Экспериментальное и расчетно-теоретическое исследование физических процессов в лазерных системах на парах меди с целью улучшения удельных выходных характеристик Маликов, Михаил Максимович

Введение к работе

Актуальность темы. Среди широкого класса лазеров на самоограниченных переходах атомов металлов импульсно-периодический электроразрядный лазер на парах меди (ЛПМ) является одним из самых мощных и эффективных [1, 2]. В последние 10-15 лет наблюдался большой прогресс в развитии различных типов ЛПМ, работающих на (r-m) переходах (с резонансного на метастабильный уровень) атома меди. Это лазеры на галогенидах меди, так называемые “гибридные” лазеры и лазеры с “улучшенной кинетикой”, в рабочую смесь которых добавляют примеси (водород и галогены) [3-5]. Тем не менее, “чистый” ЛПМ (на смеси паров меди с неоном) практически не уступает им по удельной и полной мощности излучения. Преимуществами такого ЛПМ являются стабильность химического состава рабочего тела и параметров излучения, более высокий ресурс работы, простота и меньшая стоимость конструкции. Эти ЛПМ, как правило, работают в саморазогревном режиме [3, 6], обладают в видимом диапазоне средней мощностью излучения от одного ватта до нескольких сотен ватт, частотой следования импульсов в десятки кГц и к.п.д. 1-2 %. Кроме того, на уровне малых и средних мощностей освоено их промышленное производство [7]. В настоящее время ЛПМ весьма привлекателен для широкого круга применений, таких как микрообработка разнообразных материалов, селективные технологии, нанотехнологии, медицина, научные исследования и т.п.

Несмотря на долгий путь становления (~40 лет), остаётся ряд крупных физических и технических проблем, которые сдерживают широкое внедрение в практику ЛПМ и различных лазерных систем на их основе, снижают эффективность тех или иных приложений. Первая проблема заключается в том, что средние и пиковые удельные мощности излучения резко падают с ростом диаметра разрядных трубок, что не позволяет наращивать полную мощность пропорционально объёму [5, 8]. Кроме того, с увеличением объёма существенно снижается частота следования импульсов. Одной из причин этих явлений считается перегрев рабочей смеси. Известные идеи о создании развитой поверхности внутри разрядных камер [4, 9] для интенсификации теплоотвода не получили должного продолжения и конкретизации конструкций. Недостаточно проработаны модели физических процессов в плазме с учетом выноса энергии на стенки разрядных камер спонтанным излучением и амбиполярной диффузией, что необходимо для численного исследования лазерной кинетики и тепловых процессов, которые ответственны за снижение удельных характеристик.

Классический подход к решению первой проблемы – создание достаточно быстрого протока рабочего тела через разрядную камеру ЛПМ - наталкивается на технические трудности, связанные с прокачкой горячей (2000-2500 К) среды механическим способом или с большими энергетическими потерями в случае охлаждения и повторного нагрева газа. Отсутствовал научно-технический анализ возможности самопрокачки рабочего тела ЛПМ за счёт энергии разряда, возбуждающего лазерную среду, что могло бы не только снять проблему снижения удельных характеристик и частоты следовании импульсов, но и привести к их существенному увеличению.

Следующая проблема – качество лазерной генерации. Обычно выходное излучения ЛПМ имеет сложную пространственно-временную структуру [7], что типично для лазеров с коротким временем существования импульсной инверсии. Использование неустойчивых резонаторов [10] хотя и позволяет сформировать пучок дифракционного качества на последних проходах, но доля энергии в нём не велика. Отсюда возникают проблемы с эффективностью применения такого многопучкового излучения в ряде областей, например, в микрообработке материалов и в нелинейном преобразовании частоты света. В этих приложениях вопрос о полноте использования всей выходной мощности ЛПМ является важным и не исследован в достаточной мере.

Существенное улучшение качества излучения достигнуто с применением однопроходных усилителей на парах меди с одним или несколькими каскадами усиления. Однако их удельные характеристики также существенно падают с ростом диаметра и объёма разрядной трубки, а пиковые мощности не всегда удовлетворяют требованиям некоторых практических приложений. Так, существует проблема увеличение пиковой мощности при сохранении средней мощности излучения усилителя на прежнем уровне в лазерных системах нелинейного преобразования частоты излучения. Немаловажным является повышение пиковых мощностей усилителей и для накачки лазеров на красителях, лазерной абляции материалов, применения в нанотехнологиях и для других приложений.

