимизации рекомбинационных лазеров, в результате которых:
- достигнуты максимальные для рекомбинационных лазеров частоты следования импульсов 30-50 кГц и рекордные для He-Sr+ (Т.=430,5 нм SrII) лазеров удельная средняя мощность 277 мВт/см3 и коэффициент усиления 0,15 см*1;
- достигнут рекордный для Ne-H2 (А.=585,3 нм Nel) лазера коэффициент усиления 160 дБ/м;
- расширен набор длин волн генерации за счет новых лазерных переходов -7 ИК переходов Hgl и 4 видимых и ИК переходов T1III;
- реализована одновременная многоволновая генерация на переходах Sri и SrII (Х=6,456 и ~3 мкм Sri; л~1 и 0,4305 мкм SrII), Krll (А.=469,4; 458,3 и 431,8 нм), Cdll (Ь=441,6; 533,7 и 537,8 нм), OUI (А.=375,5; 376,0 и 559,2 нм), XelV (А.=335,0; 430,6; 495,4; 500,8; 515,9; 526,0; 535,3; 539,5 и.595,6 нм);
- показана перспективность сильноточного импульсного разряда как способа реализации активных сред рекомбинационных лазеров коротковолнового диапазона на переходах многозарядных ионов;
- показана перспективность катафорезного ввода паров металлов в активные среды импульсно-периодических лазеров на парах металлов; разработана практическая конструкция катафорезного импульсно-периодического He-Sr^ (À=430,5 нм SrII) лазера;
- показана перспективность продольного разряда в трубке с протяженными металлическими сегментами, сочетающего свойства продольного разряда и разряда с полым катодом, как способа возбуждения активных сред рекомбинационных лазеров;
- разработан отпаянный экспериментальный образец (макет) Не-Са+ лазера, обеспечивающий УФ генерацию (А,=373,7 нм Call) с уровнем средней мощности 0,3 Вт (макет удостоен бронзовой медали ВДНХ СССР).
2. Найдены пути повышения выходных характеристик He-Sr+(Ca+) лазеров и способы оперативного управления ими, определены достижимые характеристики генерации.
3. Разработаны самосогласованные математические модели He-Sr'(Ca^) лазеров, которые могут применяться как инструменты исследований кинетики активных сред, а также для прогнозирования оптимальных параметров возбуждения и выходных характеристик.
17
4. Разработана основанная на установленных для саморазогревных He-Sr^Ca4) лазеров закономерностях методика расчета оптимальных параметров возбуждения и характеристик генерации, которая может применяться при анализе и систематизации результатов экспериментов, а также при инженерных расчетах активных элементов и схем их импульсного возбуждения. •
5. Предложены две удобные при практических расчетах коэффициента усиления аппроксимационные формулы для форм-фактора в центре линии со смешанным фойгтовским контуром, имеющие низкую погрешность (<6% и <1%).
На защиту выносятся следующие результаты и положения:
1. Результаты экспериментальных исследований Ne-H2 лазера:
- впервые генерация на переходе >.=585,3 нм Ncl получена и исследована в рекомбинирующей плазме разряда с полым катодом, продольного разряда, а также продольного разряда в трубке с протяженными металлическими сегментами;
- установлено, что основным механизмом накачки в рекомбинирующей плазме при условиях, , типичных для генерации, является ударно-радиационная рекомбинация ионов неона, а основным механизмом очистки нижнего уровня является реакция Пенни нга на водороде. ’■
2. Результаты комплексных исследований механизмов, формирующих инверсию населенностей на полученных новых лазерных переходах в спектре Hgl, а также на переходах Hgll в рекомбинирующей плазме. -
3. Результаты экспериментальных исследований возможности осуществления рекомбинационной накачки уровней, многозарядных ионов и генерации в спекграх многозарядных ионов в сильноточном импульсном разряде.
4. Результаты экспериментальных исследований саморазогревных He-Sr+ (>=430,5 нм SrII) и Не-Са+ (>=373,7 нм Call) лазеров, включающие установленные закономерности:
- существование оптимального давления - гелия обусловлено ограничением скорости охлаждения электронов при больших давлениях вследствие-греющего воздействия заднего фронта импульса тока; оптимальное давление соответствует примерному равенству длительности заднего фронта импульса тока и времени охлаждения электронов в раннем послесвечении;
- оптимальным является энерговклад в разряд, одновременно обеспечивающий достаточно высокий процент двукратной ионизации атомов металла и согласование лазерной трубки со схемой накачки путем достижения необходимой величины сопротивления плазмы.
18
5. Разработанные самосогласованные математические модели Не-8г~ и Не-Са* лазеров, позволяющие рассчитывать пространственно-временную эволюцию параметров плазмы и характеристик генерации в импульсно-периодическом режиме.
6. Результаты исследований механизмов явлений контракции и расконтра-гирования в активной среде Не-8г+ лазера.
7. Результаты комплексных исследований катафорезных импульснопериодических лазеров на парах металлов.
Достоверность и обоснованность полученных результатов, научных положений и выводов определяется применением современных методов исследований и их комплексным характером, воспроизводимостью результатов, взаимным соответствием результатов экспериментов и теоретического анализа, практической реализацией научных положений и выводов при создании эффективных рекомбинационных лазеров, а также согласием с данными других авторов.
Реализация результатов работы. Работа по теме диссертации выполнялась в рамках госбюджетных и хоздоговорных НИР, проводившихся кафедрой квантовой радиофизики ЮФУ в период 1982-2008 гг., а также в ходе выполнения ряда проектов в области фундаментальных и прикладных исследований, поддержанных грантами: Минобразования (№£20-3.2-157), ФЦП «Интеграция» (проект №582), РФФИ (№ 96-02-19750, № 99-02-17539, №04-02-96804, №06-02-26126). Полученные в работе результаты нашли отражение в научно-технических отчетах по выполненным НИР. Результаты проведенных исследований и разработанные активные элементы рекомбинационных лазеров используются на физическом факультете ЮФУ при выполнении НИР и в учебном процессе в программах подготовки студентов, магистрантов и аспирантов. Некоторые результаты работы были использованы при совместных с ТГУ (г. Томск) исследованиях многоволнового лазера на парах стронция. Разработанные активные элементы использовались в качестве инструментов научных исследований, проводившихся в ЮНЦ РАН и НИИ ФОХ ЮФУ (г. Ростов-на-Дону).
