Введение к работе
.'
Диссертация посвящена исследованию различных типов лазеров на оамобграниченных переходах атомов металлов-, импульсных лазеров на парах"металлов и на парах галогенидов металлов и нескольких типов непрерывных лазеров, отличающихся друг от друга способом создания инверсии населенностея лазерных уровней. Кроме того, в диссертации большое внимание уделено изучению высоковольтного им-пульсно-периодического разряда, нашедшего в настоящее время наибольшее применение для возбуждения импульсно-периодических лазеров ча самоограниченннх переходах.
Основная часть диссертации является экспериментальной и включает в себя результаты как физических, так и численных экспериментов. Результаты первых из них использовались для выявления основных процессов, протекающих в активной среде импульсно-периодических лазеров и определяющих характеристики их генерации, и для проверки корректности математических моделей, используемых в расчетах характеристик импульсно-периодических и непрерывных лазеров. Основная цель численных экспериментов заключалась в решении задач, практически неразрешимых с помощью физического эксперемента, а именно - в анализе влияния большого числа параметров, изменяемых в широких диапазонах, на мощность генерации и коэффициент полезного действия СКПДЭ импульсно-периодических лазеров и в поиске оптимальных режимов их работы.
Кроме того, в диссертации приводятся результаты аналитических решений задач о энергетических характеристиках моноимпульсных и. некоторых типов непрерывных лазеров на самоограниченных переходах атомов металлов. Эти рес/льтаты не только дают наглядное представление о роли тех 'или иных факторов или элементарных процессов в кинетике генерации, по и позволяют с достаточной для практики точностью рассчитывать энергетические характеристики вышеназван- ных лазеров.
Актуальность работы обусловлена необходимостью решения как научных, так и практических проблем.
Во-первых, необходимостью изучения физики широкого класса лазеров, объединенных названием "лазеры на оамоограниченных переходах. "
Во-вторых, необходимостью исследования мало из^енного высоковольтного импульсно-периодическогосно разряда, на-
шедшего в настоящее время широкое применение для возбуждения лазеров на самоограниченных переходах.
В-третьих, необходимостью разработки высокоэффективных им-пульсно-периодических лазеров на самоограньченных переходах атомов металла с практическим КПД на уровне предельно возмоаных значений и со средними мощностями генерации от нескольких ватт до нескольких сотен ватт. Область апробированных применений таких лазеров чрезвычайно широка: скоростная фотография, проекционное телевидение и микроскопия, криминалистика, подводные исследования, микрообрабатка материалов, измерения скорости частиц, морская навигация, лазерная батиметрия, зондирование атмосферы, накачка лазеров на красителях, лечение ряда онкологических и сосудистых заболеваний, контроль области взаимодействия различных энергетических потоков с веществом, разделение изотопов и т,д.
В-четвертых, необходимости создания эффективных непрерывных лазеров на самоогракиченных переходах атомов металлов, область применения которых будет, по-видимому, не менее широкой, чем очерченая выше область применения импульсно-периодических лазеров.
Цель работы заключалась:
- в исследовании высоковольтного импульсно-периодического
разряда в смесях инертных газов с. парами металлов и гаяогенидов
металлов и в изучении основных процессов, определяющих кинетику
генерации в импульсно-пер"одических лазерах на самоограниченных
переходах атомов металлов;
в определении предельных значений КПД и мощностей генерации импульсно-периодических лазеров на парах металлов й на парак их галогенидов и в анализе условий создания лазеров с генерационными характеристиками близкими к предельным;
в поиске новых способов получения непрерывной генерации на самоограниченных переходах атомов металлов, в создании соответствующих лазеров и в их исследовании.
Научная новизна работы определяется тем, что в ней впервые:
- проведено комплексное экспериментальное исследование харак
теристик разряда, параметров плазмы и временной эволюции спектра
генерации в импульсно-периодических лазерах на самоограниченных
переходах атомов металлов к аналитически решена задача о характе
ристиках импульса генерации ионокмпульсных яазеров на самоограни-
зеиных переходах атомов металлов;
численными методами изучен» "влияние радиальной неоднород-яостя предымпульснкх параметров плазмы на характеристик!' генерали яштуяьсяо-'периодическах лазеров на парах меди; найдены диапазона дияяетров ГРТ, давящий неона и частот следования импульсов возбуждения, оптимальних для получения максимальных средних и удельных средних «ющяостей тенерации с одной ГРТ;
в результате экспериментального и численного исследований выявлены осво&ше -процессы, определяющие релаксации параметров плазмы в лазерах на парах галогенидов меди, возбуждаемых сдвоенными «вкгаульсаш; численно проанализирована временная эволюция радиальных распределений концентраций атомов меди и молекул гшегаада "йєди в импульсно-периодическнх лазерах;
- тлзедлозшнн схемы столкновительного лазера на самоограничен
иях переходах атомов «еталла с оптической накачкой и электрон-
ио-столкновитель"ного лазера, в котором расселение нижнего лазер
ного уровня осуществляется в континуум электронным ударом; расчи-
таны генерационные характеристики таких лазеров на парах различ
ных металлов; по схеме электоонно-столкновительного лазера полу
чена генерация в парах бария и кальция и измерены ее характерис
тики.