Совершенно неисследованной оставалась проблема создания многопроходных усилителей на парах меди (МУПМ) с одним каскадом усиления. Отсутствовали идеи о способах увеличения удельной пиковой мощности излучения за счёт особого исполнения многопроходных усилителей (как с малым, так и с большим объёмом разрядных камер). Не рассматривались схемы устройств на базе МУПМ для нелинейной генерации гармоник излучения и не проводились физические исследования их работы. Отметим, что интерес к преобразованию частоты излучения ЛПМ видимого диапазона связан с возможностью получать ультрафиолетовое излучение сразу во второй гармонике и с широкой областью практического применения таких источников ультрафиолета.

Данная диссертационная работа посвящена экспериментальному и расчётно-теоретическому исследованию физических процессов в лазерных системах (лазеры, усилители) на смеси паров меди с неоном, обоснованию и экспериментальной проверке ряда новых и развитию известных идей, направленных на решение перечисленных выше проблем. Поэтому, тема диссертационной работы является актуальной.

Целью работы являются: экспериментальное и расчётно-теоретическое изучение физических процессов, протекающих в разрядных камерах коаксиальной и цилиндрической конструкции; обоснование возможности достижения высоких удельных выходных характеристик с применением коаксиальных ЛПМ без ограничения увеличения рабочего объёма; поиск экономичного способа быстрой самопрокачки рабочей смеси ЛПМ и оценка возможных параметров излучения прокачных лазеров; разработка и создание многопроходных усилителей на парах меди, реализация предложенного способа повышения пиковой мощности генерации и экспериментальное исследования процессов усиления в МУПМ; исследование нелинейного преобразования многопучкового излучения ЛПМ и создание эффективных источников ультрафиолетового излучения на базе двухпроходного усилителя с повышенной пиковой мощностью.

Задачи научных исследований. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи.

1. Создание физической модели и программ расчёта параметров плазмы импульсно-периодического разряда и выходных характеристик ЛПМ с камерами коаксиальной и цилиндрической геометрии. Учёт в модели большого числа энергетических уровней и спектральных линий, а также использование достаточно полного набора основных элементарных процессов. Учёт выноса энергии спонтанным излучением и амбиполярной диффузией на стенки коаксиальной камеры в условиях неоднородной плазмы. Самосогласованный расчёт кинетических параметров плазмы и мощности, идущей на нагрев газа, температуры рабочего тела и температуры внутреннего цилиндра коаксиальной камеры. В рамках разработки физической модели ЛПМ необходимо было провести:

а) уточнение нульмерного приближения процессов переноса частиц и энергии электронов в плазме, применительно к коаксиальной геометрии разрядных камер;

б) проработку методики учёта реабсорбции линейчатого излучения в неоднородной плазме для коаксиальной геометрии камеры; расчёт вероятностей вылета фотона из цилиндрического и коаксиального объёма плазмы с однородными и неоднородными коэффициентами поглощения; аппроксимацию полученных значений аналитическими выражениями; расчёт эффективной “вероятности” вылета фотона из неоднородной плазмы с привлечением модельных координатных зависимостей коэффициента поглощения и концентрации верхнего уровня.

2. Разработка аналитических методик расчёта тепловых характеристик рабочего тела коаксиального ЛПМ и элементов его конструкции с учётом радиационного теплообмена коаксиальных цилиндров и с учётом выноса из плазмы части джоулевой энергии на стенки камеры линейчатым излучением и амбиполярной диффузией. Анализ предельных по перегреву газа энерговкладов в коаксиальных и классических конструкциях камер ЛПМ. Экспериментальное исследование возможности увеличения удельной мощности излучения за счёт применения коаксиальной конструкции ЛПМ.

3. Численное исследование физических процессов в ЛПМ с коаксиальными и цилиндрическими камерами. Расчёт динамики концентраций возбуждённых атомов, спонтанного излучения и анализ процессов, определяющих заселенность уровней. Анализ баланса энергии электронов с учётом спонтанного излучения и амбиполярной диффузии двух сортов ионов.

