ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
ВВЕДШИЕ ........................................................... 4
Глава I. АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ ФАКТОРОВ, ВЛШЮЦИХ НА ЭФФЕКТИВ-
НОСТЬ ИМПУЛЬСНЫХ ФТОРОВОДОРОДНЫХ ЛАЗЕРОВ НА ОСНОВЕ ЦЕПНОЙ РЕАКЦИИ ................................... 12
§ I. Введение .............................................. 12
§ 2. Инициирование электрическим разрядом .................. 14
§ 3. Электроннопучковое инициирование ...................... 16
§ 4. Фотолитическое инициирование .......................... 17
Глава П. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ........................... 24
§ I. Лазерная кювета ....................................... 24
§ 2. Система газонапуска, вакуумирования и дегазации . 27
§ 3. Система инициирования ................................. 31
§ 4. Выбор материала отражателя ............................ 34
§ 5. Определение активного объема .......................... 38
§ 6. Определение концентрации активных центров, создаваемых источником инициирования .............................. 42
§ 7. Оптическая схема и система регистрации параметров
лазерного излучения ................................... 47
Глава 11І. ИССЛЕДОВАНИЕ Н2-Р2 - ЛАЗЕРА ........................... 51
§ I. Теоретическое рассмотрение работы Н2-Ь2 - -лазера
в рамках упрощенной модели ............................ 51
§ 2. Влияние состава смеси и уровня инициирования ... 60
§ 3. Влияние выходной связи резонатора ..................... 79
§ 4. О расходимости излучения импульсных фтороводородных лазеров .................................................. 81
Стр.
Глава ІУ. ИССІіЩОВАНИЕ D->-ïv.-CGo - jiAbEPA ....................... 87
GCHOHiiiE РЕЗУЛЬТАТІ л ВЬіВОДа .................................... Ïü5
ЛІТЕРАТУРА ....................................................... І Ci?
_ 4 -
ВВЕДЕНИЕ
Среда химических лазеров импульсного действия наибольший интерес в настоящее время представляют лазеры на основе цепной реакции фторирования водорода, в элементарных актах которой образуются колебательно-возбужденные молекулы НД &)Р) /I/. Благодаря цепному механизму реакции каждый, образованный при инициировании, активный центр (обычно атом фтора) может создать при определенных условиях большое количество колебательно - возбужденных молекул ^/гористого водорода. Это означает, что во 5/горо во дородных лазерах может реализовываться и, как будет показано нике, реализуется большая лазерная дайна цепи, которая показывает, какое количество молекул КР внесло вклад в когерентное излучение в расчете на о,дан, созданный при инициировании, активный центр.Ее величина определяется отношением скорости продолжения цепи к скорости ее обрыва в тройных соударениях и к скорости дезактивации возбужденных молекул.
Модификацией Н2~?2 ~ лазера, также представляющей интерес, является лазер, в котором в качестве рабочей молекулы используется молекула углекислого газа, возбуждаемая в результате передачи колебательной энергии от молекул 1)Р (V) /2/. Замена водорода на дейтерий здесь обусловлена меньшим дефектом энергий колебательно-вращательных переходов молекулы БР и перехода 00°0 — — 00°1 молекулы СС>2. Этот лазер также обладает большой лазерной .длиной цепи.
Чем больше лазерная длина цепи во фтороводородных лазерах , тем выше квантовый выход и КПД лазера. Следовательно,можно ожидать, что благодаря цепному механизму реакции накачки импульсные химические фтороводородные лазери будут иметь КПД, в принципе зна-
чительно превосходящим по величине КПД других типов лазеров.Однако, как следует из экспериментальных работ, здесь не все так просто. Достижение высоких значений КПД химических фтороводородных лазеров является сложной физической задачей.
