Электрофизические процессы накачки и оптические свойства активных сред мощных лазеров и усилительных систем

Оглавление
Введение......................................................................... 4
Глава 1. Системы накачки мощных электроразрядных лазеров и голографические методы исследования газовых разрядов и газодинамических процессов.
Введение......................................................................... 16
§1.1. Методы возбуждения лазерных сред, устройство и параметры элсктрораз-рядных СОг , химических НГ/Е)Р лазеров и эксимерных лазеров с накачкой
электронным пучком............................................................... 18
§ 1.2. Оптико-физические свойства объемных и контрагированных газовых разрядов... 25 §1.3. Голографические методы и средства диагностики газовых разрядов и
газодинамических процессов....................................................... 30
Глава 2. Исследование структуры объемных разрядов и динамики развития неустойчивостей в газоразрядных камерах мощных лазеров.
Введение......................................................................... 39
§2.1. Исследование структуры и степени однородности импульсного самостоятельного разряда с УФ предыонизацией в С02 и НР лазерах................. 41
§2.2. Особенности накачки активных сред СОг и эксимерных лазеров с номощыо
широкоапертурных электронных пучков.............................................. 58
§2.3. Формирование токовых шнуров в несамостоятельном разряде атмосферного
давления контролируемого электронным пучком...................................... 68
§2.4. Исследование структуры, динамики развития токовых шнуров и механизма
послеразрядных пробоев....................................................................... 28
Глава 3. Исследование динамики и масштаба газодинамических возмущений в активных средах электроразрядных С02 лазеров в условиях импульсного, импульснопериодического и непрерывного энерговклада.
Введение......................................................................... 89
§3.1.Исследование процессов формирования и распространения в газоразрядной
камере приэлектродных ударных волн...............................................
§3.2.Экспериментальные исследования газодинамических процессов в активных
средах в условиях импульсно-периодического энерговклада.......................... 95
§3.3. Исследование параметров потока активной среды в разрядном промежутке
непрерывного быстропроточного С02 лазера......................................... Ю5
§3.4. Регистрация и исследование акустических волн на границе области генерации в условиях короткого импульса накачки ( «1,5 мке) - эффект теплового самовоздействия............................................................... 45
2
Глава 4. Принципы построения мощных лазерных установок и разработка многоканальных усилительных систем на неодимовом стекле для JITC.
Введение............................................................................ 123
§4.1. Общие принципы построения и оптические схемы многоканальных
многопроходных усилительных систем мощных лазеров на неодимовом стекле 124
§4.2. Разработка многоканальных дисковых усилителей с конфигурацией активных
элементов 1x2, 2x2 и апертурой каждого канала 20x20 см2........................... 138
§4.3. Расчет деформаций и собственных частот дисковых усилителей и
пространственных фильтров 2x2..................................................... 146
§4.4. Расчет фазовых и поляризационных искажений лазерного излучения, проходящего через линзу вакуумного пространственного фильтра и активный
элемент дискового усилителя......................................................... 158
§4.5. Конструкция восьмиканальной усилительной системы установки
«Искра-6»........................................................................... 168
Глава 5. Разработка и исследование источников накачки мощных твердотельных лазеров и элементов осветителя дисковых усилителей.
Введение.......................................................................... 180
§5.1. Измерительная аппаратура и средства диагностики............................... 181
§5.2. Система питания дисковых усилителей, конструкция и основные технические
характеристики экспериментальных импульсных ламп накачки............................ 189
§5.3. Численное моделирование разряда в крупногабаритных импульсных лампах
накачки........................................................................... 199
§5.4. Экспериментальные исследование оптических характеристик и спектрального состава излучения импульсных ламп накачки широкоапертурных дисковых
усилителей.......................................................................... 203
§5.5 Исследование эффективности отражателей и распределения энергии излучения
накачки в плоскости АЭ............................................................ 211
§5.6.Разработка методик и проведение исследований спектральных и пространственно
- временных характеристик излучения лазерных диодов и линеек...................... 221
Заключение.......................................................................... 233
Литература.......................................................................... 235
3
Введение
Мощные лазеры и усилительные системы на их основе представляют собой крупные электрофизические установки, способные генерировать и усиливать интенсивные пучки лазерного излучения с малым углом расходимости. Современные тенденции развития лазеров направлены в сторону увеличения энергетики лазерных установок и повышения качества лазерного излучения и обусловлены как фундаментальными, так и прикладными задачами, к которым, прежде всего, относятся проблемы инерциалыюго термоядерного синтеза, взаимодействия мощного лазерного излучения с веществом, разработки новых технологий и специальных лазерных систем. При решении этих задач лучшие результаты достигнуты с использованием электроразрядных газовых лазеров и твердотельных лазеров с накачкой импульсными газоразрядными источниками оптического излучения. Будущий прогресс в области лазерной физики и техники, с точки зрения повышения эффективности лазерных систем (более 10%), связывают е созданием мощных линеек и матриц лазерных диодов и на их основе систем накачки мощных твердотельных лазеров, обладающих высокими удельными характеристиками и надежностью.