4. Расчёт и прогнозирование выходных характеристик ЛПМ большой мощности (на уровне 1 кВт) с коаксиальной разрядной камерой. Анализ и сравнение удельных характеристик ЛПМ с коаксиальными и цилиндрическими камерами.

5. Обоснование варианта магнитогазодинамической (МГД) самопрокачки рабочей среды ЛПМ по замкнутому контуру путём наложения внешнего магнитного поля, ориентированного перпендикулярно направлению электрического тока импульсов накачки ЛПМ. Определение (расчётным путём) параметров такого МГД-компрессора и замкнутого контура, позволяющих достичь скоростей потока, при которых за время между импульсами возбуждения рабочая среда полностью сменяется в разрядном промежутке. Анализ перспективы увеличение удельных характеристик ЛПМ за счёт МГД самопрокачки среды. Экспериментальное исследование воздействия МГД перемешивания рабочей среды в коаксиальной камере на параметры излучения ЛПМ.

6. Обоснование способа увеличения пиковых мощностей усилителей на парах меди путем особого исполнения многопроходной схемы усилителя.

7. Разработка схемы и создание двухпроходного усилителя на парах меди с повышенной пиковой мощностью. Экспериментальное исследование возможности увеличения пиковой мощности.

8. Разработка схемы и создание четырёхпроходного усилителя на парах меди. Экспериментальное исследование процессов усиления при большом числе проходов входного импульса.

9. Экспериментальное исследование эффективности нелинейного преобразования частоты излучения ЛПМ с неустойчивым резонатором в параллельных и сфокусированных пучках. Генерация ультрафиолетового излучения (УФИ) с использованием промышленных ЛПМ серии “ Кулон”.

10. Разработка и создание источника многоволнового излучения (включая УФИ) на базе двухпроходного усилителя на парах меди с повышенной пиковой мощностью и высоким качеством излучения. Получение эффективной генерации УФИ на уровне 3 Вт с применением двухпроходного усилителя на парах меди мощностью ~15-20 Вт. Оптимизация оптических схем преобразователя частоты излучения.

Научная новизна

1. Для ЛПМ коаксиальной геометрии разработан новый вариант нульмерного приближения уравнений баланса возбуждённых атомов и баланса энергии электронов. В балансных уравнениях уточнён вид членов, описывающих, приближенно, диффузионное охлаждение электронов, диффузионный уход на стенки заряженных и возбуждённых частиц и поток энергии, уносимой из плазмы вследствие амбиполярной диффузии. Для учёта реабсорбции спонтанного излучения в неоднородной плазме получены новые выражения, описывающие координатную зависимость вероятности вылета фотона q(x,k_oL) из плоского слоя плазмы конечной толщины L для различных модельных представлений коэффициента поглощения k_o(x). Получены зависимости вероятности вылета фотона q(r,k_oR) от координаты r при любых оптических плотностях (10⁹k_oR0) и k_o(r)=const для цилиндрического и коаксиального объёма. Представлены формулы, аппроксимирующие численные значения эффективной “вероятности” вылета фотона q_эф из неоднородной плазмы для модельных зависимостей n_k(x) (концентрация атомов в верхнем возбуждённом состоянии) и k_o(х).

2. В численных экспериментах детально рассмотрена динамика концентраций частиц и излучения. Показано, что в ЛПМ при средних и больших энерговкладах значительная часть энергии спонтанного излучения выносится из плазмы в период ее релаксации, что обусловлено рекомбинационным заселением верхних уровней атома меди с последующим спонтанным расселением на нижележащие уровни.

3. Расчетная модель не только приводит к двум характерным временам спада концентраций метастабильных уровней меди n_м в межимпульсный период, но и впервые описывает появление вторых максимумов в зависимостях n_м(t) в процессе рекомбинации плазмы, что согласуется с экспериментальными данными. Дано объяснение такой динамики концентраций.

4. Разработана аналитическая модель для комплексного расчёта теплофизических параметров рабочего тела и элементов конструкции ЛПМ коаксиального типа с учётом выноса части энергии из плазмы линейчатым излучением и амбиполярной диффузией на стенки разрядной камеры лазера и с учётом лучистого теплообмена между коаксиальными цилиндрами.