Совокупность результатов исследований импульсно-периодичес-кого разряда можно квалифицировать как крупное достижение в обпасти физики и химии плазмы. Совокупность результатов исследований непрерывных лазеров на самоограниченных переходах атомов металлов позволяет говорить о новом направлении в области лазерных исследований и разработок - эяектронно-столкновительных лазерах.
Практическая значимость работы
1. Впервые. определены условия работыt
нмпульсно-периодических лазеров на парах меди, обеспечивающие
либо максимальную средние мощность .генерации с одной ГРТ, либо
максимумальную удельную среднюю. мощность генерации и суммарный
физический КОД на уровне 8-10. Установлено, что переход к
модульным конструкциям лазеров на парах меди с ГРТ диаметром
около и менее 4 мм позволит создать лазеры со средней мощностью
генерации на уровне сотен ватт и с практическим КПД на уровне
5-8%.
2. Результаты измерений эволюции спектра индуцированного из
лучения лазеров на' самоогракичвнных переходах атомов металлов
имеют значение при практическом использовании излучений этих лазеров для оптического возбуждения атомных и молекулярных газових сред, лазерном разделении изотопов, в голография, при разработке мощных лазерных систем, работающих по схеме генератор-усилитель.
3. Разработка конструкций непрерывных лазеров, получение квазинепрерквной генерации в парах бария и кальция, определение условий получения непрерывной генерации в парах других металлов создает практические предпосылки для разработки коммерческих образцов электронно-столкновительных лазеров.
На защиту выносятся:
результаты измерений электрических характеристик Синдуктивность и изменяющееся во времени сопротивление) разряда в лазере на самоограниченных переходах атомов металлов (лазеры на парах меди и парах галогенидов меди) и положение об отрицательном влиянии на характеристики генерации импульско-периодических лазеров на парах металлов тока перезарядки накопительного конденсатора;
результаты' измерений температуры газа в ГРТ импульско-периодических лазеров на парах меди и положение о том, что распределение среднего по времени знерговклада в разряд является неоднородным по его сечению;
результати измерений температуры и концентрации электронов в импульско-периодических лазерах на парах металлов Ссащразог-ревные лазеры на парах чеди и свинца, ишульсно-периодический разряд в смесях паров радмуга с гелием или неоном) и положение о том, что в ишуяьсно-лериодических лазерах на парах металлов за время импульса возбукдения имеет место суаественно неоднородная по сечению ГРГ ионизация атомов металла и что в типичных условиях работы лазеров на аарах металлов практически вся энергия, вводимая в разряд за.время импульса возбуждения, расходуется на ионизацию атомов металла;
результаты измерений концентрации атомов кеда в прйосевои зоне ГРТ в условиях преобладания восстановления этой концентрации в результате объемной рекоибкяацки ионов меди по сравнение о ее восстановлением аа счет диффузии атомов меди со стенки ГРТ и положение о том, что в указанных условиях неоднородность предым-пуяьсного распределения Концентрации атомов меди в основном состоянии кохет существенно превышать неоднородность, обусловленную нагревом газа;
результаты исследований временной эволюции индуцированного
излучения лазеров на самоограничениях переходах атомов металлов С медь и марганец!) и положение о том, что указанная эволюция, сопровождающаяся формированием пичкоьой структуры импульсов индуцированного излучения, связана со сверхтонким расщеплением лазерных уровней;
- результаты анализа устойчивости работы тиратронов в схемах
возбуждения лазероз на парах металлов и положение о том, что в
существующих лазерах на парах меди в области оптимальных по
средней мощности генерации давлений неона преобладающими потерями
энергий з тиратронах являются послеимпульсные потери;
аналитическое решение задачи о характеристиках импульса генерации лазеров на самоограниченкнх переходах-атомов металлов и результаты расчета энергетических характеристик лазеров на парах меди;
результаты численного анализа влияния радиальной неоднородности предымпульсных параметров плазмы на характеристики генерации йкпульсно-периодических лазеров на парах кеди и положение о том, что указанная неоднородность может приводить к уменьшению физического КПД и удельной энергии генерации таких лазеров в 2 -3 раза по сравнению с лазерами, работавшими в моноимпульсном режиме;