Несмотря на большое количество экспериментальных исследова-ний - и Ьр-Рр-СО^ - лазеров с различными способа!® ини-
циирования, выполненных до начала данной работы, анализ имеющихся данных показывает, что существует довольно большой разброс в результатах, полученных разными авторами. Недостаточно полная определенность начальных условий, в которых проводился тот или иной эксперимент, затрудняет проведение сравнительного анализа разданных работ. Можно сделать вывод, что в настоящее время утвердились два способа инициирования импульсных 5/гороводородных лазеров: электронный пучок и фотолиз молекулярного фтора.Оба эти способа имеют свои положительные и отрицательные стороны, которые подробно будут рассмотрены в следующей главе. Здесь же лишь отметим, что КПД электронных ускорителей существенно выше, чем у фотоисточников. Однако электронные ускорители представляют собой сложные, дорогостоящие установки. При их использовании возникает необходимость в радиационной защите. Фотоисточники, несмотря на меньший КПД, являются в техническом отношении существенно более простыми источника!® инициирования химических лазеров.Поэтому для решения ряда практических задач их использование может оказаться более предпочтительным.
При рассмотрении результатов исследования фтороводородных лазеров можно заметить, что почти все эксперименты проводились
о о
на малых объемах активной среди —10 см , например, /3 - 12/.
Зто объясняется, вероятно, тем, что основной целью авторов было
- 6 -
определение удельных характеристик лазера. Taie, например, в /8/ проведено детальное исследование удельных энергетических характеристик инициируемого электронным пучком (I/гороводородного лазе-
г\
ра с активным объемом V/. = 120 см' . Сообщается о достижении величины физического КПД (КПД по отношению ко вложенной в рабочую среду энергии инициирования) о й = при удельном энергосъе-
О
ме &л = 91 мДж/см . Эксперименты с большим объемом активной сре-
до
да ~г0 см были проведены в /13,14/. Наилучший результат был получен в работе /14/. Исследование Hg-Fg - лазера с активным объемом Vл= 32 л позволило ее авторам получить максимальное значение полной лазерной энергии Ел = 4,2*10 Дж. Однако величина КПД по отношению ко вложенной энергии электронного пучка составила при этом всего лишь Ьъ = 180^
и.
Следует отметить, что ни в одной из работ по исследованию фторо водородных лазеров с электроннопучковым инициированием не приводится данных о полном КПД этих лазеров. Вероятно, это связано с тем, что при инициировании лазера электронным пучком наиболее просто измерять величину поглощенной средой энергии пучка и, следовательно, определять физический КПД. Полный КПД такого лазера будет определяться степенью технического совершенства электронного ускорителя и степенью полноты вложения энергии пучка в рабочую среду. Поэтому исследователи ограничиваются определением физического КПД лазеров с инициированием электронным пучком.Вопрос достижения высоких значений полного КПД остается пока без внимания.
У фтороводородных лазеров с инициированием импульсным фотолизом ситуация несколько иная. В этом случае измерение вложенной в рабочую среду энергии инициирования представляет значительную
- 7 -
трудность и поэтому, в основном, в работах приводились данные о величине не физического, а полного КПД лазера. Следует отметить низкий уровень полученных результатов. В основном, значения полного КПД составляли доли /10,15,16/ или единицы процентов /11,12, 17/. Были известны лишь две работы, в которых КПД лазера превышал 10/. В /18/ сообщалось о достижении полного КПД I) 2~^2~^2 ~ ла~ зера, равного = 12/ при величине удельного энергосъема £.л =
= 19 Д'к/л. Максимальное значение ^ т ~ лазеРа> полученное
.в /19/, составило 29/ при ьл = 23 Дд/л. Такое существенное повы-шение КПД объясняется тем, что в /18,19/ эксперименты проводились с большими объемами активной среда, 10 л /18/ и 12,8 л /19/. Использование больших активных объемов является необходимым условием получения высоких значений полного КПД лазера, поскольку позволяет эффективно вкладывать в рабочую среду энергию инициирования.
