Введение к работе
Актуальность темы
Наилучшими энергетическими характеристиками среди лазеров на самоограниченных переходах атомов металлов в настоящее время обладают лазеры на парах меди (ЛПМ) и ее соединений. Их отличает высокая средняя мощность излучения (единицы – сотни Вт) в видимой области спектра, короткая длительность импульса генерации (единицы – десятки нс), высокая частота следования импульсов (единицы – сотни кГц), большие усиления активной среды (10–100 дБ/м), относительно низкая энергия в импульсе (0,1–100 мДж) и, наоборот, высокая пиковая мощность (10–1000 кВт), близкая к дифракционной и дифракционная расходимость пучка. Благодаря уникальной совокупности выходных характеристик, они применяются для решения большого круга научных и практических задач, связанных с лазерным разделением изотопов, микрообработкой материалов, лазерной фотохимией, лазерным зондированием атмосферы и т.д.
Стремление к получению высоких энергетических и эксплуатационных характеристик лазеров на парах меди привело к возникновению и развитию нескольких разновидностей лазеров, использующих в качестве рабочих переходов самоограниченные переходы атома меди. Одним из таких лазеров является лазер на парах бромида меди.
Присутствие активных примесей (H2, HBr, HCl и др.) в активной среде CuBr-лазеров ускоряет процессы релаксации и рекомбинации плазмы в межимпульсный период и способствует повышению оптимальных и максимальных частот следования импульсов (ЧСИ). Это позволяет существенно повысить энергетические характеристики лазеров (средняя мощность, кпд), а также расширить частотный диапазон работы, в частности достичь высоких уровней средней мощности генерации при повышенных ЧСИ. Однако активные примеси чаще всего являются агрессивными по отношению к материалу электродов и их использование приводит к снижению срока службы активных элементов. Это особенно важно при использовании отпаянных активных элементов.
В связи с этим актуальными задачами являются разработка и исследование конструкции активного элемента, в которой бы отсутствовал непосредственный контакт материала электродов с газовой средой. Такую возможность может дать разряд с внешними электродами, в частности продольный емкостный разряд. Емкостный тип разряда используется для возбуждения газовых лазеров (CO2-лазер, ионные лазеры и др.), эксиламп и в других приложениях. Вместе с тем он не применялся ранее для накачки лазеров на самоограниченных переходах в парах металлов, поэтому представляет интерес рассмотреть возможность использования данного типа накачки для указанного класса лазеров.
Цель работы
Целью настоящей работы является изучение возможности создания лазеров на самоограниченных переходах с накачкой продольным емкостным разрядом и анализ особенностей такого типа накачки относительно обычного импульсно-периодического режима накачки с внутренними электродами (на примере лазера на парах бромида меди).
Для этого необходимо решить следующие задачи:
Исследовать энергетические характеристики CuBr-лазера с традиционной накачкой импульсно-периодическим разрядом, с внешним нагревом активной зоны.
Исследовать методом цугов процессы релаксации и накопления меди в плазме обычного разряда CuBr-лазера.
Исследовать возможность реализации нового типа накачки активной среды лазеров на самоограниченных переходах – емкостным разрядом.
Исследовать оптические и энергетические характеристики CuBr-лазера с накачкой емкостным разрядом и сопоставить их с аналогичными, полученными при традиционной накачке, в том числе при повышенных частотах следования.
Исследовать влияние активной примеси HBr на выходные параметры CuBr-лазера с емкостной накачкой.
Рассмотреть возможность создания отпаянного активного элемента CuBr-лазера с накачкой емкостным разрядом.
Методы исследования
Для решения поставленных задач использовались в основном экспериментальные методы исследования оптических и электрических характеристик плазмы импульсно-периодического разряда и генерации в лазерах на парах металлов. В отдельных случаях проводились численные и оценочные расчеты.
Научная новизна
-
Впервые реализована накачка лазеров на самоограниченных переходах в парах металлов продольным емкостным разрядом и получена генерация в парах бромида меди, бромида марганца и бромида свинца.
-
На примере CuBr-лазера показано, что введение добавки HBr в активную среду CuBr-лазера с возбуждением емкостным разрядом оказывает положительное влияние на среднюю мощность излучения и кпд. При этом в отличие от традиционной накачки увеличение энергии в импульсе генерации при введении добавки HBr происходит за счет увеличения амплитуды импульса генерации, а не его длительности.
-
По результатам исследования цугового режима накачки CuBr-лазера определена константа скорости ухода меди в послесвечении разряда, которая составила (57)103 с–1.