Личный вклад автора. В исследованиях, представленных в диссертации, автору принадлежат инициатива проведения исследований, постановка задач, анализ и интерпретация полученных результатов. Результаты экспериментальных и теоретических исследований получены лично автором либо при его определяющем участии. Разработка математических моделей и численные эксперименты проводились под руководством и при непосредственном участии автора. На различных этапах исследований в постановке некоторых конкретных задач и обсуждении результатов принимали участие Е.Л. Латуш и М.Ф. Сэм.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 78 печатных работ в отечественных и зарубежных изданиях (включая 22 статьи в российских журналах, рекомендованных ВАК РФ для опубликования результатов докторских диссертаций). Кроме того, ряд материалов диссертации представлен в научно-технических отчетах, а также отражен в учебно-методических работах автора.
Апробация результатов работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях:
XIX Всесоюзный съезд по спектроскопии. (Томск, 1983); Всесоюзное совещание «Инверсная заселенность и генерация на переходах в атомах и молекулах» (Томск, 1986 г.); Рабочее совещание «Активные среды плазменных и газоразрядных лазеров» (Гродно, 1987 г.);.Международный симпозиум «Pulsed Metal Vapour Lasers» (Великобритания, Сэнт Андрюс, 1995 г.); 5-й Санкт-Петербургский семинар-выставка «Лазеры для медицины и биологии» (Санкт-Петербург, 1997 г.); Всероссийская конференции «Лазеры для медицины, биологии и экологии» (Санкт-Петербург, 2000 г.); III Международная научно-техническая конференция «Квантовая электроника», (Минск, 2000 г.); Симпозиум «Нанофотоника», (Черноголовка, 2007 г.); Всесоюзные и Всероссийские семинары и симпозиумы «Лазеры на парах металлов» (Ростов-на-Дону, Новороссийск, Туапсе, Сочи, 1985, 1989, 1991, 1993, 1996, 1998, 2000, 2002, 2004, 2006, 2008 г.); 3-я, 4-я, 5-я, 6-я, 7-я и 8-я Международные конференции «Atomic and Molecular Pulsed Lasers» (Томск, 1997, 1999, 2001, 2003, 2005, 2007 г.), 9-й Российско-китайский симпозиум «Laser Physics and Laser Technologies» (Томск, 2008 г.).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и двух приложений. Она содержит 414 страниц, включая 144 рисунка, 13 таблиц и список литературы из 534 наименований, из них 78 - работы автора.
Краткое содержание работы Во введении дана общая характеристика работы, приведена краткая историческая справка, отражающая основные вехи развития рекомбинационных лазеров и показано их место среди газоразрядных лазеров других типов, обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи исследований, научная новизна и практическая значимость, основные результаты и положения, выносимые на защиту, приводится краткое изложение содержания диссертации.
Первая глава посвящена экспериментальному исследованию возможности получения генерации на переходе атома неона А=585,3 нм Nel в смеси Ne-IL в рекомбинирующей плазме разрядов различного типа при пеннинговской очистке нижнего уровня. Для возбуждения таких лазеров перспективны разряды, в кото-
20
рых имеется «жесткая» составляющая функции распределения электронов по энергиям (ФРЭЭ). Одним из таких разрядов является разряд с полым катодом (РПК). Другим перспективным для получения генерации в спектре N61 является продольный импульсный разряд, в котором за счет высокой плотности тока могут быть получены высокие концентрации заряженных частиц и высокие скорости рекомбинационной накачки.
В результате проведенных экспериментов впервые генерация на переходе А=585,3 нм N61 была получена и исследована в разряде с полым катодом. Генерация осуществлялась в смеси №-Н2 при давлениях -5-25 Тор как в послесвечении (при токах разряда 0,2-1,3 кА), так и во время импульса тока (при токах 1,5-3 кА). Достигнут коэффициент усиления 5,2 дБ/м. Установлено, что при больших давлениях смеси (>10 Тор) оптимальным является соотношение N0:142-1:1,5. Также впервые генерация на переходе 7=585,3 нм N0! была получена и исследована в продольном разряде при рекомбинационной накачке. Генерация осуществлялась в смеси №-Н2 при давлениях -7-100 Тор в послесвечении (при относительно небольших токах разряда -30-150 А), а также на переднем фронте импульса рекомбинационной накачки (при больших токах -1,5-3 кА и давлениях >25 Тор). Установлено, что оптимальным для генерации в послесвечении при небольших токах является соотношение Ме:Нг»1:1,5, в то время как при больших токах оптимально соотношение №:Ї12=1:2. Достигнуты коэффициент усиления 10 дБ/м в режиме
небольших токов и рекордный для линии >*=585,3 нм N61 коэффициент усиления
✓
160 дБ/м в режиме больших токов.
Проведены детальные исследования временных характеристик спонтанного излучения и генерации в обоих типах разряда, причем в продольном разряде спонтанное излучение регистрировалось не только с торца, но и сбоку разрядной трубки. В частности, проведенное сравнение изменений интенсивности послесвечения на линии 7=585,3 нм N61, регистрируемой сбоку продольной трубки, которые отражают изменения населенности верхнего уровня 3/?г[1/2]0 №1, с изменениями населенности нижнего (резонансного) уровня 3^[1/2]1° N0!, измеренной методом рсабсорбции, показало, что населенность нижнего уровня уменьшается с добавлением Н2 быстрее, чем верхнего, что свидетельствует об эффективной пеннингов-ской очистке нижнего уровня. При этом резонансный уровень неона очищается быстрее, чем метастабильный уровень Зб[3/2]2°, то есть очистка резонансного уровня №1 за счет реакции Пеининга имеет селективный характер. В результате исследований временных характеристик спонтанного излучения и генерации (в том числе при подогреве электронного газа в послесвечении дополнительным слабым
21
импульсом тока), измерения параметров плазмы и оценок скоростей накачки уровней N61 за счет ударно-радиационной и диссоциативной рекомбинации установлено, что основным механизмом накачки лазерных уровней атома неона в послесвечении разряда с полым катодом и продольного разряда при условиях, типичных для генерации, является ударно-радиационная рекомбинация ионов неона. Показано, что характеристики генерации в существенной степени определяются неупругими соударениями электронов с возбужденными атомами неона.
