Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ проблемы. Газовые лазеры непрерывного действия на атомарных переходах занимают заметное место среди многообразия существующих типов лазеров. Широкие перспективы их использования связаны прежде всего с наличием в спектрах атомов инертных газов набора лазерных переходов в видимой и ближайшей ИК областях спектра, попадающих в полосы прозрачности атмосферы и материалов, обычно используемых для изготовления световодов.
Они отличаются простотой конструкции и сравнительно легким достижением одночастотного режима работы, что обеспечивает их эффективное применение для решения задач дистанционного газо-аналиэа и зондирования удаленных объектов. Такие лазеры, как гелий-неоновый, гелий-ксеноновый и гелий криптоновый существе нно расширяют набор длин волн генерации в диапазоне 0,6-4,0 мкм и являются предметом интенсивного изучения. Обычно данный класс лазеров возбуждался разрядом постоянного тока.Продолжительное использование этого типа возбуждения привело к значительному прогрессу в создании лазеров этого типа, однако не смогло снять ограничений, присущих разряду постоянного тока. Например,при достаточно больших давлениях и энерговкладах необходимо считаться с контракцией тлеющего разряда,неустойчивостью плазмы положительного столба за счет увеличения неоднородности в распределении положительного и отрицательного по тенциала по длине канала и собственной реактивности разряда. Использование для поддержания разряда переменного напряжения сравнительно низкой частоты приводит к уменьшению энергетических потерь на балластных резисторах, служащих для компенсации реактивности разряда, но не устраняют проблем,связанных с контракцией разряда и плазменной неустойчивостью / I / ,
Одним из путей,который способствует решению описанных проблем,является переход сверхвысокочастотной (СВЧ) накачке газовых лазеров. Наибольший прогресс здесь достигнут для лазеров,в результате которого созданы лазеры с высокостабильными характеристиками,отличающиеся монохроматичностью,одночастотно-стью,низкими шумами и простотой управления излучением / 2 /.
Для Не-Хе лазера,характеризующегося большим усилием и количеством линий генерации в ближней ИК области,рассмотренные проблемы не решены, хотя существует ряд публикаций,раскрывающих перспективность Не-Хе активной среды,возбуждаемой в том числе поперечным СВЧ ШСВЧ) разрядом / 3 / .
Цель и задачи работы. Настоящая диссертация посвящена :
исследованию физических процессов, в плазме поперечного СВЧ разряда в Ке-Хе среде, возбуждаемой малогабаритным транзисторным СВЧ автогенератором,резонансной системой которого являлась четвертьволновая полосковая линия ,' описанию механизмов поджига и горения, а также получения инверсной населенности в плазме Не-Хе-СВЧ разряда ; созданию одночастного Не-Хе лазера реализующего достоинства данного способа накачки.
В работе поставлены следующие задачи :
комплексное изучение параметров ИСВЧ разряда в смеси гелий-ксенон в длинных тонких капиллярах, включающее в себя определение электрических параметров плазмы и активного элемента лазера, как нагрузки СВЧ автогенератора накачки, с целью выяснения оптимальных условий для поджига ПСВЧ разряда в Не-Хе смеси и возбуждения в ней атомарных линий ксенона ;
получение непрерывной генерации на атомарных переходах ксенона в поперечном СВЧ разряде и оптимизация условий возбуждения генерируемых линий ;
выявление процессов, ответственных за заселение лазерных уровней атомов ксенона ;
определение параметров активного элемента, обеспечиваю-: щих одночастотный режим генерации и максимальный диапазон перестройки частоты излучения ;
исследования факторов, вызывающих нестабильность выходных характеристик и методов их компенсаций для одночастного Не-Хе лазера с поперечным СВЧ возбуждением ;
разработка малогабаритного непрерывного одночастного Не-Хе лазера с поперечным СВЧ возбуждением и управляемыми параметрами.
Научная новизна .полученных в настоящей работе результатов, заключается в следующем :
-
Проведены комплексные исследования поперечного СВЧ разряда в ксеноне и его смеси с гелием ; определены функциональные зависимости электрических и оптических включая радиальные и продольные распределения интенсивностей линий параметров плазмы от режимов согласования с СВЧ автогенератором.
-
Исследованы инверсная населенность и лазерная генерация в плазме,поперечного гелий-ксенонового СВЧ разряда , позволившие установить механизм и критерий работы лазера на одной линии.