4. Впервые для лазеров на самоограниченных переходах в парах металлов, работающих в режиме регулярных импульсов, реализована (на примере лазера на парах бромида меди) частота следования импульсов излучения 400 кГц.
Защищаемые положения
-
Для накачки лазеров на самоограниченных переходах, наряду с традиционным импульсно-периодическим тлеющим разрядом с внутренними электродами, может быть эффективно использован емкостный тип разряда с внешними электродами.
-
Накачка лазерных уровней при возбуждении емкостным разрядом происходит в течение заряда (разряда) электродных емкостей, величина которых определяет энерговклад в разряд.
-
Введение добавки HBr в количестве 0,10,3 торр в активную среду CuBr-лазера, возбуждаемого емкостным разрядом, позволяет в 2 раза и более повысить среднюю мощность генерации и кпд, однако положительное влияние добавки проявляется при энерговкладе, превышающем некоторое пороговое значение, которое определяется геометрией газоразрядной трубки и используемой схемой накачки.
Достоверность результатов работы
Научные положения и выводы, сделанные в диссертации, следуют из адекватности и надежности используемых экспериментальных методов и средств, подтверждаются хорошей повторяемостью экспериментальных результатов, а также непротиворечивостью опубликованным ранее результатам других авторов.
Практическая значимость
-
Разработана конструкция активного элемента лазера на парах бромида меди с внешним нагревом, которая защищена патентом РФ на полезную модель.
-
Предложен способ возбуждения лазеров на самоограниченных переходах в парах металлов емкостным разрядом и разработан активный элемент лазера на парах галогенида металла для данного типа накачки.
-
Получены практически значимые уровни мощности генерации и кпд в CuBr-лазере с накачкой емкостным разрядом. Созданы действующие образцы лазеров на парах бромида меди и бромида марганца с возбуждением емкостным разрядом со средней мощностью 3,7 и 0,3 Вт соответственно.
-
Результаты исследования цугового режима накачки CuBr-лазера могут быть использованы в прикладных задачах по оперативному управлению излучением лазера.
Личный вклад автора
Личный вклад автора состоит:
– в изготовлении источников накачки лазеров и подготовке активных элементов к проведению исследований,
– проведении экспериментальных исследований,
– обработке полученных экспериментальных данных.
Постановка задач исследований, анализ полученных данных осуществлялись совместно с научным руководителем. Результаты, составившие основу защищаемых положений, получены лично автором, либо при его определяющем участии.
В работе, на разных ее этапах, участвовали сотрудники ИОА СО РАН В.Б. Суханов, В.Ф. Федоров, Д.В. Шиянов, студенты Томского политехнического университета.
Апробация результатов работы
Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на следующих конференциях и симпозиумах:
-
XVI, XVII симпозиумах «Лазеры на парах металлов», г. Ростов-на-Дону, 2006, 2008.
-
XVI International Symposium on Gas Flow and Chemical Lasers & High Power Laser Conference. Gmunden, Austria, 2006.
-
XVII International Symposium on Gas Flow and Chemical Lasers & High Power Lasers. Lisbon, Portugal, 2008.
-
VII, VIII International Conference «Atomic and Molecular Pulsed Lasers» – AMPL. Tomsk, Russia, 2005, 2007.
-
V, VI International Siberian Workshop and Tutorials on Electron Devices and Materials – EDM. Novosibirsk, Russia, 2004, 2005.
-
X, XI, XII, XIII, XIV Международных научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии». Томск, 2004–2008.
-
Международной конференции «Лазеры, измерения, информация – 2006». Санкт-Петербург, 2006.
-
На семинарах лаборатории квантовой электроники ИОА СО РАН и кафедры промышленной и медицинской электроники ТПУ.
Результаты исследований включены в отчеты по грантам Минобрнауки: научная отраслевая программа «Развитие научного потенциала высшей школы» на 2005 г., раздел «Университеты России», проект ур. 01.01.410 «Лазеры на парах металлов с модифицированной кинетикой. Исследование физических процессов, определяющих достижимые частоты следования импульсов и эффективность генерации»; аналитическая ведомственная целевая программа «Развитие научного потенциала высшей школы (2006– 2008 гг.)», проект РНП.2.1.1.5450 «Лазеры на парах металлов с модифици-6
рованной кинетикой», а также в отчеты по грантам ИОА СО РАН и ТПУ для молодых ученых.
Основные результаты, включенные в диссертацию, представлены в 6 статьях, опубликованных в рецензируемых изданиях, и одном патенте РФ на полезную модель. Общее число публикаций по теме – 25.