Предложен и исследован продольный разряд в трубке с протяженными металлическими сегментами («сегментированный» разряд) как способ возбуждения активных сред рекомбинационных лазеров. При небольшой длине металлических сегментов они находятся под «плавающим» отрицательным потенциалом по отношению к плазме и не шунтируют разрядный ток. В случае если сегменты достаточно длинные (>5 см), часть их будет находиться уже под положительным потенциалом по отношению к плазме, при этом часть тока будет течь через сегменты. Некоторые участки металлических сегментов будут работать в режиме РПК, а в промежутках между сегментами будет гореть продольный разряд. При этом такой разряд сочетает свойства продольного разряда (устойчивость разряда, простота конструкции разрядной трубки, возможность катафорезного ввода паров металлов в ЛПМ) и разряда с полым катодом (наличие «жесткой» составляющей ФРЭЭ на значительной части активной длины).
Изучена зависимость глубины проникновения плазмы в полость металлических сегментов от условий возбуждения и показано, что зависимость глубины проникновения плазмы от давления рабочей смеси и внутреннего диаметра сегментов может быть использована в качестве характеристики, определяющей степень проявления эффекта полого катода в «сегментированном» разряде.
В результате экспериментов впервые при возбуждении в «сегментированном» разряде была получена и исследована генерация в рекомбинирующей плазме на переходе А=585,3 нм Ие1, а также трехволновая генерация на переходах КгН (>.=469,4; 458,3 и 431,8 нм). Достигнуты высокие коэффициенты усиления (12 дБ/м и 3 дБ/м, соответственно), превышающие усиление в продольном разряде (в режиме небольших токов).
Вторая глава посвящена комплексным исследованиям лазера на атомных и ионных переходах ртути. В частности, приведены результаты экспериментов, направленных на поиск рекомбинационных лазерных переходов в спектре 1^1.
В результате экспериментов была получена многоволновая генерация на 9 ИК переходах в спектре Н&[. На двух из них генерация наблюдалась ранее, на остальных 7 ИК переходах ^1 генерация была получена и исследована впервые.
22
Генерация осуществлялась в смеси He-Hg, при этом оптимальное давление гелия составляло рнс~(>-Ъ Тор, паров ртути - /?не~0>05 Тор. Оптимальный ток разряда составлял /~5-7 Л. Генерация на всех линиях Hgï наблюдалась в послесвечении разряда, а на линиях Х=942 и 1357 нм Hgï - также и во время импульса тока. Коэффициент усиления на переходах Hgï достигал 2* 10'3 см К '
Исследованы временные характеристики генерации и спонтанного излучения и установлено, что накачка лазерных переходов Hgï в послесвечении осуществляется за счет ударно радиационной рекомбинации ионов ртути, а наблюдаемое при повышении тока разряда смещение импульсов генерации в позднее послесвечение обусловлено процессами электронного девозбуждения.
Также для анализа механизмов накачки уровней Hgll в рекомбинирующей плазме Hc-Hg+ лазера (к-561,7 нм Hgll и А.-615 нм Hgïï) проведено экспериментальное исследование процессов заселения ионных уровней ртути. На основе исследований характеристик спонтанного излучения на линиях Hgll установлено, что уровни бейтлеровского спектра иона ртути эффективно заселяются перезарядкой. С использованием метода модуляции населенностей определены парциальные сечения перезарядки ионов гелия на атомах ртути.
Проведен сопоставительный анализ характеристик спонтанного и лазерного излучения на видимых переходах Hgll и результатов математического моделирования He-Hg' лазера (с использованием найденных парциальных сечений перезарядки). Показано, что при условиях, типичных для генерации, основными механизмами накачки в рекомбинирующей плазме являются процессы ударно-радиационной рекомбинации для зеленой линии иона ртути (>=567,7 нм Hgll) и перезарядки для красной линии (Х=615 нм Hgll). При этом вклад в накачку ступенчатой реакции Пен-нинга (предлагавшейся в ряде работ в качестве основного механизма накачки лазерных уровней Hgll) пренебрежимо мал. Также показано существенное влияние на характеристики генерации процессов электронного девозбуждения.
В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований возможности осуществления рекомбинационной накачки уровней многозарядных ионов и генерации в спектрах многозарядных ионов в сильноточном импульсном разряде. Проведен анализ изоэлектронных последовательностей ионов и выбраны переходы в спектрах многозарядных ионов (T1ÏII, OUI, XelV), на которых целесообразно исследовать возможность реализации рекомбинационной накачки.
Проведен анализ условий, при которых может быть решена задача осуществления рекомбинационной накачки уровней многозарядных ионов, включающая в себя необходимость создания во время импульса тока плотной плазмы с относитель-
23
но высокой концентрацией многозарядных ионов, быстрого и глубокого охлаждения электронов в послесвечении и уменьшения бесполезных с точки зрения рекомбинационной накачки потерь заряженных частиц на фазе «включения» накачки.
Экспериментально исследованы временные характеристики спонтанного излучения на переходах атомов и ионов различной кратности в спектрах таллия, кислорода и ксенона в сильноточном (до -2,5 кА) импульсном разряде. На примере переходов ТИП, OIII и XelV экспериментально показана возможность осуществления рекомбинационной накачки уровней многозарядных ионов в сильноточном импульсном разряде. Установлена преобладающая роль ступенчатой ионизации в создании ионов высокой кратности.
В результате экспериментов впервые была получена и исследована генерация на 4 переходах ТИП видимого и ближнего ИК диапазона с >.=468, 482, 770 и 806 нм в ионизационном режиме возбуждения. Достигнут коэффициент усиления 2 дБ/м. Также была получена и исследована генерация в рекомбинационном режиме накачки на трех 3p-3s переходах ОШ УФ и видимого диапазона с >,=375,5; 376,0;
559,2 нм и на 9 переходах XelV УФ и видимого диапазона с >,=335,0; 430,6; 495,4; 500,8; 515,9; 526,0; 535,3; 539,5; 595,6 нм. (Ранее на этих и других переходах OIII и XelV генерация наблюдалась в ионизационном режиме возбуждения). Генерация в послесвечении разряда осуществлялась в смесях 02 и Хе с буферными газами - Не, Н2, Ne. Генерация на переходах OUI и XelV происходила примерно при одинаковых оптимальных условиях - парциальных давлениях 02 и Хе ~5Т0°-10'2 Тор, давлениях буферных газов -0,1-0,3 Тор, токах разряда / -1,5-2 кА. На наиболее сильных лазерных переходах OIII и XelV достигнуты значения коэффициента усиления 3 дБ/м (>.=559,2 нм OUI) и 2 дБ/м (>.=526,0 и 539,5 нм XelV).
