Лазеры на атомных переходах инертных газов с электронной накачкой

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ .....................................................................................5
Глава 1. ЛАЗЕРЫ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ НА АТОМНЫХ ПЕРЕХОДАХ
ИНЕРТНЫХ ГАЗОВ.....................................................................15
§ 1.1. Обзор методов накачки лазеров на ИК переходах инертных газов....................15
1.1.1. Лазеры высокого давления с поперечным разрядом............................15
1.1.2. Лазеры с накачкой продуктами ядерных реакций..............................19
1.1.3. Фотоионизационно - рекомбинационные лазеры................................20
1.1.4. Лазеры с СВЧ накачкой.....................................................21
1.1.5. Лазеры с накачкой пучком быстрых электронов...............................21
1.1.6. Электроионизационный метод накачки лазеров на инертных газах..............25
§ 1.2. Лазеры на Зр - 3« переходах неона...............................................28
1.2.1. Элсктроразрядные неоновые лазеры низкого давления.........................29
1.2.2. Элсктроразрядные лазеры высокого давления на самоограїшчснньїх р - 5 переходах тяжелых инертных газов................................................29
1.2.3. "Пснниш овские" лазеры высокого давления на Зр - Зб переходах N0!.........30
§ 13. Кинетические процессы в смесях инертных газов....................................35
1.3.1. Взаимодействие электронного пучка с активной средой.......................36
1.3.2. Плазмохимичсскис реакции между тяжелыми частицами.........................37
1.3.3. Реакции с участием вторичных электронов...................................41
1.3.4. Реакции с участием электромагнитных квантов...............................44
Глава 2. ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ........................................................46
§ 2.1. Элсктрононизаинонная лазерная установка ТИР -4..................................46
2.1.1. Электроионизационный газовый лазер высокого давления......................46
2.1.2. Диагностический комплекс..................................................49
§ 2.2. Лазеры на ксеноне с элсктроннонучковой накачкой.................................51
2.2.1. Лазер на Аг - Хе смеси....................................................52
2.2.2. Лазеры на смесях с другими буферными газами...............................53
2.2.3. Спектральный состав лазерного излучения...................................54
§ 2.3. Лазеры на ксеноне при электроионизацнонной накачке..............................55
2.3.1. Электроионизационный разряд в Аг - Хс смеси...............................55
2.3.2. Энергетические параметры электроиоиизационного лазера на Аг - Хе смеси 57
2.3.3. Электроионизационная накачка других лазерных смесей.......................59
§ 2.4. Кинетика возбуждения лазеров на ксеноне.........................................60
2.4.1. Кинетика возбуждения при электроннопучковой накачке.......................60
2.4.2. Кинетические процессы и механизм образования проводимости в активной
среде при электроионнзационной накачке.....................................64
§ 2.5. Альтернативные механизмы возбуждения лазерных переходов.........................67
2.5.1. Рекомбинационные механизмы возбуждения....................................68
2.5.2. Непосредственная передача возбуждения с буферного газа....................68
2.5.3. Возбуждение вторичными электронами........................................69
2.5.4. Резюме....................................................................70
ОГЛАВЛЕНИЕ З
Глава 3. ДВУХКАСКАДНАЯ ЭЛЕКТРОИОНИЗАЦИОННАЯ ЛАЗЕРНАЯ
УСТАНОВКА ’ТАНДЕМ"..............................................................71
§ 3.1. Электроновизацнонный лазер с острийным катодом электронной нушкн............72
3.1.1. Конструкция лазера.....................................................72
3.1.2. Генератор импульсных напряжений (I *ИН)................................74
3.1.3. Энергетические параметры электронной пушки.............................75
§ 3.2. Элсктроиоыизацнонный лазер с нагревшим катодом электронной пушки............77
3.2.1. Электронная пушка с вольфрамовым катодом...............................77
3.2.2. Система магнитной фокусировки электронного пучка.......................82
§ 3.3. Особенности диагностическою комплекса установки "Тандем"....................84
Глава 4. ЛАЗЕРЫ ИНФРАКРАСНОГО ДИАПАЗОНА С ЭЛЕКТРОННОПУЧКОВОЙ
НАКАЧКОЙ........................................................................87
§ 4.1. Высокоэффективный лазер на Ar - Хе смеси....................................87
4.1.1. Энергетические и спектральные характеристики...........................87
4.1.2. Динамика усиления слабого сигнала.....................................101
4.1.3. Уширение некоторых лазерных переходов в смеси Ат - Хе.................106
4.1.4. Динамика генерации....................................................108
§ 4.2. Лазеры на смесях ксенона с криптоном и неоном..............................112
4.2.1. Лазер на Кг - Хе смеси................................................113
4.2.2. Лазер на Ne - Хе смеси................................................115
§ 43. Лазеры на смесях Не - Хе, Не - Кг и Не - Ar.................................117
4.3.1. Энергетические характеристики лазеров.................................118
4.3.2. Спектральные характеристики выходного излучения.......................122
4.3.3. Динамические характеристики...........................................125
§ 4.4. Результаты исследования других бинарных смесей.............................128
§ 4.5. Лазеры на трехкомпопентных смесях..........................................128
4.5.1. Лазеры на смесях с добавками неона....................................129
4.5.2. Влияние добавок аргона на параметры Не - Хс и Не - Кг лазеров.........133
4.5.3. Влияние добавок криптона на параметры Не - Хе и Аг - Хе лазеров.......135
4.5.4. Влияние мощности накачки и добавок гелия на энергетические параметры
Аг-Хе лазера...........................................................135
Глава 5. ЛАЗЕРЫ ВИДИМОГО ДИАПАЗОНА НА АТОМНЫХ ПЕРЕХОДАХ
НЕОНА..........................................................................144
§ 5.1. Эпергетические характеристики..............................................144
5.1.1. Лазеры с длинами волн X = 703 и 725 нм................................144
5.1.2. Бсзгслиевые двухкомпонентные смеси :..................................153
5.1.3. Оптимизация энергетических характеристик..............................155
§ 5.2. Спектральные ширины линий генерации........................................157
§ 5.3. Динамика уселення слабого сигнала..........................................159
§ 5.4. Динамика наведенного поглощения............................................163
§ 5.5. Столкновительное тушение 3s уровней неона..................................167
5.5.1. Процессы ионизации с участием атомов неона............................168
5.5.2. Экспериментальная методика............................................171
5.5.3. Эксперимент...........................................................173
ОГЛАВЛЕНИЕ 4
§ 5.6. Столкновительнос тушение 6s уровней ксепона...............................178
5.6.1. Методика измерений..................................................179
5.6.2. Обсуждение результатов измерений....................................184
Глава 6. МОЩНЫЙ ЭЛЕКТРОИОНИЗАЦИОННЫЙ ЛАЗЕР НА Ar - Хе СМЕСИ............................188
§ 6.1. Реализация мощной квазинепрерывной генерации..............................188
§ 6.2. Динамика возбужденных и ионизованных состояний ксеиопа в Аг - Хе смеси 192
6.2.1. Динамика населенности эксимерных состояний..........................193
6.2.2. Экспериментальное подтверждение существования механизма накачки из возбужденных состояний.....................................................197
6.2.3. Предпосылки к созданию электроионизационного Аг - Хе лазера с низким уровнем предыонгаации......................................................199
§ 6.3. Константы скоростей трех кинетических процессов в Аг - Хе смеси...........200
6.3.1. Методика измерений..................................................200
6.3.2. Дезактивация эксимера аргона в послесвечении........................203
6.3.3. Передача возбуждения с эксимера аргона на ксенон....................205
6.3.4. Перемешивание состояний 3£ И lZ эксимера аргона электрон там ударом.206
§ 6.4. Элекгроионизационный Аг - Хе лазер с низким уровнем нредыонизаини.........209
6.4.1. Оптимизация энергетических характеристик лазера.....................209
6.4.2. Элсктроионизационный Аг - Хе лазер атмосферного давления............215
6.4.3. Влияние мощности накачки на спектрально - временные характеристики
лазера................................................................217
§ 6.6. Элекгронопизацнонные лазеры на Не - Аг и Ne - Ar смесях...................220
Глава 7. РАСХОДИМОСТЬ ВЫХОДНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ЛАЗЕРОВ НА
ИНЕРТНЫХ ГАЗАХ................................................................223
§ 7.1. Оптическая схема эксперимента.............................................223
§ 7.2. Структура выходного излучения в б.шжней зове..............................225
§ 7.3. Структура выходного излучения в дальней зоне..............................227
ПРИЛОЖЕНИЕ............................................................................234
§ п.1. Основные кинетические процессы в смесях инертных газов....................234
§ п.2. Численный расчет плазменных параметров в Ne - Кг и Аг - Хе смесях.........241
п.2.1. Пентпшговский лазер на Nc - Кг смеси................................241
п.2.1. Электроннопучковый лазер на Аг - Хе смеси...........................244
ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................248
ЛИТЕРАТУРА............................................................................251
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы
Одним из наиболее важных направлений современной квантовой электроники, имеющим большое значение для развития лазерной технологии, методов разделения изотопов и стимулирования химических реакций, для медицины, локации, связи, Л У ТС и многих других важных приложений, является разработка и создание газовых лазеров высокого давления. Среди большого количества таких лазеров можно выделить ограниченный набор лазерных систем, резко выделяющихся своими высокими энергетическими характеристиками - наиболее важным параметром для целого ряда практических приложений. К этим лазерным системам относятся электроразрядные СО2 - лазеры (с несамостоятельным [1, 2] и самостоятельным [3] разрядом), являющиеся основой современной лазерной технологии, газодинамические СО2-лазеры, позволяющие получать мощности на уровне нескольких сотен киловатт [4], электроионизационные СО -лазеры с КПД до 40 % [5], ультрафиолетовые эксимерные лазеры с удельным энергосъемом до 40Дж/л при КПД~ 10% [6], йодный лазер с фотодиссоционной накачкой, позволяющей возбуждать огромные объемы и обеспечивающей рекордные энергии в импульсе излучения [7] и, наконец, химические лазеры, дающие возможность на каждый джоуль электрической энергии получать - 10 джоулей лазерного излучения [8].