В Советском Союзе после того как Басовым И.Г. и Крохиным О.Н. [1] была высказана идея о возможности осуществления нагрева плотной плазмы до термоядерных температур с помощью высокоэнсргетичного лазерного излучения, в ведущих научных центрах, в первую очередь, таких как ФИАН, ФИАЭ (ТРИНИТИ), ВНИИЭФ, ГОИ им.С.И.Вавилова, НИИЭФА им.Д.В.Пфремова, были начаты работы по созданию экспериментальных установок для проведения исследований процессов взаимодействия высокоэнергетичного излучения с веществом и решения проблем лазерного термоядерного синтеза (ЛТС). В ФИАН была создана первая в СССР неодимовая лазерная установка УМИ-35, в ФИАЭ С02-лазерная установка ТИР-2М и неодимовая лазерная установка «Мишень» [2,3], в филиале ГОИ неодимовая лазерная установка «Прогресс-1» [4] и во ВНИИЭФ йодные лазерные установки «Искра-4» и «Искра-5» [5,6,19].
В дальнейшем эти знания позволили начать исследования, направленные на повышение эффективности применения мощных лазеров в различных технологических процессах и стимулировали создание лазеров импульсно-периодического и непрерывного действия.
4
В России новый шаг в развитии экспериментальной базы для JITC был сделан в 2002 г., когда в РФЯЦ ВНИИЭФ ввели в строй лазерную установку на неодимовом стекле «Луч», являющуюся прототипом более мощной установки «Искра-6». Расчетная выходная энергия лазерного излучения установки «Искра-6» составляет -700 кДж на длине волны 0,35 мкм (третья гармоника).
Первые системы в мире для ЛТС были разработаны и созданы в США, на базе ОСЬ лазера (программа Антарес) и на твердотельном лазере на неодимовом стекле установка Janus (1973) [7,8]. Затем в США были построены установки Argus, Shiva, Nova/Novetta, и Beamlet (1992). Аналогичные программы по исследованию в области ЛТС были начаты во Франции -установка Febus, в Японии - лазер Gckko-12 и в 90-х годах в Китае - установка Xing Guang. В настоящее время в рамках национальных программ в США создана установка NIF на неодимовом фосфатном стекле, а во Франции завершается строительство аналогичного по своим выходным характеристикам лазерного комплекса LMJ. Планируемая на этих установках выходная энергия лазерного излучения составляет - 2 МДж на третьей гармонике (1= 0,35 мкм). В США и Японии действуют программы по созданию термоядерного реактора, использующего принципы ЛТС. В этих проектах в качестве кандидатов рассматриваются твердотельные лазеры с диодной накачкой ( проекты Mercury (CILIA) и KOYO (Япония)) и эксимсрные лазеры с накачкой электронным пучком ( KrF лазер Elcctra (США)).
В НИИЭФА работы по разработке и созданию мощных лазеров для ЛТС, а также лазерных технологий начались в начале 70-х гг. Во второй половине 70-х гг. были развернуты работы по созданию С02-лазерной установки ТИР-2М (Филиал Института атомной энергии). Для отработки усилительных модулей в НИИЭФА была сооружена С02 лазерная установка ТИР-1М [9,26], которая предназначалась для работы в длинном импульсе совместно с линейным тета-пинчем (установка УТРО). Полученные на установке ТИР-IM экспериментальные результаты исследования начальных каскадов усиления с фотоионизационной накачкой [10, 11], промежуточных каскадов типа «Старт-М» и оконечного усилителя «Москит» с электроионизационной накачкой [12, 13], позволили начать разработку мощных технологических С02 лазеров для промышленности и специальных систем.
В середине восьмидесятых годов в НИИЭФА начались работы по созданию эксимерных лазеров с элеюронпо-пучковой накачкой для ЛТС и электроразрядных лазеров для промышленности и научных исследований.
Начиная с 1989 г., НИИЭФА совместно с научными центрами и институтами, в первую очередь, такими как РФЯЦ ВНИИЭФ, ТРИНИТИ, НИИКИ ОЭГТ, НИТИОМ и др., присту пило к разработкам мощных твердотельных лазеров. Были разработаны многоканальные широкоапертурные (20x20 см2) дисковые усилители па неодимовом фосфатном стекле с различной конфигурацией активных элементов (1x2, 2x2. 2x4), а также усилительные системы, включающие усилители и пространственные фильтры, ряда лазерных установок. В 1994 г. были начаты и в настоящее время продолжаются работы по разработке и созданию твердотельных лазеров с диодной накачкой киловаттного уровня мощности.
К началу исследований автора работа большинства научных коллективов,
участвующих в разработке мощных лазеров, была направлена на изучение
возможности организации газовых разрядов в больших объемах при атмосферном
давлении. Были реализованы системы накачки СО? лазеров на основе
несамостоятельного разряда атмосферного давления, поддерживаемою
электронным пучком, и достигнуты рекордные энерювклады на уровне 0,5 Дж/см3.
Разработаны экспериментальные образцы лазеров на самостоятельном разряде с
ультрафиолетовой (УФ) прсдыонизацией и самостоятельном разряде с прокачкой
рабочей смеси. Однако получение лазерных пучков с предельно высокой
мощностью и яркостью ограничивалось рядом эффектов и явлений, связанных с
процессами накачки и оптико-физическими свойствами активных сред. В связи с
этим актуальными явились комплексные исследования физических
закономерностей и механизмов воздействия систем накачки на уровень и
однородность возбуждения и оптическую однородность лазерных сред.