Измерены параметры рекомбинирующей плазмы при условиях, характерных для генерации и показано, что концентрация электронов быстро спадает в раннем послесвечении вследствие амбиполярной диффузии заряженных частиц, а основными механизмами охлаждения электронов являются упругие электрон-ионные соударения и диффузионное охлаждение.
В четвертой главе изложены результаты исследований, направленных на экспериментальную оптимизацию и диагностику активных сред саморазогревных рекомбинационных He-Sr+ и Не-Са+ лазеров (являющихся наиболее эффективными из ионных рекомбинационных лазеров), поиск присущих им закономерностей и анализ физических механизмов, определяющих эти закономерности. С использованием спектроскопических методов проведены эксперименты по диагностике плазмы He-Sr лазера. Установлено, что при типичных для генерации условиях
24
(/»нс55^50-300 Top, psi*0>l Top) параметры плазмы принимают следующие значс-ния в раннем послесвечении: iVSr(mplp12 см'3, Л|е(т)~1013 см'3, Ге«0,22-0,25 эВ,
I * <> I • .
wc*(3-3;5)-10 . см*, что согласуется с данными других авторов.
Проведены эксперименты по оптимизации саморазогревных активных элементов He-Sr+(Ca+) лазеров с различными геометрическими размерами (/=9—45 см, rf=0,3-l,5 см). В экспериментах были детально исследованы 5 активных элементов He-Sr+ лазера и один активный элемент Не-Са" лазера. Достигнуты рекордные для саморазогревных Hc-Sr~ и Не-Са+ лазеров (X -430,5 нм SrII и А=373,7 нм Call) с естественным радиационным и конвективным охлаждением удельные- средние мощности генерации (73 мВт/см3 и 50 мВт/см3, соответственно) и коэффициенты усиления (0,14 см"1 и 0,1 см*1, соответственно), а также достигнут максимальный для продольных He-Sr+ 'трубок, работающих при давлениях не выше 1 атм, удельный энергосъем 12 мкДж/см3. •
На основе проведенных исследований выявлены общие закономерности, присущие активным средам саморазо!рсвных He-Sr+(Caj лазеров. В частности, установлено, что: • . •
- в оптимальных условиях возбуждения при-разряде накопительной емкости . режим разрядного контура оказывается близким к критическому, соответствующему переходу разряда из апериодического режима в колебательный;
- существование оптимального давления гелия обусловлено ограничением скорости охлаждения электронов при больших давлениях вследствие греющего воздействия заднего фронта импульса тока; оптимальное давление соответствует примерному равенству длительности заднего фронта импульса тока и времени, охлаждения электронов в раннем послесвечении; '
- оптимальным является энерговклад в разряд, одновременно обеспечивающий достаточно высокий процент двукратной ионизации атомов металла и согласование лазерной трубки со схемой накачки путем достижения необходимой величины сопротивленияплазмы. ,
На. основе установленных закономерностей разработана методика, позволяющая рассчитывать оптимальные параметры возбуждения, а также характеристики генерации саморазогревных He-Sr~(Ca+) лазеров, исходя из известных параметров оптимизированных лазерных трубок. Проведено тестирование этой методики с использованием экспериментальных данных,, получено хорошее согласие результатов расчетов и экспериментов. Данная методика может применяться при анализе и систематизации результатов экспериментов, а также при разработке и
25
инженерных расчетах активных элементов саморазогревных He-Sr4(Ca4) лазеров и схем их импульсного возбуждения.
Разработай экспериментальный образец (макет) Не-Са+ лазера, обеспечивающий УФ генерацию на к—373,7 нм Call с уровнем средней мощности -0,3 Вт при частоте следования импульсов 5-7 кГц. Макет удостоен бронзовой медали ВДНХ СССР.
Проведен анализ некоторых возможных практических применений Не-Sr^Ca"4) лазеров, в том числе малогабаритных, и показана их перспективность.
В пятой главе представлены результаты исследований, направленных, главным образом, на численный расчет и анализ пространственно-временных характеристик активных сред He-Sr~(Ca+) лазеров.
Разработаны и протестированы самосогласованные математические модели He-Sr“ и Не-Са' лазеров, позволяющие рассчитывать пространственно-временную эволюцию параметров плазмы и харакгеристик генерации в импульсио-псриодичсском режиме. Модели содержат совместное описание электрической цепи накачки,.плазмы импульсно-периодического разряда и лазерного излучения: Показано, что модели достаточно точно отражают основные закономерности в поведении характеристик активных сред He-Sr4(Ca^) лазеров и могут служить удобным инструментом исследований их кинетики..
Предложены две удобные при практических расчетах коэффициента усиления аппроксимационные формулы для форм-фактора в центре линий со смешанным фойгтовским контуром. Погрешность первой, более простой формулы, не превышает 6%, а погрешность второй, более сложной формулы - 1% при любых относительных вкладах уширений лоренцевского и гауссова типов.
С использованием результатов экспериментов и численного моделирования проведен анализ влияния эффектов самопоглощения (и усиления) на временной ход интенсивности спектральных линий в He-Sr^Ca4) лазерах. Показано, что они могут существенным образом искажать наблюдаемый временной ход интенсивности линий.
Проведен численный расчет и анализ пространственно-временных характеристик активной среды He-Sr4 лазера как в процессе установления импульснопериодического режима, так и в установившемся режиме. Показано, что установившийся импульсно-периодический режим формируется за -40-50 импульсов, при этом образуется неоднородный по радиусу профиль газовой температуры с максимумом на оси. Это приводит к неоднородному предымпульсному радиальному распределению концентрации атомов металла с провалом на оси и, как следствие, к провалу в радиальном распределении концентрации ионов Sr4-4 и к минимуму интенсивности генерации на оси трубки при достаточно больших диаметрах и
26
давлениях (<£1,5 см, /?Нс>200 Тор). Показано, что увеличивающаяся с ростом диаметра степень пространственной неоднородности плазмы является фактором, ограничивающим рост энергетических характеристик генерации. •
С помощью математической модели Не-Яг4" лазера были детально исследованы процесс контракции импульсно-периодического разряда в гелии и принципиально важный для лазеров на парах металлов процесс расконтрагирования разряда при добавлении паров стронция, благодаря которому автоматически обеспечивается достаточно высокая пространственная однородность плазмы при больших давлениях. Установлены основные физические механизмы, определяющие существование явлений контракции и расконтрагирования, а также основные согласующиеся с экспериментами закономерности, свойственные этим явлениям при условиях, типичных для возбуждения рекомбинационных лазеров. В частности, установлено, что:
- сжатие импульсно-периодического разряда в гелии является результатом формирования тепловой неоднородности плазмы в последовательности импульсов; степень сжатия разряда возрастает при увеличении давления гелия;.