В то же время следует сказать, что обладая набором столь привлекательных свойств, каждая из перечисленных лазерных сисгсм в отдельности не свободна от тех или иных недостатков. Среди этих недостатков следует упомянуть высокую агрессивность или токсичность компонентов лазерных смесей или продуктов химических реакций (химические, йодные, эксимерные и СО - лазеры), большие трудности принципиального характера при создании лазеров замкнутого цикла (газодинамические и химические лазеры), деградация рабочей смеси в лазерах с замкнутым циклом (эксимерные, СО2-И СО-лазеры), необходимость использования криогенной техники (СО-лазеры), невысокая спектральная плотность излуюния (СО - лазеры). Кроме того, обладая достаточно разнообразным набором длин волн в широком спектральном диапазоне от УФ до средней ИК области спектра, эти лазеры не перекрывают конечно же весь этот диапазон полностью. Таким образом представляется весьма актуальным поиск мощных лазерных систем, свободных от указанных недостатков и расширяющих диапазон генерируемых линий большой мощности.
К перспективным кандидатам на роль таких лазеров можно отнести лазеры на атомных переходах инертных газов видимой и ближней ИК областей спектра. Вообще говоря, лазеры этого типа составляют в настоящее время один из наиболее изученных классов лазерных систем. Напомним, что именно к ним относится первый газовый лазер на смеси гелия с неоном, созданный в 1961 году Джаваном, Беннетом и Эрриотом [9], который и сейчас является наиболее известным и широко распространенным представителем данного класса. Дальнейшие исследования 60-х годов привели к созданию многих других лазеров низкого давления с накачкой тлеющим разрядом на нескольких сотнях переходов атомов неона, аргона, криптона и ксенона в видимой и ИК областях спектра [10]. Несмотря на низкий КПД (~10'5) и весьма невысокие энергетические характеристики, широкий диапазон длин волн генерации, полная химическая инертность
ВВЕДЕНИЕ
6
активной среды и ее высокая стабильность при длительной работе обеспечивают этим лазерам самое широкое применение в различных областях науки, техники и медицины. Позднее значительно более высокие энергетические характеристики были реализованы в лазерах на инертных газах с давлением активной среды до атмосферы и выше. После открытия этих лазеров в начале 70-х годов [ 11, 12] в течение нескольких лет был получен ряд важных результатов при использовании электроразрядного метода возбуждения. Энергия генерации была доведена с долей миллиджоуля в первых публикациях до нескольких десятков миллиджоулей [13, 14], а КПД с 10'2 % до ~ 1 % [15, 16]. Был реализован импульсно - периодический режим работы с частотой следования импульсов до 10 кГц [17, 18] и средней мощностью излучения до ~ 10 Вт [19 - 21]. Отмечались такие важные свойства лазеров на инертных газах, как удачный набор длин волн генерации ближнего ИК диапазона, лежащий в области прозрачности кварцевого стекла, не-токсичность лазерных смесей и их способность работать в замкнутом цикле без заметной деградации в течение весьма длительных отрезков времени [17].
Несмотря на обилие полученных данных результаты, опубликованные к началу настоящей работы в 1981 году, показывали необходимость дальнейших исследований, поскольку широкое использование лазеров на инертных газах высокого давления в качестве мощных лазерных систем ограничивалось невысокими, все-таки, удельными (до 0,75 Дж/л [22]) и абсолютными (до 0,2 Дж [16]) энергетическими характеристиками, а также отсутствием надежных методов организации устойчивого разряда при накачке значительных объемов инертных газов. В то же время, обнаруженная в работе [16] принципиальная возможность реализации в лазерах на ксеноне с аргоном в качестве буферного газа КПД на уровне до 20 % при накачке лазерных переходов из высоколе-жаших метастабильных состояний ксенона и продемонстрированная в работах [23, 24] возможность накачки лазерных переходов потоками заряженных частиц, позволяли надеяться на успешную реализацию новых эффективных методов накачки значительных объемов инертных газов и на качественное увеличение энергетических параметров обсуждаемых лазерных систем.
Цель работы
Цель настоящей работы заключалась в создании электроннопучковых и электро-ионизационных лазеров (лазеров с электронным возбуждением) высокого давления на атомных переходах инертных газов видимой и ближней ИК областей спектра с высокими энергетическими параметрами выходного излучения.
Научная новизна и ценность работы
В рамках поставленной задачи в данной работе проведено детальное систематическое исследование лазеров с электроннопучковой и электроионизационной накачкой на атомных переходах ксенона, криптона, аргона и неона, стимулировавшее подобные исследования у нас в стране и за рубежом и выведшее, в конечном итоге, этот, прежде достаточно скромный класс лазеров на уровень наиболее мощных из известных лазерных систем. При этом был получен ряд новых и важных научных результатов.
Так, впервые осуществлена эффективная квазинепрерывная накачка лазерных переходов атомов инертных газов электроионизациоиным разрядом большой длительности. Решение этой задачи оказалось возможным благодаря предложенному и экспериментально реализованному в данной работе новому подходу к известному ранее [16]
ВВЕДЕНИЕ
7
методу накачки лазеров высокого давления на атомных переходах ксенона электрическим разрядом из возбужденных состояний рабочего газа. Новизна предлагаемого подхода заключается в использовании внешнего источника ионизации для наработки и поддержания необходимой концентрации возбужденных атомов в активной среде лазера в течение всего импульса накачки. Это дает возможность осуществить объемный сильноточный электроионизационный разряд, сохраняющий устойчивость в течение по крайней мере нескольких микросекунд. Такой разряд позволяет увеличить более чем на порядок значения энерговклада и реализовать накачку лазерных переходов атома ксенона в Аг - Хе смеси с физическим КПД более чем 5 %. Методом абсорбционной спектроскопии получено прямое экспериментальное подтверждение самой, выдвинутой в [16] гипотезы о накачке лазерных переходов ксенона не из основного, а из возбужденных состояний рабочего газа, наработанных в нашем случае под действием пучка быстрых электронов.
Экспериментально показано, что при электроионизационном возбуждении активной среды Аг - Хе лазера в плазме электроионизационного разряда существует эффективный механизм размножения электронов за счет ионизации возбужденных атомов активной среды электронами проводимости. Этот механизм обеспечивает высокую проводимость активной среды и высокую скорость рекомбинационного потока на верхние лазерные уровни атомов рабочего газа. При этом обнаружен эффект саморег улирования параметра Е / р на разрядном промежутке, обеспечивающий необходимую устойчивость электроионизационного разряда. Показано также, что при возбуждении смесей инертных газов, в частности активной среды лазера на Аг - Хе, в плазме электроионизационного разряда существует механизм увеличения эффективного времени жизни совокупности ионизованных и возбужденных состояний атомов рабочего газа, обеспечивающий эффективную работу лазера в условиях низкой интенсивности внешней ионизации и открывающий перспективу создания лазеров с высокой средней мощностью излучения.
При систематическом исследовании энергетических возможностей электроннопучкового и электроионизационного методов возбуждения для лазеров на атомных переходах инертных газов впервые запущены электроннопучковые лазеры ближней ИК области спектра на переходах атомов аргона и криптона и электроионизационный лазер на Ж переходах аргона. Для лазеров, известных и до проведения настоящей работы, впервые в активной среде высокого давления получена генерация на переходе 5<1[5/2]5 - 6р[5/2]3 атома ксенона с длиной волны излучения А, = 2,84 мкм, а в лазере на неоне получена генерация на двух неизвестных ранее (в том числе и в активных средах низкого давления) видимых лазерных переходах Зр[1/2], - 3^3 !2]°2 и Зр[1/2], -35(3/2]° с длинами волн X = 703 и 725 нм соответственно. Показано, что в лазерах с электроннопучковым возбуждением возможно существенное увеличение энергии генерации на ряде спектральных линий за счет использования двухкомпонентных буферных смесей.
Впервые для лазеров высокого давления на атомных переходах инертных газов проведено исследование динамики усиления слабого сигнала на отдельных спектральных линиях по классической усилительной методике и прямое измерение методом абсорбционного зондирования временного хода наведенного (горячего) поглощения в спектральных диапазонах, соответствующих линиям генерации видимого диапазона длин волн. Проведенные эксперименты позволили составить представление о процес-
ВВЕДЕНИЕ
8
сах конкуренции на лазерных переходах, имеющих общие верхние, либо нижние лазерные уровни и выявить основные закономерности динамики развития генерации на отдельных спектральных составляющих, систематическое экспериментальное исследование которой для данного класса лазеров на всех известных лазерных переходах и в широком диапазоне экспериментальных условий проведено в рамках данной работы также впервые.