Необходимость этих исследований охватывала вес известные в то время способы
накачки, в том числе на основе несамостоятельного разряда атмосферного
давления, поддерживаемого электронным пучком в смеси газов ССЬг^Не,
самостоятельного разряда с УФ предьюнизацией в смесях С02:К2:Не и 1П7 газов,
самостоятельного тлеющего разряда в потоке газовой смеси С02:Ы2:Не,
электронно-пучковой накачки активной среды ХсС1 лазера. Важно было
исследовать процессы срыва объемных разрядов в дуговой режим, а для лазеров,
6
работающих в импульсно-периодическом режиме, изучить механизмы послеразрядных пробоев разрядного промежутка, влияющих на возможность работы с частотой повторения импульсов.
Переход о г экспериментальных макетов лазеров к действующим полномасштабным лазерным установкам импульсного, импульсно-периодического и непрерывного действия открыл ряд новых проблем, связанных с газодинамическими процессами, происходящими в газоразрядной камере, которые влияли на режим работы и выходные характеристики лазерного излучения. Необходимы были детальные исследования динамики, масштаба и характера газодинамических возмущений в активных средах электроразрядных СОг лазеров.
Для решения всех перечисленных выше актуальных проблем и задач потребовались адекватные методы визуализации состояния активной среды в процессе накачки и снятия инверсии. К моменту начала исследований было показано, что одной из наиболее информативных и универсальных диагностик плазменных объектов является голографическая интерферометрия[14]. Однако в тот период голо!рафия применялась для диагностики плазмы на небольших лабораторных установках [15]. Поэтому для исследования голографическими методами активных сред мощных электроразрядных лазеров, в условиях многообразия возмущающих активную среду факторов и больших габаритов установок, потребовалось разработать методики и схемы исследования оптических неоднородностей сложной формы и структуры, различных масштабов и градиентов плотности.
Организация эффективной накачки мощных электроразрядных газовых лазеров и твердотельных лазеров с накачкой импульсными газоразрядными лампами ограничивается совокупностью различных по своей природе процессов. В то же время, такие важные показатели накачки, как уровень и пространственная однородность запасенной энергии в лазерной среде, являются общими для всех типов лазеров, поскольку они определяют качество и энергию выходного лазерного излучения.
Лазерные установки, предназначенные для решения проблем инерциального
термоядерного синтеза, представляют собой крупные электрофизические
комплексы. В состав основных систем комплексов мегаджоульного уровня входят
широкоапертурные дисковые усилители с ламповой накачкой и крупногабаритные
7
вакуумные пространственные фильтры, емкостной накопи гель с энергией в несколько сотен МДж для дисковых усилителей и ряд других систем. Для получения выходного излучения с высокими энергетическими н пространственно-временными характеристиками необходимо обеспечить эффективную и однородную накачку активных элементов в дисковых усилителях и организовать пространственную фильтрацию нарастающих в результате самофокусировки мелкомасштабных возмущений излучения с помощью пространственных фильтров.
Современная концепция крупных многоэлементных установок предполагает построение многопроходных систем, где ключевыми элементами являются многоканальные дисковые усилители, в которых сосредоточена практически вся энергетика установки. Поэтому исследование и разработка дисковых усилителей и усилительных систем, в состав которых входят также крупногабаритные вакуумные пространственные фильтры, является актуальной задачей.
К моменту начала исследований в СССР (России) функционировали и до настоящего времени успешно работают установки со стержневыми оконечными усилителями. Исследовались одноканальные дисковые усилители с апертурой 15x15 см2 [16] и макеты усилителей 20x20 см2 [17]. Поэтому исследования элементов и систем накачки многоканальных дисковых усилителей, разработка архитектуры и конструкции двухканальных (1x2) и четырехканальных (2x2) дисковых усилителей с апертурой каждого канала 20x20 см2 и многопроходных усилительных систем на их основе стали также предметом данной работы.
После принятия решения о создании в РФЯЦ ВНИИЭФ установки «Искра-6» [18]необходимо было разработать и изготовить установку «Луч», для апробации оптической схемы, конструкторских решений и элементной базы будущей установки. Уникальность установки «Искра-6» предопределила актуальность подобных исследований и разработок. Потребовалось разработать и создать дисковые усилители установки «Луч», провести расчеты н исследовать характеристики основных компонентов осветителей восьмиканальных дисковых усилителей с апертурой каждого канала 30x30 см2 , разработать конструкцию вакуумных пространственных фильтров и дисковых усилителей.
Повышение эффективности накачки мощных лазеров требует новых подходов и
решений, поэтому разработка систем накачки на базе лазерных линеек и матриц
8
является важной задачей. В связи с этим актуальными являются вопросы, рассмотренные в последнем разделе диссертации, в котором представлены результаты исследований излучательных характеристик линеек лазерных диодов в зависимости от режима работы и методика исследования излучения линеек лазерных диодов, основанная на регистрации в динамике энергетических и спектральных характеристик отдельных эмиттеров линейки.
Основной целью работы являются проведение исследований физических закономерностей и механизмов воздействия систем и процессов накачки на лазерные среды газовых элекгроразрядных и твердотельных лазеров и их оптико-физические свойства; исследования эффективности осветителей и обоснование принципов конструирования многоканальных дисковых усилителей и многопроходных усилительных систем мощных лазеров на неодимовом стекле.