- ключевую роль в расконтрагировании разряда играет практически полная одно- и двукратная ионизация стронция по всему сечению, чему способствуют низкие потенциалы такой ионизации у стронция, а также форма предым-пульсного радиального профиля концентрации атомов металла с максимумом у стенок и провалом.на оси; -
- введение легкоионизируемой добавки стронция приводит,, кроме того, к сг лаживанию радиальных профилей газовой и электронной температуры, в результате чего пространственно стабилизируется процесс ионизации буферного газа гелия, ионы которого вносят существенный вклад в результирующий радиальный профиль концентрации электронов наряду с одно- и двукратными ионами металла;
- оптимальные для достижения максимальной однородности плазмы соотношения компонент смеси оказываются близкими к соотношениям, обеспечивающим максимум скорости рекомбинационной накачки ионных уровней сгронция и, соответственно, энергетических характеристик генерации Не-8г* лазера.
... В шестой главе приведены результаты комплексных исследований, направленных на установление физических механизмов, ограничивающих рост энергетических характеристик: Не-3г+(Са*) лазеров, поиск путей повышения выходных характеристик генерации и способов оперативного управления ими, определение достижимых энергетических, частотных и спектральных характеристик. Для решения поставленных задач наряду с анализом результатов экспериментальных исследований проводилось математическое моделирование активных сред с использова-
нием методов автоматической численной многопарамстрической оптимизации (метода Нелдера-Мида и генетического алгоритма).
Проведен анализ возможностей повышения выходных характеристик Не-8г'(Саь) лазеров за счет увеличения давления активной среды; Показано, что повысить среднюю мощность генерации и КПД при больших давлениях можно путем снижения накопительной емкости и индуктивности лазерных трубок, приводящего к укорочению заднего фронта импульса тока, а также за счет резкого обрыва им--пульса тока, что обусловлено снижением доли бесполезно рекомбинирующих ионов Бг* * в начальной фазе рекомбинационной накачки. При этом применение независимого ввода паров металла позволяет достичь более высоких, оптимальных давлений по сравнению с саморазогревным режимом. .
Проведен анализ физических механизмов, ограничивающих рост энергетических характеристик Не-Зг+(Са!) лазеров при увеличении объема активной среды.и частоты следования импульсов. Установлено, что с ростом диаметра трубки и частоты средняя мощность насыщается, а затем снижается из-за формирования радиальной неоднородности активной среды вследствие ее перегрева на оси и радиального катафореза, а также из-за замедления релаксации электронной температуры и подъема уровня Тс в раннем послесвечении, обусловленных ростом газовой температуры.
Проведены численные расчеты достижимых энергетических характеристик генерации..Показано, что достижимый максимум погонной мощности Не-8г+ лазера составляет: -6,2 Вт/м для саморазогревных активных элементов из ВеО-керамики и -7,8 Вт/м — при-чернении их поверхности; —7,7 Вт/м при независимом • вводе паров металла и -9,4 Вт/м - при его сочетании с чернением; —17 Вт/м при интенсивном принудительном охлаждении активных элементов цилиндрической геометрии и —29 Вт/м — с активными элементами, прямоугольного сечения при соотношении размеров стенок 1:3, обеспечивающими эффективный теплоотвод от осевых частей разрядной трубки.
Показана возможность повышения КПД и энергетических характеристик генерации саморазогревных Не-8г+(Са+) лазеров в режиме возбуждения пачками импульсов тока с коротким межимпульсным интервалом (-1 мке), когда повышается эффективность создания ионов Зг^Са4^) во втором и последующих импульсах возбуждения за счет ионизации не успевших прорекомбииировать ионов 8г+(Са*).
Показано, что пиковая мощность генерации Не-8г+ лазера может быть повышена более чем на порядок в режиме разгрузки резонатора, при этом импульсы генерации могут быть существенно укорочены.. .• *
Проведен анализ возможности оперативного управления характеристиками генерации рекомбинационных лазеров. Численно исследованы два режима управ-
ления He-Sr' лазера - путем изменения момента включения в послесвечении дополнительного подогревающего электронный газ импульса тока и путем изменения его амплитуды. Установлено, что в обоих режимах управления регулировка характеристик генерации может осуществляться в широких пределах, при этом при использовании первого режима кривые управления близки к линейным.
С использованием математической модели He-Sr+ лазера осуществлен поиск новых потенциальных лазерных переходов в спектре SrII. Показано, что в сильно нестационарных условиях в раннем послесвечении возможно получение инверсии
О *7
населенностей на УФ переходах 5“D3/2,5/2 - 5 Р\а,ш Sri! (А=338,1 и 346,4 нм).
Совместно с Томским государственным университетом была получена и исследована одновременная многоволновая фиолетовая и ИК генерация на 9 переходах SrII и Sri (>.=0,4305 мкм SrII, >=6,456; 3,011; 3,066; 2,92; 2,69 и 2,60 мкм Sri, >=1,033 и 1,091 мкм SrII). Этот результат позволяет решить задачу визуализации ИК излучения на самоограниченных переходах атома и иона стронция рекомбинационной линией генерации с >=0,4305 мкм SrII. Показано, что частота следования импульсов генерации на ИК переходах SrII (>=1,033 мкм и >=1,091 мкм) в принципе может достигать ~1 МГц. Показана перспективность использования пачек импульсов для возбуждения ИК переходов SrII.
Показана принципиальная возможность ускорения деионизации плазмы в межимпульсный период импульсно-периодического разряда за счет «ускорения» амбиполярной диффузии при небольшом подогреве электронного газа в послесвечении дополнительным импульсом (при низких давлениях буферного газа и малых диаметрах разрядных трубок).
В седьмой главе изложены результаты комплексных исследований возможности осуществления катафорезиого ввода паров металлов в активные среды ЛПМ в условиях продольного импульсно-периодического разряда, а также исследований, направленных на экспериментальную реализацию катафорезпых импульснопериодических Не-СсГ и He-Sr' лазеров.