Методом абсорбционного зондирования проведено также измерение констант скоростей 34-х плазмохимических реакций, причем для некоторых реакций, играющих весьма важную роль в процессах расселения нижних уровней лазерных переходов и формирования инверсии населенности в лазерах на ксеноне и неоне, такие измерения проведены впервые.
Практическая ценность работы
Проведенное в работе систематическое исследование энергетических и спектральных характеристик лазеров с электроннопучковым возбуждением на электронных переходах атомов ксенона, криптона, аргона и неона ближней ИК и видимой областей спектра позволило для всех этих лазеров достигнуть рекордных на момент их получения энергетических характеристик выходного излучения при расходимости на уровне дифракционного предела. На основе имеющих и самостоятельную практическую ценность результатов по исследованию динамики усиления и генерации на отдельных спектральных составляющих проведены оценки величин ударного уширения лазерных переходов в Аг-Хе смеси. Ценность относительно простых экспериментов с электроннопучковой накачкой определяется также тем, что их результаты могут быть с успехом использованы для анализа процессов в существенно более трудоемких экспериментах с ядерной и электроионизационной накачкой.
Исследование электроионизационного способа возбуждения показало большую практическую значимость предложенного в работе нового подхода к накачке из возбужденных состояний атомов рабочего газа применительно к наиболее эффективному из рассматриваемого класса лазеров - лазеру на смеси Аг - Хс. Осуществление в большом объеме (10 л) несамостоятельного разряда, управляемого электронным пучком большой длительности (~ 5 мке), позволило более чем на порядок увеличить значение удельных (до 8 Дж/л) и более чем на два порядка абсолютных (до 80 Дж) энергических характеристик электроразрядных лазеров на инертных газах и довести при этом эффективность преобразование запасенной в конденсаторной батарее электрической энергии в лазерное излучение до 3,2 %. При энсргосъемах, близких к максимальным, достигнута расходимость излучения на уровне 3*10'5 рад.
Проведение в работе измерений констант скоростей плазмохимических реакций имеет фундаментальное значение. Для целей диссертации их ценность определяется также тем, что полученные впервые или уточненные значения этих констант необходимы для построения уточненных кинетических моделей лазеров на атомных переходах инертных газов. Кроме того они могут оказаться полезными при анализе кинетических процессов в активных средах эксимерных лазеров различных модификаций.
Основная же ценность настоящей работы с практической точки зрения заключается в том, что анализ полученных в ней результатов позволяет получить физическое обоснование и сформулировать условия реализации и принципы построения мощных импульсно - периодических электроионизационных лазеров для приложений. Так в работе показана принципиальная возможность создания импульсно - периодических
ВВЕДЕНИИ
9
электроионизационных лазеров высокого давления на смеси Аг - Хе с длиной волны излучения X = 1,73 мкм, объемом активной области 10 л, удельным энергосъемом 0,5 - 1,0 кВт/л и КПД на уровне 2,0 - 3,2 %. Показано также, что в случае использования традиционных импульсно - периодических электроионизационных лазерных установок атмосферного давления можно рассчитывать на получение средней удельной мощности генерации ~ 200 Вт/л при условии обеспечения высокой степени чистоты газодинамического контура и применения импульсно - периодической системы коммутации конденсаторной батареи питания разряда. Среди перспективных практических приложений следует отметить возможность использования лазера с длиной волны А, = 1,73 мкм, совпадающей с одним из окон прозрачности земной атмосферы, в системах локации и связи. Упомянем также, что осуществленный в настоящей работе устойчивый несамостоятельный объемный разряд в инертных газах высокого давления с длительностью импульса в несколько микросекунд и разрядным током до 100 кА может быть применен в высоковольтных малоиндуктивных коммутаторах, предназначенных для использования в быстрых и сильноточных разрядных цепях.
Созданная в рамках настоящей работы экспериментальная электроионизационная лазерная установка с нагревным катодом электронной пушки по совокупности параметров отвечает современному уровню достижений в данной области лазерной техники и может быть использована в качестве основы для построения импульсно - периодических Аг - Хе лазеров. Некоторые узлы установки являются оригинальными техническими разработками, составившими предмет самостоятельных исследований.
Апробация работы и публикации
Материалы, вошедшие в диссертацию, доложены на 13-й Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Минск, 1988), Международной конференции "Оптика лазеров '93" (С.-Петербург, 1993), 26-м Международном коллоквиуме но спектроскопии (София, 1989), 21-й Европейской конференции по взаимодействию лазерного излучения с веществом (Варшава, 1991) 12-й Всесоюзной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Москва, 1985), 6-й Всесоюзной конференции "Оптика лазеров" (Ленинград, 1990), Всесоюзном семинаре "Процессы ионизации с участием возбужденных атомов" (Ленинград, 1988), и опубликованы в работах [25 - 79].
Объем работы
Диссертация состоит из Введения, семи Глав, Приложения и Заключения. Общий объем диссертации - 265 страница текста, включая 155 рисунков и 21 таблицу. Список литературы содержит 343 наименования.
Содержание работы
Во Введении обсуждаются актуальность рассматриваемых вопросов, изложена цель работы, рассмотрены новизна, научная и практическая ценность полученных результатов.
Первая Глава носит обзорный характер. В § 1.1 дан обзор методов накачки ИК лазеров высокого давления на инертных газах, а также прослежены основные этапы наращивания энергетических характеристик лазеров и приведен сводный график рекордных параметров этих лазеров по годам с момента их появления. В обзоре отдельно рассмотрены лазеры с поперечным разрядом (1.1.1), рекомбинационные лазеры с накачкой
ВВЕДЕНИЕ
10
продуктами ядерных реакций (1.1.2), фотоионизационно - рекомбинационные лазеры (1.1.3) и лазеры с СВЧ накачкой (1.1.4). Кратко описаны электроннопучковый (1.1.5) и электроионизационный (1.1.6) методы возбуждения, являющиеся предметом подробного исследования в остальных Главах диссертации.
В § 1.2 предлагается обзор работ, имеющих отношение к лазерам видимого диапазона на Зр-З.я переходах атома неона. При этом обсуждаются электроразрядные неоновые лазеры низкого давления (1.2.1), электроразрядные лазеры высокого давления на аналогичных р - б переходах тяжелых инертных газов (1.2.2) и лазеры высокого давления на неоне с электроннопучковой, ядерной и электроразрядной накачкой (1.2.3). Этот обзор касается работ, выполненных как до проведения настоящего исследования, так и позднее в параллельных экспериментах других авторов.
В § 1.3 рассмотрены основные плазмохимические реакции в смесях инертных газов, и на основе имеющихся литературных данных по константам скоростей этих реакций проведено качественное рассмотрение основных каналов миграции энергии возбуждения по различным ионизованным и возбужденным состояниям исследуемых лазерных сред.
Вторая Глава диссертации посвящена рассмотрению результатов первого этапа исследований, выполненных на установке "ТИР - 4", созданной ранее и не предназначенной специально для исследования лазеров на инертных газах. В § 2.1 дано описание этой установки, состоящей из электроионизационного газового лазера с объемом активной области 9 л (2.1.1), созданного на основе электронной пушки с острийным катодом, и диагностического комплекса (2.1.2), с помощью которого производились измерения электрических параметров лазера, энергии, мощности и спектрального состава лазерного излучения.
В § 2.2 описаны исследования лазеров на ИК переходах атома ксенона с электроннопучковой накачкой. Получены зависимости энергетических параметров лазеров от экспериментальных условий для Аг-Хе смесей (2.2.1) и смесей ксенона с другими буферными газами (2.2.2). Проведены спектральные измерения, позволившие определить распределение выходной лазерной энергии по отдельным линиям генерации, существенным образом зависящее от сорта используемого буферного газа (2.2.3).
В § 2.3 исследуется электроионизационный метод возбуждения. На основе электрических измерений параметров разряда в Аг~ Хе смеси (2.3.1) сделаны количественные выводы о балансе энергии возбуждения и эффективности преобразования вложенной в разряд электрической энергии в лазерное излучение (2.3.2). Исследованы возможности электроионизационного метода при накачке смесей Кг - Хе, Не - Хе, № - Хе и чистого ксенона (2.3.3).
В § 2.4 обсуждаются основные кинетические процессы в активной среде лазеров при электроннопучковом (2.4.1) и электроионизационном (2.4.2) возбуждении. Делается вывод, что в обоих случаях накачка лазерных уровней осуществляется за счет механизма диссоциативной рекомбинации.
В § 2.5 обсуждаются альтернативные механизмы возбуждения лазерных переходов, включающие различные процессы рекомбинации (2.5.1), непосредственную передачу возбуждения с атомов буферного газа (2.5.2), возбуждение вторичными электронами (2.5.3). В резюме (2.5.4) формулируются основные положения рекомбинационной кинетической модели лазеров на атомных переходах инертных газов, на основе которой проводится обсуждение экспериментального материала в последующих Главах диссертации.