В соответствии с поставленной целью необходимо было решит!, следующие задачи:
-разработать методики исследования активных сред мощных крупногабаритных газоразрядных лазеров на основе современных диагностических средств и методов, основанных на голографических принципах;
- исследован, структуру разрядов и распределение энерговклада в активных средах С02 и НР лазеров на самостоятельном разряде с УФ предьюнизацией и электроионизационных С02 лазеров, а также однородность энерговклада в эксимсрном ХеС1 лазере с накачкой электронным пучком;
- исследовать устойчивость объемных самостоятельных и несамостоятельных разрядов и процессы, стимулирующие послсразрядные пробои разрядного промежутка;
- исследовать динамику и масштаб газодинамических возмущений в активных средах электроразряд! 1ых С02 лазеров в условиях импульсного, импульснопериодического и непрерывного эперговклада;
- провести расчеты и разработать конструкции многоканальных многопроходных усилительных систем на неодимовом стекле, включающие пространственные фильтры и дисковые усилители;
9
- разработать и создать четырехканальные дисковые усилители установки «Луч» и прототип секции восьмиканального дискового усилителя с апертурой каждого канала 30x30 см2;
- провести численное моделирование разряда в крупногабаритных импульсных лампах накачки и экспериментально исследовать спектральный состав излучения ламп, исследовать эффективность отражателей и распределение энергии излучения накачки в плоскости дискового активного элемента;
- разработать методику и провести измерения спектральных и энергетических характеристик излучения лазерных диодов и линеек.
Научная новизна.
1. На базе голографических методов и средств разработаны методики исследования физических процессов накачки, влияющих на оптико-физические свойства и однородность активных сред мощных крупногабаритных элсктроразрядных лазеров с импульсным, импульсно-периодическим и непрерывным возбуждением .
2. С помощью разработанных диагностических средств и методик обнаружены и исследованы новые эффекты, возникающие в объеме активных сред СОг, Ш71ЭР, ХсС1 лазеров, обусловленные пространственной неоднородностью прсдыонизации УФ излучением и электронными пучками, а также неоднородностью накачки электронным пучком, что стимулирует развитие мелкомасштабных структур и крупномасштабных возмущений показателя преломления активных сред.
3. Впервые визуализированы и детально изучены процессы формирования и развития неустойчивостей в виде прорастающих токовых шнуров в объемном несамостоятельном разряде атмосферного давления, поддерживаемом электронным пучком. Получены новые данные о структуре токовых шнуров, концентрации электронов в канале и параметрах периферийной ударной волны па разных стадиях развития неустойчивости. Установлены физические механизмы послеразрядных пробоев разрядного промежутка.
4. Получены новые сведения о газодинамических процессах, происходящих в активных средах газоразрядных лазеров в условиях импульсного и импульснопериодического и непрерывного вклада энергии с прокачкой газовой смеси, в том числе:
10
- выявлены особенности зарождения н распространения в газоразрядном объеме приэлектродных ударных волн, ударных воли на границе разрядной области, волн плотности и разряжения, которые формируются на границе зоны генерации, вследствие эффекта самовоздействия;
- определены условия формирования и характеристики тепловых полей в разрядном промежутке проточных лазеров с поперечным разрядом и развития турбулентности газового потока и показано, что важным фактором, влияющим на температуру ядра потока, оказывается процесс турбулентной теплопроводности при передаче тепла от сильно разогретой катодной платы ядру потока, что приводит к дополнительному нагреву газа.
5. Предложены и экспериментально обоснованы конструкции дисковых усилителей на неодимовом фосфатном стекле с размером апертуры в каждом канале 20x20 см", с конфигурацией активных элементов 1x2 и 2x2, предназначенных для работы в многоканальных, многопроходных усилительных системах, в том числе и установки «Луч».
6. Разработан технический проект экспериментальной восьмиканальной лазерной установки с двухпроходной усилительной системой на базе четырехканальных дисковых усилителей и просгранственных фильтров с размером апертуры в
л
каждом канале 20x20 см .
7. Предложена методика расчета фазовых и поляризационных искажений лазерного излучения, проходящего через оптические элементы усилительной системы (линзы пространственных фильтров и активные элементы усилителей), учитывающая весовые и барические нагрузки.
8. На основе экспериментальных исследований и численных расчетов параметров излучения импульсных ламп накачки большого диаметра и длины, формы профилированных отражателей и распределения освещенности в плоскости активного элемента предложена конструкция осветительной системы восьмиканального дискового усилителя (конфигурация 2x4) с размером апертуры в каждом канале 30x30 см2.
9. Разработана методика исследования параметров излучения линеек лазерных диодов, основанная на регистрации в динамике энергетических и спектральных характеристик отдельных эмиттеров линейки.
11
Научная и практическая значимость.
1. На базе голографических принципов, средств и методов разработаны методики исследования активных сред мощных крупногабаритных газоразрядных лазеров с объемом активной среды в несколько сотен литров.
2. Получены количественные значения пространственного распределения изменения показателя преломления активных сред, возникающие вследствие процесса накачки и снятия инверсии. Эти результаты использованы при разработке резонаторов газоразрядных лазеров для достижения дифракционной расходимости и в оценке качества лазерного излучения.
3. Результаты исследования устойчивости объемного разряда и газодинамических процессов (распространение ударных волн, нагрев и турбулизация газового потока, динамика распространения тепловых пробок), происходящих во время работы импульсио-периодичсских и непрерывных лазеров, использованы при проектировании газоразрядных камер и газодинамических трактов лазеров, а также выборе и оптимизации режимов работы.
4. Созданы многоканальные широкоапертурные дисковые усилители на неодимовом фосфатном стекле с конфигурацией 1x2 и 2x2 , с размером апертуры в каждом канале 20x20 см2. В составе установки «Луч» на модернизированных усилителях получен коэффициент усиления слабого сигнала 0,045см'1 и предельная энергия излучения в одном канале 3,5 кДж.