Теоретически исследован процесс установления аксиального распределения паров металла в продольном импульсно-периодическом разряде при катафорезном вводе паров. В частности, аналитически решена задача о временной эволюции аксиальных распределений паров металла и показано, что при типичных параметрах возбуждения импульсно-периодических He-Sr' и He-Cd+ лазеров возможно достижение достаточно однородного распределения паров вдоль активной зоны газоразрядного канала.
29
Получен обобщенный критерий, выполнение которого обеспечивает достаточно высокую однородность аксиального распределения паров в промежутке между источником паров и катодом, и в то же время надежное запирание паров со стороны анода. Найдены времена достижения однородного аксиального распределения паров металла за счет катафореза при типичных для импульснопериодических Не-Сб+ и Не-БГ лазеров параметрах возбуждения (эти времена имеют достаточно малую величину порядка секунды).
Проведены эксперименты, в результате которых была впервые экспериментально реализована прокачка паров кадмия за счет катафореза в продольном импульсно-периодическом разряде в смеси Не-Сб. Впервые при катафорезном вводе паров кадмия была получена и исследована импульсно-периодическая генерация в рекомбинирующей плазме на переходах СсШ (А=441,6; 533,7 и 537,8 нм). Достигнуты максимальные для продольного разряда уровни коэффициента усиления на синей линии СсШ (3 дБ/м) и зеленых линиях СсШ (30%м-1 (~1 дБ/м)), что свидетельствует о высокой однородности активной среды.
Экспериментально исследован Не-Сб+ лазер с возбуждением в продольном разряде в трубке с протяженными металлическими сегментами при катафорезном вводе паров кадмия. В результате экспериментов впервые при возбуждении в «сегментированном» разряде была получена и исследована импульсно-периодическая и квазинепрерывная трехволновая генерация па переходах СсШ (А=441,6; 533,7 и
537.8 нм), а также непрерывная генерация на Х=441,6 нм СсШ. Импульсная генерация осуществлялась во время импульсов тока, что типично для РПК. Достигнуты высокие коэффициенты усиления (4 дБ/м для X 441,6 нм и 2 дБ/м для А=533,7 и
537.8 нм), превышающие усиление в продольном разряде.
Для исследований катафорезного Не-Бг+ лазера был разработан малогабаритный стекло-керамический активный элемент (/=26 см, <^=0,3 см) с интенсифицированным теплоотводом за счет использования толстостенной керамики. Испарение стронция происходило из отдельного резервуара в режиме саморазогрева.
В результате экспериментов была впервые экспериментально реализована прокачка паров стронция за счет катафореза в продольном импульсно-периодическом разряде в смеси Не-Бг высокого давления -0,3-1 атм. Впервые при катафорезном вводе паров стронция была получена и исследована импульсно-периодическая генерация в рекомбинирующей плазме на переходе А.=430,5 нм Бг11. Достигнуты максимальные для рекомбинационных лазеров частоты следования импульсов генерации 30-50 кГц. При активном объеме 1,84 см3 получены высокие значения средней мощности генерации 510 мВт, а также удельного энсргосъема
30
10,2 мкДж/см3 и удельной пиковой мощности 46 Вт/см3. Достигнуты рекордные для He-Sr+ лазеров всех типов удельная средняя мощность 277 мВт/см3 и коэффициент усиления 0,15 см"1.
Детально исследованы механизмы формирования радиального профиля концентрации атомов металла в импульсно-периодических ЛПМ с продольным разрядом. Показано, что перегрев приоссвых областей разряда и радиальный катафорез приводят к дефициту активных частиц в приосевых частях лазерной трубки, что может негативно сказаться на характеристиках генерации. Получен обобщенный критерий, выполнение которого обеспечивает величину перепада концентрации атомов металла между стенкой и осью разрядной трубки, не превышающую заданное значение. Этот критерий применим как к катафорезным, так и к традиционным импульсно-периодическим ЛПМ. Полученные аналитические результаты подтверждены результатами численных расчетов с использованием математической модели Не-Sr' лазера и экспериментов.
Показано, что для катафорезных импульсно-периодических ЛПМ должны одновременно выполняться критерии аксиальной и радиальной однородности распределения концентрации паров металла и определены границы областей оптимальных параметров возбуждения, обеспечивающих выполнение этих критериев.
В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.
В приложениях дано описание методов автоматической численной многопараметрической оптимизации - метода Нелдера-Мида и генетического алгоритма.
31
1. РЕКОМБИНАЦИОНЫЙ .Ме-Ы2 ЛАЗЕР С ІІЕННИНГОВСКОЙ ОЧИСТКОЙ НИЖНЕГО УРОВНЯ
Для рекомбинационных лазерных переходов в спектрах нейтральных атомов характерными являются возможность создания больших концентраций однократных ионов при относительно небольших затратах энергии (вследствие сравнительно малых потенциалов ионизации атомов) и сравнительно большая (до ~10 мкс и более) длительность генерации, обусловленная относительно медленной рекомбинацией однократных ионов. Еще одним следствием относительно малых потенциалов ионизации атомов является тот факт, что большинство лазерных переходов с радиационной очисткой нижнего уровня лежит в ИК диапазоне спектра из-за малого энергетического интервала между рабочими уровнями (см. введение).
Генерация же в видимом диапазоне при рекомбинационной накачке может быть получена на атомарных переходах с относительно большим энергетическим интервалом, нижними уровнями которых обычно являются сильнозаселенные ме-тастабильные и резонансные состояния, при использовании столкновительного механизма их очистки. Одним из эффективных способов столкновительной очистки нижнего лазерного уровня является очистка ионизирующейся примесью (пен-нинговская очистка), предложенная в [47-48].
Одной из активных сред, іде такая схема инверсии была экспериментально реализована, является активная среда №-Н2 лазера, излучающего в желтой области спектра (А.=585,3 нм №1) на переходе Зр'[1/2]0 - 35'[1/2/]і° (2рі-І52 в обозначениях Пашена - см. схему уровней №1 на рис. 1.1). Что касается Ые-Н2 лазера с газоразрядным возбуждением, то к началу наетоящей работы инверсная населенность в рекомбинирующей плазме, возникающая при пеннинговской очистке нижнего уровня, наблюдалась лишь в поперечном разряде [102-103]. Еще ранее генерация на этом переходе была получена в продольном разряде в смеси №-Не-Аг низкого давления в ионизационном режиме возбуждения [154].