ВВЕДЕНИЕ
11
Третья Глава диссертации, посвященная описанию электроионизационной установки "Тандем", специатьно разработанной и построенной для исследования лазеров на инертных газах, предваряется изложением необходимых требований к такой установке, сформулированных на основании результатов предварительных экспериментов на установке "ТИР - 4". Для расширения экспериментальных возможностей два близких по конструкции лазера установки с объемом активной области 10 л каждый были выполнены в двух различных модификациях: с острийным (§ 3.1) и нагревным (§ 3.2) катодами электронных пушек. Установка была также оснащена усовершенствованным диагностическим комплексом, особенности которого рассмотрены в § 3.3.
Четвертая Глава диссертации посвящена детальному исследованию лазеров с электроннопучковым возбуждением на атомных переходах ксенона, криптона и аргона. В § 4.1 продолжено исследование высокоэффективного лазера на Аг-Хс смеси. Оптимизация его энергетических параметров позволила получить рекордный дтя электроннопучковых лазеров удельный энергосъем (3 Дж/л), а исследование спектральных зависимостей дало важную дополнительную информацию для понимания кинетики формирования инверсии на лазерных переходах (4.1.1). В разделе 4.1.2 описаны эксперименты по исследованию динамики усиления слабого сигнала на отдельных лазерных линиях, проведенные по классической усилительной методике с использованием лазера с нагревным катодом в качестве задающего генератора. Результаты этих измерений, выполненных в широком диапазоне экспериментальных условий, обсуждаются на основе упрощенной кинетической модели, учитывающей процессы обмена электронным ударом и реакции тушения нижних лазерных уровней в атомных столкновениях. На основе результатов измерений коэффициентов усиления слабого сигнала с учетом того факта, что в лазере на смеси Аг - Хе четыре линии генерации имеют попарно общие верхние и нижние лазерные уровни, в разделе 4.1.3 проведено вычисление методом наименьших квадратов ударного уширения соответствующих переходов. При этом использование теоретических значений для вероятностей переходов и вычленение дополнительного резонансного уширения верхнего лазерного уровня 5б[3/ 2]° позволило получить оценки не только относительных, но и абсолютных значений этих уширсний. В разделе
4.1.4 представлены данные по динамике развития генерации на отдельных спектральных линиях для различных соотношений компонентов рабочих смесей, давлений активной среды и уровней накачки, на основе полученных результатов проводится обсуждение механизмов конкуренции лазерных линий в режиме свободной генерации на переднем и заднем фронтах импульса накачки. Анализ этих механизмов позволил, в частности, выполнить оценки величины ударного уширения еще одной лазерной линии.
В § 4.2 исследуются лазеры на смесях ксенона с криптоном и неоном. При этом впервые получена генерация на смеси Ые - Хе и на одном из новых (для лазеров высокого давления) переходов атома ксенона при использовании Кг - Хе смеси.
В § 4.3 описаны эксперименты по исследованию лазеров на ИК переходах ксенона, криптона и аргона при использовании в качестве буферного газа гелия, позволившие, в частности, впервые запустить лазеры с элсктроннопучковой накачкой на криптоне и аргоне. Подробно исследованы энергетические (4.3.1) и спектральные (4.3.2) характеристики всех этих лазеров, а также динамика развития генерации и коэффициентов усиления слабого сигнала на отдельных спектральных составляющих (4.3.3).
В § 4.4 приводятся экспериментальные данные по исследованию всех других бинарных смесей, генерация на которых, по-видимому, невозможна.
ВВЕДЕНИЕ
12
В § 4.5, посвященном исследованию лазеров на трех компонентных лазерных смесях, предложен и реализован эффективный метод повышения удельных характеристик некоторых из исследуемых лазерных систем, основанный на использовании смесей с добавками второго, более тяжелого буферного газа. Применение этого метода, основанного на увеличении эффективности использования электронного пучка за счет сокращения длины свободного пробега электронов накачки, позволило значительно увеличить энергию генерации на ряде спектральных линий при использовании Не-Ne (4.5.1) и Не - Аг (4.5.2) буферных смесей и не привело к удовлетворительным результатам в случае смесей Не - Кг и Ar - Кг (4.5.3). В том же параграфе исследуется влияние добавок гелия и уровня накачки на выходные параметры Аг-Хе лазера с давлением активной среды порядка атмосферного (4.5.4). Эксперименты продемонстрировали негативное влияние на характеристики лазера эффекта избыточной электронной плотности и позволили получить рекордный физический КПД = 4,5 %.
В пятой Главе исследуются лазеры видимого диапазона длин волн на Зр - 3s переходах атома неона. § 5.1 посвящен оптимизации энергетических характеристик лазеров с длинами волн X - 585, 703 и 725 нм. В первом разделе (5.1.1) этого параграфа рассмотрена общепринятая кинетическая модель таких лазеров и изложены результаты предварительных исследований, которые привели к открытию двух новых интенсивных линий генерации в красной области спектра (А. = 703 и 725 нм). В разделе 5.1.2 проведена оптимизация энергетических параметров двухкомпонентных "пеннингов-ских" смесей неона с тяжелыми инертными газами - аргоном, криптоном и ксеноном, а в разделе 5.1.3 - оптимизация трехкомпонентных смесей с гелием в качестве буферного газа, в результате которой был достигнут максимальный для этих лазеров энергосъем.
В § 5.2 для оптимизированных лазерных смесей с длинами волн генерации X = 585 и 725 нм получены зависимости спектральных ширин линий генерации от давления.
В § 5.3 при использовании классической усилительной схемы впервые получены временные профили коэффициентов усиления слабого сигнала на исследуемых лазерных переходах.
В § 5.4 рассмотрены вопросы, связанные с наличием в исследуемых активных средах наведенного, или так называемого "горячего" поглощения. Методом абсорбционной спектроскопии проведены исследования динамики такого поглощения, и на основе проведенных измерений выполнены оценки эффективности вывода излучения из резонатора.
§ 5.5 диссертации посвящен определению констант скоростей столкновительного тушения нижних лазерных уровней атома неона в чистом неоне и его смесях с аргоном, криптоном и ксеноном. В разделе 5.5.1 дан краткий обзор по исследованию процессов пеннинговской ионизации в предшествующих работах других авторов. В разделе 5.5.2 описывается используемая в настоящей работе методика, основанная на определении при абсорбционном зондировании Зр - 3s переходов атома неона характерных времен распада 3s состояний в послесвечении электронного пучка. В разделе 5.5.3 получены значения констант скоростей дезактивации 3s состояний в двух- и трехчастичных процессах в чистом неоне, а также в реакциях пеннинговской ионизации аргона, криптона и ксенона. Использование той же методики абсорбционного зондирования позволило также провести измерения констант скоростей двух- и трехчастичных процессов дезактивации 6s состояний атома ксенона в столкновениях с атомами рабочего и буферных газов в активных средах Аг - Хе и Не - Хе лазеров (§ 5.6).
ВВЕДЕНИЕ
ІЗ
Шестая Глава диссертации посвящена исследованию наиболее интересного с практической точки зрения электроионизационного лазера на Аг-Хе смеси. В §6.1 описаны эксперименты по оптимизации квазинепрерывной генерации лазера путем оптимизации параметров пушки с острийным катодом, параметров разрядного контура и состава лазерной смеси. Отмечается, что весьма высокие энергетические параметры на уровне 8 Дж/л, достигнутые в этих экспериментах в результате практической реализации физических представлений, сформулированных на стадии предварительных исследований, вывели лазеры на инертных газах на уровень наиболее мощных из известных лазерных систем.
В §6.2 методом абсорбционного зондирования эксимсрных состояний ксенона проведено исследование динамики населенности этих состояний (6.2.1) в Аг-Хе смеси, позволившее получить экспериментальное подтверждение существования в элек-троионизационном разряде механизма накачки из возбужденных состояний рабочего газа (6.2.2). Обнаружен эффект затягивания времени жизни совокупной концентрации возбужденных и ионизованных состояний рабочего газа при наложении на активную среду внешнего электрического поля, приводящий к накоплению этих состояний и являющийся предпосылкой к созданию электроионизационных лазеров с низким уровнем предыонизации (6.2.3).
В § 6.3 применение метода абсорбционного зондирования для исследования динамики эксимеров аргона при электроннопучковой накачке активной среды импульсами П-образной формы (6.3.1) позволило провести измерение радиационного времени жизни состояния 3Х этих эксимеров (6.3.2), константу скорости передачи возбуждения с эксимеров на ксенон (6.3.3) и константу скорости перемешивания состояний 3Х и 'Х электронным ударом (6.3.4).
§ 6.4 диссертации посвящен исследованию электроионизационных Аг - Хе лазеров с низким уровнем предыонизации. В разделе 6.4.1 проводится оптимизация энергетических характеристик лазера в широком диапазоне плотностей электронного тока. Анализ этих результатов показал принципиальную возможность создания импульсно -периодических лазерных систем высокого давления мощностью 5-10 кВт с КПД на уровне 2,0 - 3,2 %. Результаты модельных экспериментов, проведенных в этом разделе на лазере с холодным катодом электронной пушки, были полностью подтверждены в экспериментах с использованием горячего вольфрамового катода, позволяющего при необходимости реализовать импульсно - периодические режимы работы практически. В этой серии экспериментов отдельно (6.4.2) исследовались энергетические возможности лазера при давлении активной среды порядка атмосферного, характерном для достаточно широко распространенных электроионизационных лазерных установок на углекислом газе. В разделе 6.4.3 исследуется влияние экспериментальных условий на спектрально - временные характеристики Аг - Хе лазера.