5. Разработаны и изготовлены экспериментальные образцы секций усилителя для восьмиканальных дисковых усилителей ( 2x4) установки «Искра-6».
6. Разработанная методика измерения в динамике излучательных характеристик отдельных эмиттеров в линейке лазерных диодов может быть использована для анализа эффективности технологий выращивания гетероструктур, аттестации линеек и создания матриц и сборок для систем накачки мощных твердотельных лазеров.
Основные положения, выносимые на защиту.
1.Методики исследования, разработанные на базе интерференционных и теневых голографических методов и средств, оптико-физических свойств лазерных сред, возбуждаемых импульсными, импульсно-периодическими и непрерывными
12
разрядами, динамики развития неустойчивостей в объемном разряде и газодинамических процессов в активных средах мощных лазеров.
2. Результаты исследования пространственного распределения энерговклада и отклика активных сред лазеров, в условиях пространственной неоднородности потоков ионизирующего излучения (УФ излучение и электронные пучки), определяемой элементами систем накачки - схемой ввода пучков в лазерный объем, геомезрией и конструкцией электродов, включая следующие данные :
- в СОт лазерах на самостоятельном разряде с УФ предыонизацией искровыми источниками в результате неоднородной фотоионизации лазерного объема, неравномерной засветки катода и фотоэмиссионных процессов в активной среде формируются мелкомасштабные структуры, с характерным размером ~ 1-2 мм, и крупномасштабные изменения показателя преломления, характерные также для НГ/ОР лазеров с УФ предыонизацией скользящим разрядом;
- в элекфоионизационных ССЬ лазерах и эксимерном ХсС1 лазере при ипжекции пучков эдеюронов с энергией 160 - 400 кэВ в лазерных средах зарегпсфировано неравномерное распределение эперговклада с характерным размером неоднородности, задаваемым геометрией «прозрачного» электрода или поддерживающей решетки.
3. Методы и результаты комплексных исследований процессов формирования и развития неустойчивостей в виде прорастающих токовых шнуров в объемном несамостоятельном разряде атмосферного давления, поддерживаемом электронным пучком. Новые данные о структуре и скорости распрос фанения токовых шнуров, концентрации электронов в канале и параметрах периферийной ударной волны на разных стадиях развития неустойчивости, обоснование механизма иослсразрядных пробоев разрядного промежутка, связанного с распространением в разрядном объеме токовых шнуров и газодинамическими процессами расширения нагретого в канале газа.
4. Совокупность результатов исследований газодинамических процессов, происходящих в возбуждаемых объемными разрядами активных средах, в условиях импульсного, импульсно-периодического и непрерывного энерговклада с прокачкой газовой смеси. Данные о процессах зарождения и распространения катодных ударных волн, волн плотности на границе зоны генерации, формируемых
13
вследствие эффекта самовоздействия, тепловых полей, тепловых пробок, нагрева и турбулизации газового потока.
5. Обоснование принципов построения многоканальных дисковых усилителей и усилительных систем с конфигурацией активных элементов 1x2, 2x2, 2x4. Результаты исследования оптических компонентов системы накачки и расчетов конструкций дисковых усилителей и пространственных фильтров. Создание четырехканальных дисковых усилителей с апертурой каждого канала 20x20см2 , которые внедрены на установке «Луч» .
6. Результаты экспериментальных исследований и расчетов элементов осветителей дисковых усилителей 2x4, включая исследования спектральных и излучательных характеристик крупногабаритных ламп накачки ИНП 40/1600 и профилированных отражателей. Создание экспериментальных образцов секций восьмиканального дискового усилителя с апертурой каждого канала 30x30 см2.
7. Методика исследования в динамике энергетических и спектральных характеристик отдельных эмиттеров линейки лазерных диодов и результаты, полученные на линейках, выращенных модифицированным методом жидкофазной эпитаксии и с помощью MOCVD технологии.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитированной литературы.
Первая глава посвящена описанию методов возбуждения лазерных сред, систем накачки электроразрядных СО2, химических HF/DF лазеров и эксимерпых лазеров е накачкой электронным пучком. Представлен краткий обзор работ, посвященный исследованию АС газоразрядных лазеров с помощью оптических методов диагностики прозрачных объектов. Рассматриваются оптико-физические свойства объемных и контрагированных разрядов и голографические методы и средства диагностики газовых разрядов и газодинамических процессов.
Во второй главе представлены результаты исследования процессов формирования объемных самостоятельных и несамостоятельных разрядов и их структуры, динамики развития оптических неоднородностей в активных средах СО? и HF лазеров, вследствие неоднородного энерговклада, обусловленного пространственной неоднородностью излучения предыонизацпи ( УФ излучение и электронные пучки), распределением напряженности электрического поля в
14
разрядном объеме и конструктивными особенностями газоразрядных камер лазерных установок. Представлены экспериментальные данные о влиянии электронных пучков накачки на однородность активной среды ХеС1 лазеров. Исследованы процессы формирования и развития неустойчивостей в объемном несамостоятельном разряде, в виде прорастающих токовых шнуров. Выявлена структура и динамика их распространения в разрядном промежутке, изучен механизм послсразрядиых пробоев.