5. Численными экспериментами показано, что в коаксиальных разрядных камерах большого объёма (десятки литров) можно осуществлять высокие погонные (50-70) кВт/м и удельные (1,5-3,5) Вт/см³ энерговклады без перегрева рабочей среды. Подтверждена также возможность достижения значительных удельных мощностей лазерного излучения (~0,1 Вт/см³), по сравнению с обычными лазерами того же объёма.

6. Рассмотрена идея быстрой самопрокачки рабочего тела ЛПМ через разрядную камеру по замкнутому контуру с использованием электрического разряда, возбуждающего среду лазера, путём наложения внешнего магнитного поля перпендикулярно вектору тока. Разработана физическая модель такой самопрокачки рабочего тела ЛПМ. Экспериментально продемонстрирована возможность реализации замкнутого потока рабочей среды в коаксиальной разрядной камере ЛПМ с помощью пондеромоторной силы при наложении продольного магнитного поля перпендикулярно радиальному току накачки лазера. В экспериментах показано, что перемешивание рабочей среды в такой коаксиальной камере существенно увеличивает удельную мощность генерации ЛПМ.

7. Предложен способ увеличения пиковой мощности импульсов излучения с использованием многопроходных схем усилителей на парах меди и дана качественная физическая модель их работы.

8. Разработаны оригинальные схемы двухпроходного и четырёхпроходного усилителей на (r-m) переходах атомов меди и впервые созданы экспериментальные макеты.

9. Впервые, по предложенной схеме, успешно реализован двухпроходный вариант усилителя на парах меди со средней мощностью излучения 2225 Вт и получен эффект увеличения пиковой мощности в 2,2 раза.

10. Экспериментально исследован характер усиления излучения в многопроходных усилителях на (r-m) переходах атомов меди. Выявлена роль различных физических процессов, влияющих на увеличение пиковой мощности излучения усилителя.

11. Впервые реализована эффективная схема источника УФИ на базе двухпроходного усилителя на парах меди (ДУПМ), импульсы генерации которого имели повышенную пиковую мощность.

Научная и практическая ценность работы.

1. Развитая в работе физическая модель ЛПМ позволяет учесть специфику коаксиальной геометрии и корректно решить тепловую задачу, полнее и детальнее описывает спонтанное излучение. Полученные формулы для вероятностей вылета фотона имеют самостоятельное научное значение для широкого круга задач низкотемпературной плазмы, в частности, в одномерных задачах. Модель и программу расчёта можно использовать для численных исследований процессов, протекающих в рабочей среде лазеров на парах других металлов (Pb, Au и т.п).

2. Результаты численных исследований кинетических и тепловых процессов в плазме ЛПМ с коаксиальной камерой большого объёма показали возможность реализации физических условий и удельных энергосъёмов, характерных для лазера с трубкой небольшого диаметра и объёма. Они могут быть использованы при создании и исследовании опытных образцов коаксиальных ЛПМ с выходными мощностями на уровне в 1 кВт.

3. Результаты численных исследований, обосновывающих возможность предложенной магнитогазодинамической самопрокачки рабочего тела, представляют интерес для разработок мощных прокачных ЛПМ с большим удельным энергосъёмом ~(50-100) мкДж/см³.

4. Результаты экспериментального исследования явлений в двух- и четырёхпроходных схемах усилителей важны для понимания и анализа физических процессов усиления на самоограниченных переходах, протекающих в рабочих средах МУПМ, ЛПМ и других r-m лазерах с большим коэффициентом усиления.

5. Рассматриваемые МУПМ могут быть востребованы в различных технологических применениях, где требуется высокая пиковая мощность импульсов излучения (при сохранении средней мощности на прежнем уровне), например, в системах нелинейного преобразования частоты света и в других устройствах.

6. Результаты цикла экспериментальных исследование нелинейного преобразования частот излучения ЛПМ с неустойчивым оптическим резонатором были использованы в ООО “НПП “ВЭЛИТ” при разработке и создании опытного образца промышленного лазера “KULON-10Cu-UV”, генерирующего излучение в видимом и ультрафиолетовом диапазоне.