После создания мощных лазеров (до ~60 кВт/л) с высоким КПД (до-1,3%) на этом и других Зр-ЗБ переходах Ые! в плотных смесях Ые-Ы2, Ые-Не-Аг и Ые-Не-Кг, возбуждаемых электронным пучком [104-105], интерес к этому классу лазеров резко повысился. Для применения в таких пеннинговских рекомбинационных лазерах перспективны не только электронные пучки, но и разряды различных типов, формирующие рекомбинационно-неравновесную плазму, в частности, разряды, в которых имеется «жесткая» составляющая функции распределения электронов но энергиям (ФРЭЭ), то есть группа быстрых немаксвелловских электронов, способных эффективно ионизировать рабочий газ. Одним из таких типов разрядов, при-
32
ближающихся по свойствам к электронному пучку, является разряд с полым катодом (РПК) [5-6, 8, 155-157]. Другим перспективным для получения генерации в спектре Ие1 является продольный импульсный разряд, в котором за счет высокой плотности тока могут быть получены значительные концентрации заряженных частиц, а значит, и высокие скорости рекомбинационной накачки в послесвечении.
Настоящая глава посвящена изучению возможности получения генерации на переходе Я=585,3 нм Ые1 в рекомбинирующей плазме разряда с полым катодом и продольного разряда и исследованиям физических процессов, определяющих в этих условиях накачку и инверсию. Также представлены результаты исследований продольного разряда в трубке с протяженными металлическими сегментами, сочетающего свойства продольного разряда и разряда с полым катодом, как способа возбуждения активных сред рекомбинационных лазеров. При возбуждении в данном разряде исследованы активные среды Ке-Н2 и Не-Кг+ лазеров [158*-165*].
1:1. Генерация на Д,=585,3 нм N61.6 разряде с полым катодом
Перспективность разряда с полым катодом для возбуждения Ке-Н2 лазера обусловлена тем, что в этом типе разряда имеется группа быстрых немаксвелловских электронов, которые способны эффективно ионизировать во время импульса тока атомы неона даже в присутствии значительных концентраций легкоионизи-русмой примеси водорода, используемой для столкновительной очистки нижнего рабочего уровня, и тем самым обеспечить эффективную рекомбинационную накачку в послесвечении.
С целью получения генерации была проведена серия экспериментов, в которых использовалась разрядная трубка с щелевым полым катодом активной длиной /=45 см и с размерами щели 2x6 мм. Катод выполнялся в виде цилиндрического стального стержня с продольной катодной полостью и помещался внутри анодной стальной трубки (см. рис. 1.2). Для столкновительной очистки нижнего рабочего уровня за счет реакции Псннинга использовалась примесь водорода, а также аргона. Для более эффективного охлаждения электронов в послесвечения использовались также добавки гелия. Импульсный разряд возбуждался с использованием схемы полного разряда накопительной емкости (С=5-50 нФ) через тиратрон ТГИ1-1000/25. При этом применялся резонансный заряд накопительного конденсатора через зарядный дроссель и зарядный диод, чем обеспечивалось удвоение напряжения на накопительном конденсаторе по сравнению с напряжением на высоковольтном выпрямителе (см. рис. 1.3).
В результате экспериментов впервые генерация на переходе Я=585,3 нм Ые1 была получена и исследована в разряде с полым катодом.
33
Рис. 1.1. Упрощенная схема нижних уровней атома неона Длины волн даны в нанометрах.
Рис. 1.2. Конструкция лазерной трубки с щелевым полым катодом: / - катод, 2 - анод.
Рис. 1.3. Схема с полным разрядом накопительной емкости через тиратрон: Т - тиратрон; - зарядный дроссель (-0,1-0,5 Гн); Д - зарядный диод; - шунтирующий дроссель (~1 мГн); С - накопительный конденсатор; К - катод, А - анод.
Генерация осуществлялась в импульсно-периодическом режиме при часто-тах следования импульсов ~1-10 Гц в смеси ТЧс-ЬЬ при давлениях ~5-25 Тор, а также в этой смеси с добавками гелия и аргона.
Исследование физических процессов в плазме проводилось методом изучения временных характеристик спонтанного излучения и генерации, который являегся одним из широко используемых благодаря простоте и информативности. В частности, на основе анализа временного хода интенсивности спектральных линий в послесвечении импульсного разряда могут быть установлены механизмы накачки уровней в рекомбинирующей плазме [5-7]. 1 акая возможность обусловлена тем, что типичные времена жизни уровней намного меньше характерных времен изменения скоростей накачки, поэтому населенности уровней и интенсивности линий квазистационарно «отслеживают» изменения накачки во времени. Регистрация спонтанного и лазерного излучения на линиях Ые1 проводилась с использованием спектрографа ИСП-51 с фотоэлектрической приставкой ФЭП-1 и осциллографов С1-74, С1-75, ВМ-430. Форма импульсов тока регистрировалась с помощью пояса Роговского, либо малого сопротивления (0,1 Ом), включаемого последовательно с разрядной трубкой у заземляемого электрода, сигнал с которого подавался на вход осциллографа.
На рис 1.4 представлены осциллограммы спонтанного излучения и генерации на лазерном переходе >.=585,3 нм №1, а также на более высоко расположенном переходе атома неона 4б[7/2]4° - Зр[5/2]3 (4б'4 - 2р9 в обозначениях Пашена - см. рис. 1.1) с >=576,4 нм при различных давлениях водорода. Видно, что в чистом неоне формы импульсов спонтанного излучения на этих двух линиях существенно отличаются (рис 1.4б). При добавлении Н2 интенсивность послесвечения на линии >.=585,3 нм значительно увеличивается, в то время как на линии >,=576,4 нм послесвечение изменяется мало (рис. 1 Лв-г), причем с ростом давления водорода рн^
до —1—1,5 Тор наблюдается некоторое увеличение интенсивности на >.=576,4 нм, а при больших ри_ имеется спад. Кроме того, при добавлении водорода уменьшаются различия в форме импульсов спонтанного излучения на этих линиях.
После достижения некоторой пороговой концентрации Н2 генерация возникает как в послесвечении при токах разряда /~0,2-1,3 кА, так и во время импульса тока при 1,5—3 кА (рис. 1.4г, 1.5). Генерация во время импульса тока длительностью ~1 мке осуществляется с небольшой задержкой к его началу (-0,1 мке) и пракгически повторяет форму импульса тока. В послесвечении при увеличении тока разряда выше оптимального наблюдается сдвиг импульса генерации длительностью ~2-4 мке в более позднее послесвечение (рис. 1.4г).