-
Установлены зависимости спектральных характеристик излучения Не-Хе лазера с поперечным СВЧ возбуждением от условий в разряде ; получен одночастотный режим излучения на длине волны 3.51 мкм и достигнут диапазон перестройки частоты излучения более 400 МГц с максимальной выходной мощностью в центре контура усиления I мВт.
4.' Исследована нестабильность частоты и мощности излучения Не-Хе лазера с поперечным СВЧ возбуждением и предложены методы пассивной и активной их стабилизации ; достигнута относительная нестабильность мощности излучения 10 за час работы, а частоты 10 за 10" с.
Практическая ценность работы ьаключается :
в получении детальных сведений о пространственном распределении параметров плазмы поперечного СВЧ разряда в Ле-Хе смеси и разработке методики инженерного расчета пробойных СВЧ полей в газах , которые могут быть использованы при исследовании и создании различных активных сред газовых лазеров с данным типом возбуждения ;
в разработке оптимальных методов селекции,стабилизации и управления параметрами излучения лазеров,характеризующихся несколькими линиями генерации и возбуждаемых поперечным СВЧ разрядом ;
создании отпаянного одночастотного малогабаритного малошумяшего Не-Хе лазера с поперечным СВЧ возбуждением,который может найти применение в спектроскопии,а также в преце-зионной аппаратуре лазерного зондирования .
Достоверенность результатов работы подтверждается применением современных экспериментальных методов исследования, дополняющих друг друга ; использованием физических моделей, дающих хорошее согласие с экспериментом ; разработкой отпаянного прибора .
Основные положения, выносимые на защиту :
-
Сверхвысокочастотный поперечный разряд в ксеноне и его смеси с гелием эффективно реализуется с помощью низковольтного транзисторного СВЧ автогенератора и при средних давлениях характеризуется повышенными значениями интенсивности свечения линий в пристеночных областях, величина и пространственное положение которых является функцией мощности накачки и давления газа в активной среде.
-
Низковольтный транзисторный СВЧ автогенератор, резонансной системой которого является четвертьволновая полосковая линия, нагруженная на плазму he-Xe разряда,работает в широком спектре гармоник /сеч = 0Л^~3,3 (ГГи,),
что обеспечивает надежный поджиг и эффективную накачку лазерных уровней в ней.
3. Частотная селекция излучения атомарного газового лазе
ра с поперечным СВЧ разрядом решается путем оптимизации парамет
ров его активной среды и при выполнении условия :
р>ро-еУ1р(О,03,г)
где р- давление смеси, ро=0.3км рт.ст.,
исследуемый лазер работает лишь на длине волны Л = 3,51 мкм.
4. Генерация в плазме ксенонового ПСВЧ разряда обусловле
на различием времени жизни лазерных уровней ксенона, а роль
гелия в активной среде сводится к увеличению средней энергии
электронов, что приводит к росту мощности и достижения оптиму
ма генерации для больших давлений. Инверсная населенность в
плазме ксенонового разряда при отсутствии тушащих процессов
наблюдается для всего диапазона электронных концентраций и
температур, а учёт тушения верхнего лазерного уровня приводит
к срыву инверсии в области Яе=Ю^ 1/куб.сы и Гв = 2х104 К
Апробация работы и публикации. Результаты работы неоднократно докладывались и обсуждались на научн-ных конференциях аспирантов и профессорско-преподавательского состава ТашГУ им. В.И.Ленина(1980-1992) ; Всесоюзном семинаре совещании по проблемам лазерного аэрозондирования поверхности земли (Ташкент,1984) ; 4-ой Всосоюзной конференции по взаимодействию электромагнитного излучения с плазмой (Ташкент,1985); 3-й Междуотраслевой научно-технической конференции по констру-кторско-технологическим проблемам газовых лазеров и устройств на их основе(Рязань,198б); 7-ой Всесоюзной конференции по физике низкотемпературной плазмы(Ташкент,198?) ; Всесоюзном рабочем совещании"Активные среды плазменных и газоразрядных лазеров"(Гродно,1987). По материалам диссертации опубликовано 9-ть печатных работ .
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Она содержит 171 стр..включая 59 рис., 3 таблицы и список литературы из 80 названий .