В третьей главе исследуются однородность накачки и особенности газодинамических процессов, сопровождающих импульсный и импульсно-периодический вклад энергии в объемный разряд в смеси газов C02:N2:Hc на лазерных установках различного масштаба. Представлены результаты исследование параметров потока активной среды в разрядном промежутке непрерывного быстропроточного С02 лазера. Зарегистрированы и изучены акустические волны плотности и разрежения на границе области генерации в условиях короткого импульса накачки ( t «1,5 мке), которые формируются в результате эффект теплового самовоздспствия.
В четвертой главе обсуждаются инженерно-физические и оптические аспекты построения мощных лазерных установок на неодимовом стекле для J1TC. Представлены оптические схемы лазеров, конструкции усилительных систем и результаты расчетов напряженно-деформированного состояния пространственных фильтров и дисковых усилителей под действием статических и вибрационных воздействий, а также результаты расчетов фазовых и поляризационных искажений лазерного излучения, проходящего через оптические компоненты усилительной системы мощных широкоапертурных лазеров.
Пятая глава посвящена разработке и исследованиям источников накачки мощных твердотельных лазеров и элементов осветителя дисковых усилителей. Представлены результаты исследований оптических характеристик и спектральных измерений крупногабаритных ламп накачки ПИП 24/590, 111111 40/1600 и отражателей дисковых усилителей, а также излучательных характеристик линеек лазерных диодов.
15
Глава 1
Системы накачки мощных электроразрядных лазеров и голографические методы исследования газовых разрядов и газодинамических процессов.
Введение
Накачка мощных элсктроразрядных С02-лазеров лазеров осуществляется с помощью объемных разрядов. Известно несколько способов организации объемного разряда [20,111]. В настоящее время, широкое развитие получили С02-лазеры, в которых объемная ионизация осуществляется с помощью пучков быстрых электронов, позволяющих эффективно накачивать большие объемы АС, при атмосферном и более высоком давлениях и контролировать удельный энерговклад и длительность разряда [21,22]. Электронные пучки используют не только для поддержания объемного атмосферного разряда в С02- лазерах, но и как самостоятельный источник накачки в эксимерных лазерах. Этот способ накачки эксимерных лазеров позволяет возбуждать большие объемы активной среды и получать лазерное излучение на уровне 10 кДж и более ( установка Электра, США) [23]. Другим, не менее эффективным способом накачки АС, является самостоятельный разряд с УФ предыонизацией. Эти устройства достаточно просты в эксплуатации, имеют меньшие габариты, по сравнению, например, с электроионизационными С02-лазерами при равных выходных параметрах и не требуют биологической защиты [24,25]. В качестве источников УФ излучения используют искровые или скользящие разряды [26].
При создании мощных лазеров различных типов и назначений разработчики столкнулись с общей проблемой, связанной с задачами повышения эффективности накачки и улучшения расходимости лазерного излучения. Появилась необходимость организации систематических исследований физических процессов, ответствен шах за формирование оптических неоднородностей в объеме АС в процессе накачки, а также выяснению причин приводящих к срыву генерации лазерного излучения. С целью получения количественных оценок степени неоднородности активной среды, в зависимости от тех или иных возмущающих факторов, масштаба, структуры и динамики их развития потребовалось разработат ь адекватные задачам методы и средст ва диагностики АС.
16
Оптические методы диагностики плазмы успешно применяют в экспериментальных исследованиях активной среды газоразрядных лазеров. С помощью интерференционных методов изучают изменения показателя преломления АС, происходящие во времени и в пространстве.
Впервые интерференционные исследования распространения акустических
волн в разрядном промежутке импульсного электроионизационного С02-лазера
были проведены с помощью двухлучевого интерферометра Маха-Цендера [27].
Аналогичная методика и средства использовались в работе [28] для исследования
эффекта самовоздействня излучения импульсного С02-лазера, а в работе [29]
изучались газодинамические возмущения потока газа в С02-лазере импульсно-
периодического действия. Первая работа, в которой использовалась
голографическая интерферометрия АС электроразрядного С02-лазера с УФ
подсветкой, была опубликована в 1974 г. [30] . Эти исследования были
направлены на изучение акустических и слабых ударных волн, а также нагрева АС.
Среди оптических методов диагностики плазмы и газодинамических процессов
особое место занимают голографические методы, благодаря своим уникальным
свойствам [14,15]. Фундаментальное открытие голографии, сделанное Габором и
Упатниексом, революционным образом повлияло на развертывание широкого
спектра прикладных задач. Первые исследования плазменных объектов методами
голографической интерферометрии были осуществлены в ФТИ им. А.И.
Иоффе в лабораторных экспериментах на малогабаритных установках (типа
лазерной искры) [14]. Вначале 70-х гг., в НИИЭФА совместно со специалистами
ГОИ был разработан и изготовлен одномодовый, одиочастотный, импульсный
диагностический лазер на рубине с длиной когерентности не менее десяти метров
[31]. Это позволило начать разработку средств и методов голографической
интерферометрии и теневых методов для диагностики крупногабаритных
электрофизических установок различных типов и назначений. Первые
исследования с помощью голографической интерферометрии были осуществлены
в НИИЭФА на бегущей дуге Смирновым В.Г. в сотрудничестве
со специалистами ГОИ - Смирновым А.Г. , Стаселько Д.И. и др. [32].
Голографические методы были применены на линейном тега-пинче (установка
«Утро»), предназначенном для исследования плотной плазмы с Ис> М01(> см3
, при взаимодействии с быстро нарастающем магнитным полем (т<0,4 мке, В < 3
17
Тл) [31]. В дальнейшем в процессе работы, нами был существенно расширен диапазон задач, решаемых с помощью голографических методов. Были исследованы тлеющие разряды, изучались процессы взаимодействия электронных пучков с материалом [33-35] Наиболее полно голографические методы были использованы при исследовании АС сначала мощных электроразрлдных СО>-лазеров различных типов и назначений, а затем эксимерных и химических лазеров [15,35-48].