7. Результаты экспериментальных исследований по нелинейному преобразованию излучения двухпроходного усилителя на парах меди с повышенной пиковой мощностью подтверждают возможность создания эффективных промышленных источников УФ излучения на уровне 3-5 Вт с использованием маломощных (и сравнительно недорогих) серийных активных элементов типа LT-10Cu, LT-30Cu и др.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Физическая модель расчёта параметров плазмы и выходных характеристик электроразрядного импульсно-периодического лазера на парах меди с камерами коаксиальной и цилиндрической геометрий, включая:

2. • • вариант нульмерного приближения уравнений баланса возбуждённых атомов, ионов и баланса энергии электронов;

     • методику учёта реабсорбции спонтанного излучения в неоднородной плазме с применением новых формул для вероятности вылета фотона;

     • результаты численного расчёта вероятностей вылета фотона с использованием модельных зависимостей концентраций возбуждённых атомов и коэффициента поглощения.

3. Аналитическая модель для комплексного расчёта теплофизических параметров рабочего тела и элементов конструкции ЛПМ с изолированной коаксиальной вставкой с учётом лучистого теплообмена между цилиндрами и выноса части энергии из плазмы спонтанным излучением и амбиполярной диффузией на стенки. Расчёты предельных по перегреву газа погонных и удельных вкладываемых мощностей.

4. Результаты численного исследования роли различных кинетических процессов, протекающих в плазме коаксиальных и обычных ЛПМ и их влияния на выходные характеристики лазера (большие и средние энерговклады), в том числе:

5. • • особенности динамики концентраций возбуждённых атомов и спонтанного излучения в период возбуждения и релаксации плазмы;

     • уточнённый расчёт доли энергии спонтанного излучения и амбиполярной диффузии, уносимой на стенки камер. Влияние этих процессов на баланс энергии электронов;

     • влияние рекомбинационного потока на динамику спонтанного излучения, на динамику концентраций высоколежащих и метастабильных уровней меди и на предимпульсные значения концентрации метастабилей;

     • результаты численных расчётов, показавших возможность достижения высоких абсолютных и удельных характеристик генерации ЛПМ с коаксиальными камерами большого объёма.

6. Расчётное обоснование предложенной концепции создания ЛПМ с быстрой самопрокачкой рабочей смеси по замкнутому контуру путём наложении сильного магнитного поля на ток накачки с целью увеличения удельных выходных характеристик ЛПМ большой мощности. Результаты расчёта достигаемых скоростей потока. Результаты первых экспериментов по вращению рабочей среды пондеромоторной силой в коаксиальном ЛПМ.

7. Способ увеличения пиковой мощности излучения импульсно-периодических усилителей на парах меди с использованием особых многопроходных схем. Качественная физическая модель их работы и экспериментальное обоснование способа, в том числе:

8. • • эффект увеличения пиковой мощности излучения (без существенного изменения удельной средней мощности);

     • результаты цикла экспериментальных исследований процессов усиления мощности и энергии импульса излучения в двухпроходной и четырёхпроходной схемах усилителя;

9. Разработка эффективного двухпроходного усилителя на парах меди с удвоенной пиковой мощностью для практических применений.

10. Результаты цикла экспериментальных исследований по нелинейному преобразованию частот излучения усилителя на парах меди с повышенной пиковой мощностью:

11. • • разработка источника УФИ на базе двухпрохного усилителя и нелинейных кристаллов DKDP и ВВО, оптимизация и опробирование различных схем формирования геометрии пучка излучения, направляемого в кристаллы, с применением сферической и цилиндрической оптики;

      • результаты экспериментальных исследований эффективности и мощности генерации вторых гармоник и суммарной частоты излучения в предложенной и реализованной схеме источника УФИ.

12. Результаты цикла экспериментальных исследований нелинейного преобразования частот многопучкового излучения ЛПМ с неустойчивым резонатором:

13. • • • результаты экспериментальных исследований эффективности и мощности генерации суммарной частоты на кристалле DKDP в параллельных пучках и с острой фокусировкой излучения в кристалл;