Однако в этих работах отсутствовало детальное исследование зависимостей энергетических характеристик лазера от различных начальных параметров. Было непонятно, являются да полученные значения КПД предельными или существуют пути их увеличения.Недостатком указанных работ является также отсутствие данных об уровне инициирования. Между тем, несмотря на сложность определения, объективным параметром, необходимым для проведения аккуратного срав-нения характеристик различных лазеров, отличающихся даже способом инициирования, является концентрация активных центров, созданная источником за время импульса (при условии, что импульс инициирования заканчивается раньше, чем импульс генерации). Кроме того, значение уровня инициирования также необходимо для проведения сравнения результатов расчета с экспериментальными данными, опре-
- 8 -
деления квантового выхода, физического КПД и для понимания физики работы лазера.
Важным моментом, который нужно учитывать при решении указанной задачи, является нестабильность рабочей смеси фтороводородного лазера вследствие протекания темповой реакции в процессе приготовления смеси. Контроль темповой реакции является методически очень сложным процессом, поэтому косвенным показателем того, что лазер работает примерно в одних и тех же начальных условиях , должна быть, по-видимому, воспроизводимость результатов.
Таким образом, задача повышения КПД химических (Хлороводородных лазеров является многоплановой и включает в себя, в частности, отработку методики приготовления однородной по объему, стабильной рабочей смеси реагентов, правильный выбор и организацию инициирования, отработку методики определения концентрации активных центров, создаваемых источником инициирования.
Цель диссертационной работы
Проведение экспериментальных исследований, направленных на выявление условий достижения значений КПД фтороводородных лазеров с инициированием ламповым фотолизом, близких к предельным, и создание на основе полученных результатов высокоэффективных Нг,-
р
-IV, - и д ~ лазеР0В с энергией £10 Дк.
Научная новизна работы
Впервые проведено комплексное экспериментальное исследование фотоинициируемых фтороводородных лазеров 1з широком диапазоне изменения парциальных давлений реагентов в условию: контролируемого давня инициирования реакции. Проведена оптимизация состава смеси и уровня инициирования с целью получения максимальных значений физического и полного КПД указанных лазеров. Достигнутые в экспери-
- 9 -
ментах величины КПД существенно превышают полученные ранее в других работах.
Определены факторы, ограничивающие рост энергии лазера с уве-личением уровня инициирования при работе на энергоемких смесях.
Проведено сравнение эффективности ^2~^2 ^2~^2 ~ и ^ 2~
-?2~С02 - лазеров.
Практическая ценность работы
Созданы высокоэффективные фтороводородные лазеры с инициированием ламповым фотолизом, которые могут работать в широком диапазоне изменения уровня инициирования с полным КПД, превышающим 20$ при величине удельного энергосьегла более 30 Де/л.Полная энергия лазеров составляет сотни .джоулей.
Найденные в работе условия достижения предельных КПД могут быть использованы при создании мощных эффективных ф/гороводородных лазеров .для решения тех задач, где необходимо мощное излучение в диапазоне .длин волн Л = 2,7 - 4,5 мкм и ~ 10 мкм, в частности в лазерной химии, в спектроскопии, для зондирования атмосферы.
На защиту выносятся следующие положения
1. Методика определения концентрации активных центров (атомов фтора), создаваемых излучением импульсных ламп, основанная на измерении поглощения УФ излучения радикалами П^, образующимися в результате реакции атомарного фтора с кислородом.
2. Экспериментальное определение условий достижения максимальных значений 1ЩЦ ^2~^2 ~ и ®2“^2"^°2 “ лазеР0В с ламповым инициированием, равных 49$ (Е„ = 195 Дне) и 70$ (Еп = 177 Дж).
Л л
3. Экспериментальное обнаружение факта ограничения роста энергии фтороводородного лазера вознкгаювением паразитной генерации в активном объеме при высоких уровнях инициирования ([?]0
- Київ+380960830922