35
ї, МКС
Рис. 1.4. Осциллограммы импульсов тока (а, У), спонтанного излучения на /1=585,3 (2) и 576,4 нм КеІ (3), генерации на /.=585,3 нм №1 (4-7) в разряде с щелевым полым катодом при />цс=4 Тор, ри^ =0 (б), 2 («) и 6 Тор (г) и амплитудах тока разряда 0,6 (2-4),
1(5), 1,2 (6) и 2,5 кА (7).
Рис. 1.5. Зависимость интенсивности генерации на >.=585,3 нм N61 в разряде с щелевым полым катодом в послесвечении (У) и в импульсе тока (2) от амплитуды тока разряда при />Кс=4 Тор и рн^ =6 Тор.
36
Рис. 1.6. Зависимость интенсивности генерации на А.=585,3 нм N61 в разряде с щелевым полым катодом от давления водорода при рке=0,1 (а, 1), 2,5 (а, 2) и 10 Тор {а, 3); от давления смеси Ме:Н2=1:1,5 (б); от давления гелия при у^с=4 Тор и ри =6 Тор (в); от давления
аргона при р^€=Л Тор и =2 Тор (г). Ток разряда оптимальный для генерации.
37
Для определения оптимальных условий генерации на >.=585,3 нм N0! в рекомбинирующей плазме были экспериментально изучены зависимости интенсивности лазерного излучения от давления и состава смеси, которые представлены на рис. 1.6. Характер зависимости интенсивности генерации от концентрации примеси водорода (рис. 1.6а) качественно согласуется с предсказанным ранее теоретически для рекомбинационных лазеров с пениинговской очисткой нижнего уровня [3]. Переход от поглощения к усилению и дальнейший рост усиления с увеличением Рп2 обусловлен возрастанием скорости очистки примссыо нижнего рабочего уровня. При дальнейшем увеличении рич интенсивность генерации насыщается, а затем снижается, что обусловлено уменьшением населенности верхнего рабочего уровня вследствие пеннинговского очищения примесью, а также снижением эффективности ионизации неона в импульсе тока и, соответственно, уменьшением скорости рекомбинационной накачки в послесвечении.
Оптимальное для генерации соотношение компонент смеси, как видно из рис. 1.6а, зависит от давления неона и при его увеличении оптимальное отношение давления водорода к давлению неона уменьшается. При этом также уменьшается пороговое давление водорода. Это объясняется необходимостью осуществления не только столкновительной очистки нижнего рабочего уровня, но и быстрого охлаждения электронов в послесвечении за счет их соударений с частицами рабочей смеси. Требуемое для этого минимальное давление смеси, как следует из рис. 1.6а-б составляет ~4-5 Тор, поэтому при низких давлениях неона ркс~0,1 Тор необходимое для генерации давление водорода относительно велико >5 Тор (рис. 1.6а). При />ке~3-5 Тор для достижения генерации достаточно иметь /?„ = 1-2 Тор. При
больших давлениях смеси (>10 Тор) оптимальным для генерации является соотношение ее компонент №:Н2«1:1,5. С увеличением давления смеси при таком соотношении ее компонент интенсивность генерации монотонно возрастает (рис. 1.66). Добавление гелия к смеси Ыс-ЬЬ увеличивает интенсивность генерации (рис. 1.6в), что обусловлено увеличением скорости охлаждения электронов в послесвечении, приводящим к росту скорости рекомбинационной накачки. Улучшение генерации при малом давлении водорода =2 Тор) дает и небольшая добавка аргона (рис.
1.6г), что свидетельствует об участии его атомов в процессах пениинговской очистки нижнего лазерного уровня. Однако добавление только аргона в неон или ге-лий-неоновую смесь к генерации в наших условиях не приводило.
Для измерений ненасыщенного коэффициента усиления а0 в активной среде №-Нг лазера использовался метод максимальных калиброванных потерь, вносимых в резонатор [166]. Этот метод был модифицирован для повышения точности
38
измерений усиления импульсных лазеров. В частности, в [161*] нами было показано, что при измерениях усиления импульсных лазеров метод может приводить к занижению измеряемого коэффициента усиления, если время развития генерации в резонаторе соизмеримо со временем существования инверсии. При этом погрешность измерении тем больше, чем меньше длительность импульса генерации т и чем меньше коэффициент усиления активной среды а0. Кроме того, при больших усилениях и коротких импульсах на результатах измерений может сказываться сосредоточенный характер вносимых в резонатор потерь. Была предложена методика учета возникающих при измерениях усиления погрешностей, а также определены условия, когда погрешности пренебрежимо малы:
а0 [дБ/м] • (г[мкс] + 0,21 • т) > 18,5; (1.1)
здесь ш—1 при внесении потерь между активной средой и «глухим» зеркалом, т-2 при внесении потерь между активной средой и выходным зеркалом. Предложенная методика учета погрешностей измерений усиления была экспериментально протестирована на гелий-неоновом лазере (>.=632,8 нм N61), в котором импульсный режим искусственно создавался с помощью помещенного в резонатор высокоскоростного механического обтюратора, позволявшего получать импульсы генерации длительностью до нескольких микросекунд. В этом случае действительный коэффициент усиления измерялся в непрерывном режиме генерации (когда перекрытие луча обтюратором не производилось). При импульсном же режиме (с включенным обтюратором) наблюдалось снижение измеряемого коэффициента усиления по мере .укорочения длительности импульсов (достигаемого увеличением скорости вращения обтюратора). Проведенные эксперименты подтвердили применимость предложенной методики.
При разряде в щелевом полом катоде достигнутый коэффициен т усиления на линии >=585,3 нм Ые1 составил 5,2 дБ/м.
Использование разряда с полым катодом в смеси №-Н2 уже позволило ранее получить эффективную генерацию на ряде ИК переходов 4ь-3р Ые1 (>==0,94-1,4 мкм) [167]. Замена водорода на аргон приводила, как и в нашем случае, к резкому ухудшению характеристик генерации. Положительное влияние водорода в [167] объясняется тушением метастабильных атомов неона Зя, являющихся «узким местом» в гелий-неоновом лазере, и более эффективным заселением некоторых уровней 4б N61 предположительно посредством диссоциативной рекомбинации ионных нсон-водородных комплексов. С другой стороны, в [168] рассчитано, что добавление водорода в разряд может приводить к такой деформации функции распределения электронов, что увеличивается скорость заселения уровней 4б N61. Кроме того, водород наиболее благоприятен с точки зрения уменьшения потерь энергии
39