Введение к работе
Актуальность темы
Импульсные газовые лазеры высокого давления (ИГЛ), возбуждаемые поперечным к направлению оптической оси самостоятельным разрядом (называемые в литературе ТЕА-лазерами), являются одними из самых распространенных источников когерентного излучения. Они позволяют получать лазерное излучение в широком спектральном диапазоне от вакуумного ультрафиолетового до далекого инфракрасного и имеют большие значения мощности и энергии генерации с длительностью импульса от Ю-1 с до ] О-3 с. Для них характерно получение качественно новых свойств лазерного излучения, в частности возможность плавной перестройки спектра генерации в УФ- и ИК-диапазоне. Основные области применения этих лазеров - технология обработки материалов, фотохимические технологии, медицина и научные исследования. В области научных исследований особо следует выделить диагностику газовых сред и, в частности, диагностику аэродинамических потоков. Принципиально важными в этом случае являются и длина волны, и расходимость, и ширина линии, и значение импульсной мощности. При этом лазер должен быть прост в обслуживании и достаточно малогабаритен.
Особенностью излучения эксимерных лазеров является малое значение пространственной и временной когерентности. Вследствие малого времени существования инверсной заселенности, формирование поперечных мод в этих лазерах не успевает происходить. Большое значение расходимости определяется геометрическими размерами активной среды и местом зарождения спонтанного излучения, формирующего лазерный пучок. Спектр генерации этих лазеров, определяемый структурой энергетических уровней эксимерных молекул, состоит либо из нескольких колебательно-вращательных линий, либо одной, но широкой (0,5-1,2) нм. Ряд же применений накладывает достаточно жесткие требования на пространственную когерентность и ширину линии. В литературе описаны методы управления этими характеристиками. Однако, в большинстве сіг^чаев они связаны со значительной потерей энергии генерации лазера. С целью снижения потерь энергии и управления характеристиками излучения создаются системы типа генератор-усилитель из двух и более лазеров для усиления заданного излучения. Одной из проблем создания систем генератор-усилитель УФ-лазеров, где время существования инверсии ограничено несколькими десятками наносекунд, является проблема синхронизации нескольких лазеров и считается достаточно сложной задачей.
Для создания ИГЛ с высоким качеством светового пучка, обеспечивающих возможности управления параметрами излучения, требуется решить ряд проблем. В первую очередь это физические вопросы связанные с
созданием однородных объемных разрядов в газовых смесях высокого давления и определением тех процессов, которые влияют на однородность разряда. Во-вторых - поиск технических решений реализации условий, соответствующих требованиям физической модели создания однородного объемного разряда, а также управления параметрами излучения. Решению этих проблем и посвящена данная работа.
Цель работы
Целью данной работы явился поиск методов возбуждения активной среды, позволяющих управлять параметрами излучения газовых лазеров высокого давления для создания эксимерных лазеров с характеристиками, обеспечивающими возможность применения их в диагностике, медицине и других.
Научная новизна
Найдена область значений начальной электронной плотности и напряженности электрического поля, в пределах которой реализуется объемный разряд в смеси СОглазера высокого давления.
Разработана система высоковольтного возбуждения импульсного лазера высокого давления, основанная на использовании дискретного многоканального коммутатора и быстрой (за время около 2мкс) монокм-пульсной зарядки накопителя, обеспечивающая прямое (без применения промежуточных накопителей) создание активной среды.
Предложена, исследована и реализована конструкция разрядной камеры лазера высокого давления для возбуждения двух активных объемов одним импульсом тока.
Предложено и реализовано использование лазера с двумя активными объемами, возбуждаемыми одним импульсом тока, в качестве системы генератор-усилитель для управления пространственными и спектральными характеристиками лазерного излучения.
Впервые эксимерные лазеры использованы для реализации метода спонтанного комбинационного рассеяния для исследования нестационарных процессов в газах.
Практическая значимость
1. Созданы СОг- и эксимерные лазеры с двумя активными объемами,
возбуждаемыми одним импульсом тока, позволяющие получать мощное
лазерное излучение в ИК- и УФ-диапазонах спектра излучения, которые
используются в ряде организаций.
2. Разработаны системы возбуждения и стабилизации объемного
разряда в газовых лазерах высокого давления, включающие последова
тельный искровой разряд и систему быстрой импульсной зарядки накопи-
теля ГИН, которые используются при создании CCV и эксимерных лазеров.
На основе лазера с двумя активными объемами, возбуждаемыми одним импульсом тока, создана система генератор-усилитель с селективным резонатором, позволяющая получать мощное узкополосное перестраиваемое излучение в XeCl-лазере с малым значением расходимости.
На основе лазера с двумя активными объемами, возбуждаемыми одним импульсом тока, создана система генератор-усилитель с неустойчивым резонатором, которая в сочетании с ВКР-преобразованием УФ-лазерного излучения в плотных газах используется для получения мощного излучения в УФ- и видимом диапазоне спектра на большом числе длин волн.
Созданные эксимерные лазеры были использованы для исследований газообразных и конденсированных сред методами спонтанного комбинационного рассеяния и лазерноиндуцированной флуоресценции (СКР и ЛИФ).
На защиту выносятся следующие положения:
В лазерах с поперечным разрядом существует область значений начальной плотности электронов и напряженности электрического поля, в пределах которой реализуется объемный разряд в газовых смесях, используемых в качестве активных сред импульсных газовых лазеров высокого давления (ИГЛ).
Возбуждение двух активных объемов одним импульсом тока позволяет получать эффективную синхронную генерацию в лазерах с поперечным разрядом в широком диапазоне давлений на различных активных средах.
Лазер с двумя активными объемами, возбуждаемыми одним импульсом тока, является эффекптной системой генератор-усилитель для управления параметрами излучения ИГЛ.
Апробация работы
Материалы работы докладывались на всесоюзных и международных конференциях:
IV и V Всесоюзные конференции по физике низкотемпературной плазмы. Киев, 1975, 1979; IV Всесоюзная конференция "Перестраиваемые по частоте лазеры" Новосибирск, 1983; I Всесоюзн. научно-техническая конференция "Методы диагностики двухфазных и реагирующих потоков" Харьков, 1988; VH Всесоюзный симпозиум по сильноточной электронике. Томск, 1988; I Всесоюзный семинар "Оптические методы исследования
потоков" Новосибирск, 1989; XI Всесоюзная конференция "Генераторы низкотемпературной плазмы" Новосибирск, 1989; Intemation Seminar of Flame Structure. Alma-Ata, 1989; Международная конференция "Лазеры и медицина". Ташкент, 1989; Труды II Всесоюзного совещания " Лазерная биофизика и новые применения лазеров в медицине". Тарту, 1989; Международная конференция" Коротковолновые лазеры и их применение" Самарканд, 1990; XIX Всесоюзный семинар по электрофизике горения. Челябинск, 1991; III Межгосударственная конференция " Оптические методы исследования потоков" Москва, 1995; ICMAR-96, Novosibirsk, 1996; III Международная конференция" Импульсные лазеры на переходах атомов и молекул" Томск, 1997.