Существенным преимуществом голографических методов является то обстоятельство, что, записав на голограмму волну, прошедшую через объект, ее можно затем восстановить в любой момент времени и исследовать различными оптическими методами. Это преимущество позволило успешно исследовать неоднородности АС сложной формы и структуры, различных масштабов и градиентов плотности на крупногабаритных электроразрлдных лазерах, в условиях наличия паразитной засветки собственным излучением газового разряда, конвективных потоков и вибраций.
§1.1. Методы возбуждения лазерных сред, устройство и параметры электроразрлдных СО2 лазеров, химических HF/DF лазеров и эксимерных лазеров с накачкой электронным пучком.
Накачка мощных электроразрлдных СО2 лазеров осуществляется несамостоятельными или самостоятельными объемными разрядами в импульсном, стационарном или импульсно-периодическом режимах. Для повышения устойчивости объемного разряда, эффективности и однородности накачки в качестве предыонизации как правило используют электронные пучки или УФ-излучение.
Схематично устройство импульсного электроионизациоиного СО2 лазера показано на рис. 1.1.1. В этих системах ленточный электронный пучок энергией 100 -200 кэв формируется ускорителем, где в качестве катода (3) используются, например, торированный вольфрам, прессованный вольфрамат бария, нанесенные на металлическую подложку и др.
Выходное окно ускорителя электронов закрыто фольгой (5), которая опирается на
18
металлическую решетку (4). препятствующую механическому разрушению последней из-за разницы давлений в газоразрядной камере и ускорителе (Др > 1 атм).
Рис. 1.1.1 Схема электроиопизациотюго ССЬ -лазера . I- изолятор ; 2- корпус камеры электронного ускорителя; 3 - катод; 4 - поддерживающая металлическая решетка; 5 - фольга ; 6,7 - электроды газоразрядной камеры; 8 - корпус газоразрядной камеры.
Плотность тока электронного пучка на выходе за фольгой составляет от МО"1 до 1 А/см2 при длительности импульса от 0,01 до 100 мкс. В газоразрядной камере (8), выполненной из диэлектрического материала, электроды основного разряда изготавливают, как правило, - один (7) в виде сплошной металлической пластины, а второй (6), через который электронный пучок вводится в рабочий объем, в форме перфорированной медной пластины ("Максим"), медных трубок ("Гибрид "), стальной сетки ("Старт") и др. Для питания разряда используют двойную формирующую линию или конденсаторную батарею.
Основные параметры элсктроионизацпонных С02-лазеров, на которых проводились исследования, сведены в табл. 1.
ТаблицаЛг°1
Лазер Активный объем ах вхс (см 3) Плотность тока пучка электронов (млА/см 2 ) Энергия пучка электронов (юВ) Длитель- ность разрядного импульса (мкс) Плотность тока разряда ( А/см2) Напряжение разряда (кВ)
«Старт» 6,5x3,5x45 200 200 8 5 30
«Максим» 4x6,5x70 60 160 25 3 20
«Г ибрид» 6х18x60 10 160 30 2 30
19
) а, в. с - геометрические размеры активного объема, определяемые размерами пучка электронов ( в х с ) на входе в газоразрядную камеру и расстоянием между электродами (а).
Для работы лазеров в импульсно-переодическом или непрерывном режимах необходимо обеспечить смену рабочего газа в зоне разряда. Для этой цели используют прокачку газовой смеси .
Газовый контур импульсно-периодического лазера "Максим", схема которого приведена на рис. 1.1.2, был изготовлен вакуумноплотным и позволял работать при давлении газа в диапазоне 0.1-2,0 атм. [49]. Для прокачки газа использовалась ротационная газодувка типа Г32-80-413, обеспечивающая скорость прокачки газа в разрядной камере 11 м/с, с расходом газа в контуре -350 г/с. Импульсный электронный ускоритель лазера (триодного типа) надежно работал в диапазоне изменения энергии пучка 150 - 200 кэВ при частоте следования импульсов до 200 Гц и средней плотности тока электронного пучка на фольге до 200 мкА/см\
Рис. 1.1.2 Схема импульсно-периодического лазера. 1 - ротационная газодувка; 2 -электронный ускоритель; 3 - термоэмиссионный катод электронного ускорителя; 4 -блок высоковольтного питания ускорителя; 5 - газоразрядная камера; 6 -электроды газоразрядной камеры; 7 - газовый контур.
Для пит ания разряда использовалась схема с частичным отбором энергии от емкостного накопителя энергии (конденсаторы типа ИК-25-12). Коммутация тока разряда осуществлялась электронным пучком. В качестве первичного источника высокого напряжения использовался преобразователь типа ТДЕ-5/20000. Рабочая частота следования импульсов длительностью 25 мке составляла 80 Гц, а удельный энерговклад в единицу расхода газа 200 кДж/кг.
20
Общий вил и принципиальная электрическая схема С02-лазера на самостоятельном разряде с УФ предыонизацией (ТИР) представлены на рис. 1.1.3
Рис. 1.1.3. а - общий вид лазера ТИР ( три каскада усиления на базе лазеров ТИР); б- принципиальная электрическая схема С02-лазера на самостоятельном разряде с УФ предыонизацией.