В рамках настоящей работы были также впервые запущены Не-Аг и Ые-Аг электроионизационные лазеры (§6.5), существенно уступающие, однако, по своим энергетическим характеристикам и практической значимости подробно изучаемому лазеру на смеси А г - Хе.
Седьмая Глава диссертации посвящена исследованию пространственной структуры выходного излучения рассматриваемых лазерных систем. В § 7.1 описана аппаратура и приведена оптическая схема эксперимента. В § 7.2 изложен экспериментальный материал, связанный с исследованием структуры излучения лазеров в ближней зоне в условиях различных давлений лазерной смеси. Основным же итогом эксперимента яв-
ВВЕДЕНИЕ
14
ляется получение в § 7.3 распределения выходного излучения в дальней зоне. При этом показано, что при электроннопучковом возбуждении расходимость излучения определяется исключительно дифракцией излучения на выходной апертуре лазера. При включении электроионизационного разряда расходимость несколько увеличивается. Однако максимальная осевая сила излучения реализуется все же при электроионизационной накачке в режиме, обеспечивающем наибольшую эффективность преобразования запасенной электрической энергии в лазерное излучение.
В Приложении приведены данные по основным кинетическим процессам в смесях инертных газов (§ п.1) и дано краткое описание расчетов плазменных параметров в активных средах Ые - Кг и Аг- Хе лазеров с электроннопучковой накачкой, выполненных при численном моделировании кинетических процессов в рабочих смесях с использованием данных по константам скоростей плазмохимических реакций, полученных в § 5.5 и § 5.6 диссертации (§ п.2).
В Заключении сформулированы основные выводы и результаты диссертации.
Глава 1. ЛАЗЕРЫ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ НА АТОМНЫХ ПЕРЕХОДАХ ИНЕРТНЫХ ГАЗОВ
Приступая к исследованию лазеров высокого давления на атомных переходах инертных газов, представляется полезным провести сопоставление результатов по данной тематике, полученных в предшествующих работах других авторов. Такое рассмотрение позволяет, с одной стороны, обобщить материал, необходимый для обсуждения и анализа полученных в диссертации экспериментальных данных, с другой стороны, составить представление о современном уровне знаний по данному вопросу и определить, тем самым, место настоящего исследования в ряду других работ.
В этой Главе в первом параграфе дан обзор методов накачки лазеров высокого давления на ИК переходах инертных газов и прослежены основные этапы наращивания выходных энергетических параметров этих лазеров с момента их появления (см. рис. 1.1). В обзоре рассмотрены разрядные TEA (Transversely Excited Atmospheric) лазеры различных модификаций, рекомбинационные лазеры с накачкой продуктами ядер-ных реакций и мощным потоком лазерного или теплового ВУФ излучения, лазеры с СВЧ накачкой. Проведено краткое рассмотрение электроннопучкового и электроионизационного методов возбуждения, исследованию которых посвящены остальные Главы диссертации. Второй параграф обзора посвящен мощным лазерам видимого диапазона длин волн на атомных переходах неона. В третьем параграфе рассмотрены основные плазмохимические процессы в ионизованных смесях инертных газов.
§ 1.1. Обзор методов накачки лазеров на ИК переходах инертных
ГАЗОВ
Как и в случае молекулярных лазеров, первые успехи при накачке лазеров высокого давления на инертных газах были достигнуты при использовании ТЕ А лазеров различных модификаций [11 - 14,17 - 21, 80 - 87].
1.1.1. Лазеры высокого давления с поперечным разрядом
ТЕЛ лазеры с секционированными электродами. В первой же работе [11], где Не - Хе смесь давлением до 400 Тор возбуждалась в установке, ранее использовавшейся авторами для накачки молекулярных переходов N2 и СО2, удалось получить пиковую мощность излучения ~ 1 кВт при энергии в импульсе ~0,5мДж и КПД-Ю*4 (см. рис. 1.1). Для возбуждения объемного поперечного разряда использовалось несколько сот пар игольчатых электродов, расположенных в виде двойной спирали по цилиндрической поверхности трубки длиной ~ 2 м, к которым подводилось напряжение от конденсатора с помощью двух десятков коаксиальных кабелей. В этой работе исследовались характеристики лазерного излучения в зависимости от давления и соотношения компонентов гелия и ксенона. Было измерено распределение энергии излучения между тремя лазерными переходами с длинами волн А, = 2,03, 3,51 и 3,65 мкм, принадлежащими 56 - 6р и 7р - 7э переходам Хе1. Около 40 % энергии лазера излучалось на длине волны 2,03 мкм, а 50 % - на длине волны 3,65 мкм.
§1.1. ОБЗОР МЕТОДОВ НАКАЧКИ ЛАЗЕРОВ НА ИК ПЕРЕХОДАХ ИНЕРТНЫХ ГАЗОВ
16
В работе [12] каждый из игольчатых электродов зачитывался от батареи конденсаторов через отдельное сопротивление К ~ 1 кОм, что позволило реализовать объемный разряд при атмосферном давлении в трубке длиной - 2 м. Увеличение давления и использование кроме переходов ксенона переходов атомов неона, аргона и криптона, дало возможность получить генерацию на нескольких десятках линий в ИК диапазоне длин волн (X = 1 - 7 мкм), причем на некоторых переходах генерация была получена впервые.
ТЕЛ лазеры с предыонизацией коронным разрядом. Следующий этап в увеличении КПД и энергии лазеров на инертных газах связан с использованием ТЕА лазеров с двумя сплошными длинными электродами - катодом и анодом, расположенными параллельно вдоль оси лазера. Для обеспечения однородности основного разряда газ
Q, Дж; 0>я, Дж/л
КПД, %
10'
10'
101
10
-1
10
-2
Рис. 1.1. Рекордные значения полной <} и удельной (УЛ энергии генерации и КПД по годам, достигнутые в работах [11] (1970 год), [19] (1971), [21] (1973), [15] (1975), [16, 88] (1979), [22] (1980), [24, 89] (1981), [90] (1982), [26] (1983), [28] (1984) и 133] (1985). Результаты автора отмечены темными значками.
вблизи поверхности катода предварительно ионизируется с помощью, например, коронного разряда, а затем подается напряжение на разрядный промежуток между электродами. Схема с двумя сплошными электродами позволяет значительно увеличить объем возбуждаемой области газа.
В цикле работ [19-21] в конструкции TEA лазера использовались электроды длиной 80 см, шириной 2,5 см, расположенные на расстоянии 4 см друг от друга и образующие разрядный промежуток объемом ~ 0,8 л. Ток импульса накачки составлял ~ 8 кА при длительности импульса ~ 0,5 мкс. Длительность импульса генерации примерно соответствовала длительности тока накачки. Использовалась Не - Хе смесь давлением 300 Тор с соотношением компонентов Не:Хе = 200:1, в которой гелий, как и в предыдущих работах, выполнял роль буферного газа. В этих работах на переходах инертного газа впервые был осуществлен им пул ьсно - периодический режим генерации. Частота повторения импульсов тока достигала 1,4 кГц, а скорость прокачки смеси
§1.1. ОБЗОР МЕТОДОВ НАКАЧКИ ЛАЗЕРОВ НА ИК ПЕРЕХОДАХ ИНЕРТНЫХ ГАЗОВ
17
поперек разрядного промежутка 40 м/с. Уже в первой работе [19] КПД лазера на порядок превысил результаты предшествующих работ и составил 0,12 %. В течение последующих нескольких лет средняя мощность излучения была увеличена с 5 до 11 Вт при пиковой мощности 104 Вт. Наибольший КПД составил ~0,13% (энергия излучения ~ 20 мДж, удельный энергосъем ~2-10'2 Дж/л) [21], что, естественно, также значительно превысило результаты более ранних работ (см. рис. 1.1). Исследователи наблюдали увеличение КПД с ростом частоты повторения импульсов, но не нашли убедительного объяснения этому факт)', тем более, что одновременно происходило уменьшение пикового напряжения на электродах и, следовательно, падение параметра Е / р, наибольшее значение которого составляло ~ 13 В/см-Тор. В первых работах длины волн генерации и распределение энергии по спектру соответствовали работе [11]. Однако, в работе [21] были опубликованы несколько другие длины волн: X = 2,03, 2,65, 3,43, и 3,65 мкм, правильность измерения которых была подтверждена в последующих публикациях. Ошибки такого рода в ранних работах связаны, по-видимому, с тем обстоятельством, что отсутствующая на самом деле при высоком давлении Не - Хе смеси линия с X = 3,51 мкм является одной из самых сильных в лазерах низкого давления.
В работе [ 19] обсуждается механизм возбуждения лазерных уровней атома ксенона. Считается, что накачка происходит из основного состояния атома электронным ударом, и квантовый КПД для ИК излучения с энергией ~ 0,45 эВ составляет ~ 4,5 %. Принимая для Не - Хе смеси эффективность возбуждения лазерных уровней электронным ударом равной - 5 %, авторы делают вывод, что максимальный КПД при используемом способе возбуждения не может превышать 0,22 %.