результаты численного анализа характеристик генерации им-пульсно-периодических лазеров на парах меди, проведенного как в приближении однородного, так и неоднородного радиальных распределений .предымпульсных параметров плазмы и положение о том, что оптимальними для получения максимальных средних мощностей генера1 ции с одной ГРТ являются ГРТ диаметром drp^ > 5 см и частоты следования импульсов Г на уровне нескольких килогерц, а для получения максимальных удельных средних мощностей генерации и физического КПД около '8 - 10% необходимо использовать ГРТ диаметром dppT < 4 км и частоту f > 100 кГц;
результаты анализа механизма гибели атомов меди в межимпульсный интервал времени в лазерах на парах галогенидов меди, возбуждаемых сдвоенными импульсами, и положение о том, что в названных лазерах объемная рекомбинация атомов меди в основном протекает через образование промежуточного нестабильного комплекса атом меди - молекула галогенида с- последующей стабилизацией этого комплекса в соударениях с атомами буферного газа;
результаты измерений концентрации электронов в лазерах на парах галогенидов меди, возбуждаемых сдвоенными импульсами;
результаты численного анализа релаксации параметров плазмы в межимпульсный интервал времени в лазерах на парах галогенидов меди, возбуждаемых сдвоенными импульсами, и положение о том, что в лазерах такого типа процесс диссоциативниго прилипания электронов к молекулам иоднда и бромида меди не оказывает существенного влияния на кинетику релаксации концентрации глектронов, а в балансе энергии электронов существенную роль играет их подогрев в процессе рекомбинации атомов меди и молекул галогенида, приводящий при высоких концентрациях молекул к росту температуры электронов в конце межимлульсного интервала времени;
результаты численного анализа эволюции радкалышк распределений концентраций атомов меди и молекул галогенада иеди & ш-пульсно-периодических лазерах на парах галогенидов цедк;
схемы столкновительного лазера на самоограниченных перекодах с оптической накачкой и электронно-столкновктельного пааера, в котором расселение нижнего лазерного уровня осуществляете* электронным ударом в вышележащие состояния и в континуум, и результаты расчета характеристик генерации таких лазеров;
- результаты экспериментального исследования адектрои-
но-столкновителышх лазеров на самоограниченных переходах атошов
Ва и Са.
Апробация работы и публикации Основные результаты работы былс представлены на IV Всеоовэ-ноы семинаре "Газовые лазеры да парах химических элементов" (Ростов-на-Дону, 1977 г.3; на II Всесоюзном семинаре "Физкчвские процессы в ОКГ" (Ужгород, 1978 г.Э; на IX Всесоюзной конференции ас когерентной и нелинейной оптике (Ленинград, 1979 г,); на V Вовсо" пзном симпозиуме по распространен»:.! лазерного излучения в атмосфере (Томск, 1979 г.}; на X Сибирском совещании по спехтроскопш (Томск, 1981 г.З; на Всесоюзном пеминаре "Лазеры на парах метай' лов и их применение" (Новороссийск, 1981, 1982, 198S гг. Э; Ні XIII и XV Международных конференциях "Явления в ионизованных га1 зах" (Берлин,1977 г., Минск, 1981 г.); на международных конферен циях "Лазеры-82" (Новый Орлеан, 1982 г.) и "Лааеры-83" (Сан-Фран циско, 1983 г.); на V Всесоюзной конференции "Оптика лазеров (Ленинград, 1984 г.); на Всесоюзном совещании "Инверсная заселен ность и генерация на переходах в атомах и молекулах" (Томск, 19Э г.); на III Всесоюзной конференции по физике газового разряд (Киев, 1985 г.); на рабочем совещании "Активные среды плазменкы
и гаэоразряднык лазеров" (Гродно, 1987 г.); на семинаре "Лазеры на парах металлов и их применение" (Новороссийск, 1989 г.).
Основное содержание padom изложено в 49 публикациях, перечень которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации Диссертация состоит из предисловия, введения, девяти глав, заключения и Приложения. Объем основной части составляет 467 страниц, в том числе 157 рисунков и 29 таблиц. Приложение содержит 66 страниц, в том числе 13 рисунков и з таблицы. Списки литературы к основной части и приложению состоят соответственно из 311 и 43 наименований.