В этом устройстве источники УФ-излучения в количестве 16 шт. можно было располагать по боковым сторонам разрядного промежутка основного разряда или за электродом, выполненным в виде металлической сетки, на расстоянии 2,5 см от него. Разрядный промежуток каждого из источников УФ-излучення представляет собой штыревой электрод, вставленный внутри керамической трубки, у которой на торцевой поверхности размещен кольцевой электрод. Расстояние между электродами составляет 2-3 мм. Каждый источник УФ-излучения подключается последовательно к основному разрядному промежутку через собственную накопительную емкость. В качестве накопительных С0 и обостряющих С| емкостей использовались ситалловые конденсаторы К-15-10. Максимальное зарядное напряжение конденсаторов 35 кВ, длительность разрядного импульса М,5 мкс.
В газоразрядной камере, корпус которой выполнен из оргстекла, располагались сплошной электрод из дюралюминия с профилированными краями и размерами плоской части 4x40 см2, а также сеточный электрод размером 10x50 см2. Расстояние между электродами составляло 2,7 см. Рабочее давление в камере - 0,5 атм. В зависимости от задач эксперимента, сеточный электрод можно было заменять дюралюминиевой пластиной.
(а,б).
(а)
(6)
21
Питание разряда электоразрядного НРЛЭГ осуществлялось от ГИНа, а УФ прсдыонизация была организована с помощью скользящего разряда. Зарядное напряжение ГИНа варьировалось в пределах 13-17 кВ , длительность разрядного импульса составляла ~ 50 не. Электроды газоразрядной камеры длиной 50 см выполнены из латуни в виде полуцилиндров с радиусом г = 5 см. Рабочее давление в камере составляло 0,1 - 0,2 атм.
Модельный эксимерный лазер «Нева-Л» спроектирован на базе узлов и технологических систем сильноточного ускорителя электронов Нева -01 [50] . На этой установке электронный пучок большого сечения 12x100 см с параметрами : энергия пучка 400 кэВ, ток 100 кА, длительностью 70 не сформирован в диоде со взрывоэмиссионным катодом из графитовых волокон и инжектируется в камеру взаимодействия прямоугольного сечения заполненную газовой смссыо Аг:Хе:С1 или Аг:Кг:Р.
На рис.1.1.4(а,б) представлены основные узлы лазерной установки и ее фотография.
Рис. 1.1.4 а- схема и основные узлы лазерной установки: 1-передающая линия системы формирования высоковольтного импульса; 2-ускорительная трубка; 3,4 -электроды согласующего элемента; 5 - диод большого сечения (ДБС); 6 - фольга выводного устройства; 7 - лазерная камера; 8 - выводное устройство (ВУ) ; 9-диагностичсский объем; 10- диагностический ввод; 11 - катушки внешнего магнитного поля, б- модельный эксимерный лазер «Нева-Л с поперечной накачкой электронным пучком .
Согласующий элемент (СЭ) предназначен для перехода от коаксиальной системы формирования высоковольтного импульса ускорителя к плоскому диоду
22
большого сечения (ДБС), который представляет из себя, две метровые полосковые линии, выполненные в виде раструба с волновым сопротивлением р=377а/Ь « 19ом, где а и Ь размеры полоска. Величина сопротивления была выбрана из условия обеспечения магнитной изоляции вакуумной передающей линии (ВПЛ), при котором сопротивление ВПЛ должно быть больше сопротивления нагрузки. Внутренний электрод СЭ выполнен из нержавеющей стали и крепится к фланцу передающей линии. Поверхность электрода отполирована и имеет разрезы вдоль направления распространения электромагнитной волны, которые служат для равномерного распределения энергии по сечению линии. На торце внутреннего электрода установлен волоконный графитовый катод.
Внешний электрод СЭ выполнен в виде короба и с торцов снабжен фланцами для соединения с ускорительной трубкой и с лазерной камерой.
Конструкция ВУ состоит из рамки толщиной 13см с пазами для установки съемных профилированных колосников толщиной 2мм, опорной решетки толщиной 1,5 мм в которой сделано ~ 3000 отверстий диаметром 6 мм, а также основной алюминиевой фольгой толщиной 30-50 мкм. Общий коэффициент геометрической прозрачности ВУ составил ~ 6.
Электронный пучок инжектируется в рабочий объем камеры взаимодействия, который заполняется газовой смссыо Аг:Хе:С1 или Аг:Кг:Б , максимальное рабочее давление в камере 3 атм. Камера взаимодействия прямоугольного сечения размером 0,3x1,2x0,4 м3 выполнена из нержавеющей стали, на торцах для вывода лазерного излучения установлены кварцевые окна диаметром 25см. Со стороны ввода пучка камера имеет общий с ДБС фланец, на котором крепится ВУ. Аналогичный фланец установлен с противоположной стороны и отделяет камеру взаимодействия от диагностического объема. Диагностический узел установки состоит из электрода, изолятора, устройства перемещения электрода вдоль направления распространения пучка и вакуумной системы.
Принципиальная схема экспериментального быстропроточного, непрерывного С02-лазера на самостоятельном разряде открытого цикла представлена на рис. 1.1.5 [51]. Для прокачки газовой смеси использовались два ротационных вакуумных насоса РВН-60, обеспечивающих суммарную производительность 1 м2/с при давлении на входе 70 ГПа. Подача смеси С02:Н2:Не осуществлялась из баллонной
23