В работах [17, 18, 80] для импульсно - периодической накачки лазера на Не-Хе смеси использовалась та же техника создания разряда, что и в предыдущих работах. Однако, в данных работах смесь использовалась многократно в замкнутом контуре с теплообменником. Объем разрядного промежутка составлял 0,14 л, контура - 100л. При частоте повторения импульсов 10 кГц скорость прокачки газа была равна 90 м/с. В течение четырех часов непрерывной работы наблюдалось лишь 4-х процентное падение средней мощности генерации. Это свойство лазеров на смесях инертных газов, связанное с их химической стабильностью, является важным преимуществом при сравнении с лазерами на большинстве других газовых сред. Спектр генерации в основном совпадал с опубликованным в работе [21]. В работе [80] при увеличении доли гелия в рабочей смеси и понижении давления наблюдалась также генерация на новой линии с X = 4,02 мкм, соответствующей 7р - 7$ переходу Хе1. Авторы работы делают вывод о существенной роли в процессе создания инверсии механизма передачи энергии с мета-стабильных уровней гелия на высоколежащие уровни ксенона при ионизации Пеннин-га.
ТЕЛ лазеры с предыонизацией разрядом через диэлектрик. Использование в конструкции ТЕА лазера дополнительного разряда через диэлектрик для предварительной ионизации разрядного промежутка и уменьшение времени вклада основной доли энергии разряда до ~ 20 не позволило поднять давление гелиевых смесей, то есть смесей инертных газов с гелием в качестве буферного газа, до 17 атм [81]. Авторы отмечают, что ранее такой тип разряда был успешно применен ими для накачки лазеров на
Ы2, N2 и С02.В этой работе было получено семь новых линий генерации на переходах атомов аргона, криптона и ксенона. Ширина линий генерации при высоком давлении достигала 50 ГГц. За счет быстрой накачки пиковая мощность генерации достигала
§1.1. ОБЗОР МЕТОДОВ НАКАЧКИ ЛАЗЕРОВ НА ИК ПЕРЕХОДАХ ИНЕРТНЫХ ГАЗОВ
18
105 Вт. В дальнейшем [82] при генерации на переходах атома аргона была получена перестройка частоты в пределах 35 ГГц.
Последующее улучшение геометрии разряда, осуществляющего прсдыонизацию, и использование диэлектриков с большими є позволило получить однородный разряд не только в гелиевых, но и в аргоновых смесях [83], где контрагированис разряда происходит еще быстрее. В этой работе на смеси Аг:Хе = 70:1 давлением 7 атм в активном объеме ~ 0,3 л был достигнут КПД ~ 0,3 % при энергии генерации 5 мДж. Впервые была получена генерация еще на четырех переходах атома ксенона в ИК области спектра. Было измерено распределение энергии генерации по длинам волн при разных давлениях смеси. При давлении 1 атм энергия излучается, в основном, на длинах волн X = 1,73 мкм (40 %), 2,03 мкм (40 %), 2,63 мкм (10 %) и 2,65 мкм (5 %), а при увеличении давления до 7 атм на длинах волн X = 3,37 мкм (35 %), 2,63 мкм (30 %), 2,03 мкм (25 %) и 2,65 мкм (10 %).
В работе [84] при исследовании лазеров с разрядом того же типа, что и в предыдущей работе, наибольшая энергия в 10 мДж была получена на Не - Хе смеси давлением 5 атм с объема 2 л и при КПД ~ 0,3 %. Длительность генерации не превышала 100 не. Измеренный в этой работе КПД близок к обсуждаемому в работе [19] "предельному" КПД - 0,22 %. На основании этого автор работы [84] делает вывод, что дальнейшее повышение КПД лазера на Не - Хе вряд ли возможно. Кроме того, в работе весьма пессимистично оценивается и перспектива увеличения удельного энергосъема.
Вопрос о механизме создания инверсии в ТЕА лазерах на инертных газах рассматривается в работах [85 - 87]. На основании результатов исследования интенсивности спонтанного излучения 6р уровней атомов ксенона, являющихся нижними уровнями лазерных переходов, а также формы импульса излучения при разных концентрациях ксенона, авторы делают вывод, что накачка верхних лазерных уровней происходит из основного состояния атома во время импульса разрядного тока. В то же время, не отрицается возможность заселения лазерных уровней и ступенчато, через резонансные 6з состояния.
ТЕЛ лазеры с УФ предыонизацией. Дальнейшее развитие методы создания однородного поперечного разряда в инертных газах получили в работах [13, 14], где разрядный промежуток предварительно ионизировался УФ излучением. Строго говоря, ионизация УФ излучением присутствовала и в лазерах с предыонизацией различными типами разрядов (коронный, через диэлектрик), являющихся источниками УФ излучения. Однако, при оптимизации этих лазеров авторы не преследовали целей улучшения геометрии подсветки. В лазерах же с УФ предыонизацией специальные разрядники, являющиеся источниками УФ излучения, располагаются так, чтобы как можно однороднее осветить весь разрядный промежуток между электродами. После срабатывания разрядников к промежутку через некоторое время прикладывается напряжение от конденсаторной батареи. Применение этой техники для накачки лазеров на ксеноне позволило добиться очень высоких, в сравнение с другими типами ТЕА лазеров, параметров выходного излучения. Так, в лазере на Аг-Хе с активным объемом 0,3 л при давлении смеси в 1,4 атм была получена энергия излучения в 65 мДж [13]. Помимо Аг-Хе смеси исследовались также смеси ксенона с гелием и криптоном [14], причем криптон в качестве буферного газа использовался в ТЕА лазерах впервые.
В работе [13] рекордные параметры были достигнуты при добавлении к Аг-Хе смеси легко ионизирующегося триметиламина (р ~ 10'2 Тор), стабилизирующего разряд
§1.1. ОБЗОР МЕТОДОВ НАКАЧКИ ЛАЗЕРОВ НА ИК ПЕРЕХОДАХ ИНЕРТНЫХ ГАЗОВ
19
(без этой добавки генерация была в 1,5 - 2 раза меньше из-за контрагирования разряда). Отмстим, что такая добавка может свести на нет все преимущества, связанные с химической стабильностью активной среды исследуемого лазера.
Внимательный анализ работ, посвященных исследованию TEA лазеров на инертных газах, позволяет сделать вывод, что к настоящему времени возможности рассмотренного метода в значительной мере исчерпаны из-за трудностей создания однородного разряда большого объема в среде инертных газов высокого давления.
1.1.2. Лазеры с накачкой продуктами ядерных реакций
Одним из наиболее эффективных методов накачки значительных лазерных объемов, широко используемым в эксимерных лазерах УФ диапазона, является метод, основанный на возбуждении рабочего газа потоком высокоэнергетичных заряженных частиц. Поскольку выделяющаяся при этом энергия тратится, в основном, на ионизацию газа, ионизационное состояние образующейся плазмы оказывается существенно неравновесным. В результате в такой плазме идет активная рекомбинация ионов с вторичными электронами, приводящая к эффективному заселению дваждывозбужденных атомных состояний.
Применительно к инертным газам обсуждаемый метод успешно используется в лазерах с электроннопучковой накачкой, являющихся предметом исследования в настоящей работе, и в лазерах с накачкой продуктами ядерных реакций, впервые реализованной в работе [23]. В этой работе накачка смеси Не:Хе = 20:1 давлением р = 200 Тор осуществлялась продуктами распада 235U, нанесенного на стенки объема, заполненного смесью и облучаемого нейтронным потоком от импульсного реактора. Длительность импульса генерации составляла ~ 150 мке, а мощность ~ 10'2 Вт. В этой работе впервые длительность импульса генерации значительно превысила времена всех релаксационных процессов в активной среде лазера, то есть генерация носила квазинепрсрывный характер.
При накачке активной среды продуктами распада урана заряженные осколки его ядер излучаются со стенок объема, и наибольшая апертура лазера (обычно несколько сантиметров) определяется длиной свободного пробега этих осколков в газовой смеси. Однако, если в ядерной реакции участвует какой-либо компонент рабочего газа, то заряженные частицы - продукты этой реакции, образуются равномерно по объему, сечение которого в этом случае уже не будет зависеть от длины свободного пробега заряженных частиц. Эта идея впервые реализована в работах [91, 92], где в реакции участвовал буферный газ - изотоп 3Не и нейтроны от импульсного реактора, замедленные в толстой полиэтиленовой оболочке, окружавшей лазерный объем. При накачке смеси ^Не:Хе= 100:1 давлением 700 Тор [92] лазер работал на длине волны А. = 2,03мкм. Длительность и мощность генерации составляли ~ 500 мке и ~ 10 1 Вт соответственно. Независимо аналогичный метод возбуждения был применен в работе [93], где генерация наблюдалась на трех переходах с длинами волн А. = 2,03, 3,51 и 3,65 мкм при энергии 50 мкДж и КПД ~ 0,005 %. Столь низкие энергетические параметры излучения и КПД лазера в этих работах объясняются, скорее всего, недостаточной мощностью нейтронного потока и малым давлением смеси.