        • результаты экспериментальных исследований эффективности и мощности генерации вторых гармоник и суммарной частоты на кристалле ВВО и DKDP с применением промышленного ЛПМ серии “Кулон”.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на: IV^й Международной конференции “Лазеры и их применение “, (ГДР, Лейпциг, 1981); Всесоюзном семинаре “Лазеры на парах металлов и их применение”, (РГУ, Ростов-на-Дону, 1985); VI^й Всесоюзной конференции “Оптика лазеров”, (ГОИ, Ленинград 1990); Tenth Inter. Symp. on Gas Flow and Chemical Lasers, (Bellinghamp, USA, 1994); II^й Международной конференции Импульсные Лазеры на Переходах Атомов и Молекул (ИЛПАМ’95), (Томск, 1995); III^й Международной конференции ИЛПАМ’97, (Томск, 1997); Всероссийском симпозиуме “Лазеры на парах металлов и их применение”, (Новороссийск, 1998); IV^й международной конференции “AMPL’99”, (Томск, 1999); VII^й Международной конференции «Лазерные и лазерно-информационные технологии: фундаментальные проблемы и приложения» (ILLA-2001), (Шатура- ВлГУ, Владимир, 2001); Всероссийском симпозиуме “ЛПМ-2002”, (п. Лоо, 2002); Всероссийском симпозиуме “ЛПМ -2004”, (п. Лоо, 2004) ; Всероссийском симпозиуме “ЛПМ – 2006”, (п. Лоо, 2006); Всероссийском симпозиуме “ЛПМ – 2008”, (п. Лоо, 2008); XVIII International Conference “Lasers in Science, Technology, Medicine”, (Адлер, 2007); XIX International Conference “Lasers in Science, Technology, Medicine”, (Адлер, 2008); VI^й Всероссийской конференции "СИСТЕМЫ ДЗЗ'2009", (Адлер, 2009).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 52 научных работы, в том числе: 23 статьи в рецензируемых журналах из перечня ВАК, 1 монография (в соавторстве), 1 свидетельство и 3 патента на изобретения, 2 препринта и 1 статья в сборнике, 20 докладов, тезисов в трудах симпозиумов и конференций.

Личный вклад автора состоит в постановке задач исследований и непосредственном участии в проведении (вместе с соавторами) всех перечисленных в диссертации экспериментальных и расчётно-теоретических работ; в анализе, обобщении и объяснении полученных результатов. Автором разработана физическая модель коаксиального ЛПМ, развита методика учёта реабсорбции излучения в неоднородной плазме и получены расчётные формулы. Сформулирована концепция самопрокачного ЛПМ. Предложен и реализован в экспериментах способ увеличения пиковой мощности усилителей на парах меди. Совместно с соавторами предложены, созданы и исследованы эффективные источники ультрафиолета.

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из ведения, шести глав, заключения, приложения. Общий объём – 332 страницы, включая 22 таблицы, 122 рисунка, 24 страницы приложений и список литературы из 312 наименований, из них 52 работы автора.

Похожие диссертации на Экспериментальное и расчетно-теоретическое исследование физических процессов в лазерных системах на парах меди с целью улучшения удельных выходных характеристик

Исследование динамических характеристик процесса записи голограмм в самопроявляющихся системах на основе дихромированного желатинаНеупокоева Анна Валерьевна

Исследование статистических характеристик процесса распространения излучения в сильнорассеивающей среде для создания алгоритма оптической диффузионной томографии Кравценюк Ольга Вячеславовна

Исследование процессов конденсации изотопов водорода в лазерных мишенях и разработка устройств для бесконтактной доставки криогенных мишеней в фокус оптической системы лазерной термоядерной установкиОсипов, Игорь Евгеньевич

Улучшение характеристик излучения твердотельных лазеров методом компенсации термических искажений резонатора с использованием высокоэффективных активных сред и систем накачкиМикерин Сергей Львович

Улучшение квантовых характеристик излучения лазера с трехуровневой активной средой в каскадных схемах Ершов Георгий Радиевич

Исследование характеристик генерации индукционного УФ азотного лазераЧуркин Дмитрий Сергеевич

Исследование оптических характеристик асимметричных селективных интерферометров Лопатин Александр Иосифович

Исследование спектроскопических характеристик многозарядных ионов методом релятивистской теории возмущений с модельным нулевым приближениемИвано, Е.П.

Исследование зависимости характеристик лазерной импульсной абеляции биотканей от их спектральных свойствЕсеналиев, Ринат Орозбекович

Экспериментальные исследования микрофизических характеристик антропогена аэрозолей в системе лазерного контроля атмосферыНасекин, Геннадий Степанович