В работе [94] наряду с гелием в качестве буферного газа с успехом использовались аргон и криптон. Накачка производилась продуктами распада 235U, который в виде окиси - закиси урана был нанесен на внутреннюю поверхность цилиндрической трубы, заполненной газовой смесью давлением до 1 атм и помещенной в активную зону им-
§1.1. ОБЗОР МЕТОДОВ НАКАЧКИ ЛАЗЕРОВ НА ИК ПЕРЕХОДАХ ИНЕРТНЫХ ГАЗОВ
20
пульсного реактора. Объем активной среды составлял - 0,5 л. Длительность импульса генерации примерно совпадала с длительностью импульса накачки и составляла
- 800 мкс. В следующей работе этих же авторов [88] при накачке тем же способом смеси Не - Хе смеси давлением 3 атм с объема 2 л была получена рекордная для того времени энергия генерации 1,7 Дж (см. рис.1.1). Там же при накачке смеси Аг:Хе = 500:1 давлением 0,5 атм получена генерация с мощностью 150 Вт, длительностью импульса излучения 9 мс и КПД ~ 1 %. В работе обсуждается предельно возможным КПД лазера в предположении, что процесс образования инверсии идет за счет ионизации и последующей рекомбинации иона ксенона с электроном. Предельный КПД для длины волны Д. = 2,63 мкм оценивается в ~ 1,6 %. Таким образом, авторы этой работы считают достигнутый ими КПД близким к предельному.
Однако, уже в следующей работе [24] предельный КПД для Аг - Хе смеси, накачиваемой осколками тяжелых ядер, оценивался в 3,6 %. Это значение хорошо согласуется с полученным в той же работе экспериментальным значением КПД ~ 2,2 % (см. рис. 1.1). При этом была также достигнута рекордная удельная энергия генерации 2 Дж/л (смесь Аг:Хе = 200:1, давление р = 0,5 атм, активный объем 2,4 л, длительность импульса генерации 10 мс).
Заканчивая раздел отметим, что помимо лазеров на ксеноне использование ядер-ной накачки позволило авторам работ [94, 95] запустить также и несколько менее эффективные лазеры на ряде ИК переходов аргона и криптона.
1.13. Фотоионизационно - рекомбинационные лазеры
В работах [96- 100] для создания инверсии населенности на атомных переходах инертных газов использовалась рекомбинация в горячей разлетающейся плазме, образующейся при оптическом пробое лазерной смеси сфокусированным излучением мощного импульсного лазера. Хотя плазменные лазеры имеют маленький активный объем
- 10'3 см3, и от них трудно ожидать большой энергии лазерного излучения, интересны они уже тем, что в перспективе могут генерировать излучение в ВУФ и рентгеновском диапазоне длин волн.
Впервые генерация на ИК переходах аргона, криптона, и ксенона в рекомбинирующей лазерной плазме была получена в работе [96] при использовании гелиевых смесей. Для создания плазмы использовалось излучение мощного ССЬ - лазера, сфокусированное цилиндрической линзой в полоску на мишени, помещенной в среду инертных газов давлением р = 1 атм. Оптический пробой газа вблизи поверхности мишени, разлет образовавшегося плазменного сгустка в пределах резонаторного объема лазера и фотоионизация атомов рабочего газа ВУФ излучением из горячего ядра плазмы приводили к появлению импульса генерации с задержкой ~ 1 мкс относительно начала греющего импульса СОг - лазера. Длительность импульса генерации составляла ~ 2 мкс. В Не - Хе среде генерация наблюдалась, как и при других способах накачки, на длинах волн X = 2,03, 2,65, 3,43 и 3,65 мкм. Мощность и КПД составляли ~ 250 Вт и ~ 10° % соответственно. В последующих работах тех же авторов [97] за счет оптимизации геометрии разлега плазмы КПД лазера был увеличен до ~ 10*2 %. Был, кроме того, оценен коэффициент усиления слабого сигнала на длине волны X = 2,03 мкм, составивший величину ~ 55 % на сантиметр, что в несколько десятков раз превышает коэффициент усиления при накачке электрическим разрядом.
В работе [98], выполненной при участии автора настоящей диссертации, генерация на Не - Хе смеси была получена также при нагреве плазмы излучением СОг-лазера.
§1.1. ОБЗОР МЕТОДОВ НАКАЧКИ ЛАЗЕРОВ НА ИК ПЕРЕХОДАХ ИНЕРТНЫХ ГАЗОВ
21
В работе исследовались зависимости выходных параметров лазера от условий нагрева и протекающих в смеси газодинамических процессов. Максимальный коэффициент усиления на длине волны X = 2,03 мкм составил - 10 % на сантиметр. В этой работе впервые была проведена оценка температуры плазмы, составившей в момент начала генера-
Я 0
ции величину Т = (7 -- 14)-10 К. Существование инверсии при столь высокой температуре активной среды объяснялось тем, что лазерные переходы лежат достаточно высоко над основным состоянием атома ксенона (- 10 эВ), вследствие чего тепловое заселение лазерных уровней должно сказываться лишь при температурах ~ 105 3К. Дальнейшее развитие рассматриваемого метода накачки в работах [99, 100] позволило получить квазинепрерывный режим генерации длительностью до 10 мкс.
Впоследствии фотоионнзацию атомов рабочего газа (ксенона) с последующей рекомбинационной накачкой лазерных переходов было также предложено использовать в работе [101], где в качестве источника ВУФ излучения применялся сильноточный плазмодинамический разряд магнитоплазменных компрессоров, развивающийся непосредственно в активной среде лазера. При этом в оптимальной рабочей смеси Аг:Хе = 250:1 давлением 1 атм при характерной мощности накачки 0,5 - 1 МВт/см3 были получены энергия генерации - 0,5 Дж, удельный энергосъем 1 - 2 Дж/л и КПД-0,1%.
1.1.4. Лазеры с СВЧ накачкой
Сравнительно недавно (уже после постановки данной работы) для накачки лазеров на смесях инертных газов был применен СВЧ разряд [102]. СВЧ генератор с несущей частотой 915 МГц обеспечивал энерговклад в Аг - Хе смеси на уровне 1 - 8 кВт/см3 при длительности импульса накачки от 0,4 до 8 мкс. На оптимальной смеси Аг:Хе= 100:1 давлением 1 атм при величине возбуждаемого объема ~ 0,5 см3 энергия генерации лазера составила величину 2 мкДж при КПД на уровне 0,5 %. С неселективным резонатором около 90 % энергии излучения было сосредоточено в линии с длиной волны X = 1,73 мкм, около 5 % - в линии с X — 2,03 мкм и еще около 5 % - с X = 2,6 мкм (линии с X = 2,63 и 2,65 мкм в этих экспериментах не разрешались). Применение дифракционной решетки в качестве одного из зеркал резонатора позволяло получать одночастотную генерацию на любой из этих длин волн, причем практически с одинаковым энерговыходом. В работе была также продемонстрирована возможность осуществления импульсно-периодических режимов генерации с частотой повторения импульсов до 1 МГц.
1.1.5. Лазеры с накачкой пучком быстрых электронов
Как видно из нашего обзора, к моменту постановки настоящей работы выходные энергетические характеристики лазеров высокого давления на атомных переходах инертных газов (см. рис. 1.1) значительно уступали аналогичным характеристикам наиболее мощных лазерных систем. В то же время весьма высокие значения КПД, достигнутые в ряде работ с использованием ядерной накачки, указывали на перспективность применения весьма близкого по физике процессов возбуждения метода накачки пучками быстрых электронов, широко используемого для накачки эксимерных лазеров. При этом следовало иметь в виду, что современная техника создания электронных пучков большой энергии не накладывает принципиальных ограничений на величину возбуждаемого лазерного объема и позволяет легко достигать значительно больших пиковых
§1.1. ОБЗОР МЕТОДОВ НАКАЧКИ ЛАЗЕРОВ НА ИК ПЕРЕХОДАХ ИНЕРТНЫХ ГАЗОВ
22
мощностей накачки, чем в случае использования ядерных реакций, инициируемых нейтронным потоком реактора.
Интересно, что первые эксперименты по исследованию лазеров высокого давления на атомных переходах инертных газов были выполнены еще в 1970 году в работе [103] при использовании именно электроннопучкового метода возбуждения. В этой работе сообщалось о получении генерации на ИК переходах атомов неона и ксенона. В качестве источника быстрых электронов применялся ускоритель ЭЛИТ - 1М с энергией электронов в пучке ~ 0,6 МэВ и длительностью импульса электронного тока ~ 2 мкс. Лазерная кювета представляла собой стеклянную трубку диаметром 2 см и длиной 40 см. Электронный пучок выводился из ускорителя через титановую фольгу толщиной 50 мкм вдоль оптической оси лазерной кюветы. Величина электронного тока составляла 10 А на выходе из ускорителя и уменьшалась по мере прохождения кюветы до 2 - 3 А. Глухое зеркало резонатора было выполнено из пластинки слюды с напыленным на нее отражающим покрытием. Вторым зеркалом резонатора служила сферическая подложка с радиусом кривизны - 2 м из нержавеющей стали с алюминиевым покрытием. Вывод излучения из резонатора осуществлялся через отверстие в этом зеркале диаметром 1 мм, закрытое пластиной из ЫаС1. Особенность эксперимента заключалась в том, что глухое зеркало устанавливалось у разделительной фольги ускорителя, и электронный пучок вводился в лазерную кювету' через это зеркало.
Регистрация излучения производилась с помощью фотосопротивления на основе ве - Аи, охлаждаемого до азотной температуры. При использовании неона в качестве рабочего газа был зафиксирован только сам факт генерации. Значительно более мощная и устойчивая генерация была получена при использовании чистого ксенона, а также смесей ксенона с гелием, неоном и аргоном в качестве буферных газов. Генерация наблюдалась в момент прохождения импульса электронного тока. Энергия генерации не превышала, по-видимому, микроджоульного уровня, и в дальнейшем эта работа развития не получила.
Длительное время после опубликования работы [103] электроннопучковый метод возбуждения лазеров на атомных переходах инертных газов не являлся предметом самостоятельных исследований. В то же время, заслуживающие внимания результаты были получены в работах [15, 22], посвященных исследованию электроразрядных лазеров высокого давления с поперечной накачкой. В этих работах электронный пучок вводился в лазерную камеру перпендикулярно оптической оси лазера и использовался для стабилизации разряда. Часть экспериментов проводилась при накачке исследуемых активных сред только пучком быстрых электронов без включения разрядной батареи. При этом при накачке смеси Аг-Хе электронным пучком с энергией электронов -150 кэВ, длительностью импульса электронного тока - 200 не и плотностью тока за разделительной фольгой - 1,5 А/см2 была достигнута энергия генерации 8 мДж [15], а при накачке такой же смеси импульсами длительностью - 50 не и плотностью тока - 25 А/см2 была получена эффективность генерации на уровне 0,3 % [22].
Качественно новый уровень в развитии электроннопучковых лазеров на ИК переходах атомов ксенона был достигнут в выполненных практически одновременно и независимо работах [89, 25, 90]. В работе [89] на электроннопучковых лазерных установках, созданных для исследования лазеров на гапогенидах инертных газов, были также проведены эксперименты по накачке Аг - Хе смесей в двух различных режимах, отличающихся длительностью и амплитудой импульса тока накачки. В первом режиме при энергии электронов — 350 кэВ, длительности импульса накачки -25 нс и плотности
§1.1. ОБЗОР МЕТОДОВ НАКАЧКИ ЛАЗЕРОВ НА ИК ПЕРЕХОДАХ ИНЕРТНЫХ ГАЗОВ
23
электронного тока ~ 150 А/см2 КПД лазера, рассчитанный от энергии, вложенной в активный объем лазерной кюветы, составил - 0,3 %. Во втором, существенно болсс выгодном режиме с длительностью импульса электронного тока ~ 1 мке, энергией электронов ~ 600 кэВ и плотностью электронного тока в десятки А/см2, при использовании смеси Аг:Хе = 100:1 давлением 3,0 атм был реализован рекордный энергосъем на уровне 25 Дж. Объем активной области составлял при этом 30 л. Генерация наблюдалась на нескольких переходах 5с! - 6р атома ксенона с существенным преобладанием лазерной линии с длиной волны X = 1,73 мкм.
В работе [25], являющейся первой из цикла работ, вошедших в настоящую диссертацию, и также посвященной исследованию лазера на смеси Аг - Хе с длиной волны X = 1,73 мкм, накачка активной среды высокого давления осуществлялась электронным пучком с энергией электронов ~ 220 кэВ, плотностью электронного тока за разделительной фольгой электронной пушки ~ 6 А/см2 и длительностью импульса ~ 0,7 мкс. Объем активной области лазера составлял 9 л. При использовании лазерной смеси с соотношением компонентов Аг:Хе = 75:1, оптимальной для заданного значения плотности электронного тока, и давлении 2,5 атм был реализован энергосъем на уровне 6 Дж. Максимальный удельный энергосъем ~ 0,9 Дж/л был достигнут при давлении лазерной смеси 3,5 атм. Генерация носила квазинепрерывньш характер, длительность импульса генерации примерно соответствовала длительности импульса накачки. В области максимальных энергосъемов был реализован весьма высокий КПД на уровне 1,5 %.
В работе [90] при возбуждении Аг - Хе смеси объемом 3,5 л пучком электронов с энергией ~ 150 кэВ и током за фольгой ~ 10 А/см2 удельный энергосъем был доведен до значения 2,3 Дж/л. Как и в работе [25] генерация наблюдалась в течение всего импульса накачки длительностью ~ 2 мкс. Максимальная энергия генерации ~ 7 Дж была получена на смсси Аг:Хе =100:1 при давлении 2,5 атм. Реализованный КПД при этом несколько уступал значению из работы [25] и составил 1 %. Исследование генерации в смесях Кг - Хе, Ые - Хе, Не - Хе и в чистом ксеноне показало, что при замене аргона на другие газы энергия излучения лазера уменьшается на порядок и более.
В дальнейшем заметная доля экспериментальных результатов по исследованию лазеров с электроннопучковым возбуждением была получена в настоящей работе и представлена в четвертой Главе диссертации. Здесь же мы остановимся на наиболее важных результатах, полученных в параллельных исследованиях других авторов.
Прежде всего следует упомянуть работу [104], посвященную исследованию влияния на энергетические характеристики Аг - Хе лазера интенсивности импульса накачки. Эксперименты проводились при длительности импульса электронного тока ~ 10'6 с. Плотность тока за фольгой могла варьироваться в пределах 10 - 40 А/см2. Основываясь на анализе распределения энергии генерации по апертуре лазера вдоль распространения электронного пучка, авторы работы сделали вывод о существовании оптимальной концентрации электронов, при которой достигаются максимальные значения энергии генерации лазера. Проведенные оценки показали, что при достижении в активной среде электронной плотности Н;~ 10|4см'3 происходит выравнивание населенностей лазерных уровней электронным ударом. В работе [104] были также проведены исследования спектрального состава излучения лазера. При возбуждении рабочей смеси Аг:Хе = 50:1 давлением 1,5 - 3,0 атм в спектре генерации было зарегистрировано пять линий с длинами волн X = 1,73, 2,03, 2,48, 2,26 и 2,65 мкм, соответствующих различным переходам 56 - 6р атома ксенона. Отметим, что спектральный состав излучения заметно отличался
§1.1. ОБЗОР МЕТОДОВ НАКАЧКИ ЛАЗЕРОВ НА ИК ПЕРЕХОДАХ ИНЕРТНЫХ ТАЗОВ
24
от наблюдаемого в настоящей работе, где вместо линий с длинами волн Л, = 2,48 и 2,26 мкм зарегистрированы линии А. = 2,63 и 3,37 мкм.
Во всех обсуждаемых выше работах возбуждение активных сред производилось электронными пучками с относительно высокими плотностями электронного тока j £ 6 А/см2 при длительностях импульса накачки — 10'6с. При необходимости получения импульсов генерации существенно большей длительности интенсивность электронного пучка необходимо уменьшать пропорционально увеличению длительности импульса накачки. Начало исследований в этом направлении было положено в настоящей работе (см. [31]). В более поздней публикации [105] использование электронной пушки с плазменным катодом [106, 107], обеспечивающим при длительности импульса ~ 100 мкс плотности тока накачки 0,04-0,15 А/см2, позволило получить на смеси Аг:Хе= 100:1 давлением 1 атм энергосъем на уровне 1 Дж/л при объеме активной области - 6 л. КПД лазера от вложенной энергии составил при этом - 1 %.
На той же лазерной установке в [105] была получена генерация длительностью - 100 мке при возбуждении смеси Не:Кг = 200:1 давлением 2 атм. Удельная мощность генерации на ИК переходах атомов криптона достигала при этом значения 0,5 Вт/см3. Уменьшение плотности тока пучка до величины -0,017 А/см2 дало возможность увеличить длительность генерации лазера на ксеноне до 2,3 мс.
В работе [108] кроме того впервые сообщалось о реализации импульсно - периодического режима работы лазера на смеси Аг - Хе. Частота следования лазерных импульсов составляла 1 Гц при длительности импульса накачки 1,4 мс и могла быть увеличена до 10 Гц при уменьшении длительности до 100 мкс. Энергетические параметры лазера при работе в импульсно - периодическом режиме к сожалению не приводились.
В обсуждаемой выше работе [89] отмечалось, что при накачке смеси Аг - Хе импульсами электронного тока с плотностью в несколько десятков А/см2 малые добавки ССЦ в активную среду лазера приводили к увеличению энергии генерации на - 30 %. Целенаправленные исследования в этом направлении с использованием различных молекулярных примесей были продолжены с примерно аналогичными результатами в работе [109]. Следует, однако, отметить, что такой подход к созданию мощных лазеров на инертных газах, по-видимому, малоперспективен, поскольку эффект уменьшения в этих экспериментах излишней электронной плотности с гораздо большим успехом может быть реализован просто при уменьшении мощности накачки.
Несколько позднее появились работы [110- 112], в которых для накачки смесей инертных газов вместо ленточных пучков использовались электронные пучки с коаксиальной геометрией. Активный объем лазера представляет собой в этом случае цилиндр, коаксиально вложенный в другой цилиндр большего диаметра, внутренняя поверхность которого служит катодом электронной пушки. Отмечалось, что такая геометрия позволяет значительно повысить пространственную однородность накачки и, при прочих равных условиях, уменьшить тепловую нагрузку на разделительную фольгу электронной пушки.
В работе [110] электронный пучок с пиковой плотностью тока - 100 А/см2 и длительностью импульса - 30 не использовался для накачки смесей инертных газов при давлениях до 14 атм. Активный объем лазера составлял 13,3 см3, мощность накачки достигала 106 — 107 Вт/см3. Максимальные значения удельного энергосъема - 1 Дж/л и КПД-0,9% были получены на смеси Аг:Хе = 300:1 давлением 10 атм при мощности накачки - 2106 Вт/см3. Для Не - Хе смесей максимум энергии генерации и КПД достигались при максимальном давлении 14 атм. Анализируя наблюдаемую в эксперименте