Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Литературный обзор
Глава 2. Исследование спектральных и временных характеристик излучения СО-ЭИЯ в режиме свободной генерации 28
2.1. Экспериментальная установка 28
2.2. Оптическая схема и методика измерения спектральных, временных и энергетических характеристик излучения 35
2.3. Пиковая мощность излучения и энергосъем в СО-ЭИЯ при различных уровнях накачки 42
2.4. Спектр излучения СО-ЭИЯ с неселективным резонатором и селективным резонатором, образованным с помощью дифракционной решетки 54
2.5. Спектр излучения С0-ЭИ31 с внутрирезонаторной ячейкой, заполненной парами воды... 72
Глава 3. Исследования спектра усиления активной среды СО-ЭИЯ 86
3.1. Оптическая схема и методика измерения коэффициента усиления слабого сигнала 87
3.2. Динамика усиления активной среды СО-ЭИЯ 95
3.3. Динамика изменения температуры активной среды СО-ЭИЯ. Эффективность возбуждения колебательных уровней в плазме газового разряда III
Глава 4. Электроионизационный лазер на первых обертонах колебательно-вращательных переходов молекулы
4.1. Техника эксперимента и методика измерений 116
4.2. Спектрально-временные характеристики обертонного СО-ЭИЯ 121
4.3. Энергетические характеристики обертонного С0-ЭЮ1 133
Заключение 146
Приложение 143
Литература 157
- Литературный обзор
- Экспериментальная установка
- Оптическая схема и методика измерения коэффициента усиления слабого сигнала
- Техника эксперимента и методика измерений
Введение к работе
Принципиальной особенностью электроразрядных лазеров на колебательно-вращательных переходах основного электронного состояния молекулы окиси углерода, отличающей их от других газовых лазеров, является широкий спектральный диапазон, в котором наблюдается излучение. Эта особенность связана с наличием в возбужденной активной среде одновременно большого числа инвертированных переходов, отличающихся по длинам волн, и каскадным механизмом генерации.
В последнее время наибольшее развитие среди СО-лазеров получили электроионизационные СО-лазеры (СО-ЭИЛ), обладающие рекордно высокими энергосъемом и КПД У I У. Богатство спектра, занимающего область 5-7 мкм (основные частоты) и 2,7 - 3,5 мкм (первые обертонные частоты), в совокупности с высокими энергетическими параметрами делают электроионизационные СО-лазеры весьма перспективными для селективного возбуждения молекул, лазерной химии и т.д.
Настоящая работа явилась продолжением цикла работ по СО-ЭИЛ, ведущихся в Физическом институте им.П.Н.Лебедева АН СССР с 1972 года. За рубежом исследования электроионизационных СО-лазеров проводились в США, в основном в
К моменту начала настоящей работы в 1977 году в лаборатории КР§
ФИАН и в указанных исследовательских центрах был выполнен ряд исследовательских и опытно-конструкторских работ, позволивших создать лазерные установки с высокими энергетическими параметрами У 2-Ю У. В электроионизационных импульсных СО-лазерах удалось получить энергию излучения в 130 Дк при комнатной темпера - 5 туре рабочей среды У 3 У и 1,6 кМ - при температуре Т в 80° К У 9 /, а КЦЦ в охлаждаемых установках превысил 40$ У Z У, что является рекордным для всех газовых лазеров.
Основной целью указанных работ было достижение предельных энергетических параметров СО-ЭИЛ. В экспериментах исследовались именно энергетические характеристики лазера в зависимости от удельной энергии электрической накачки, состава и плотности рабочей смеси. При том, исходя из оценок работы У II У, предполагалось, что выходные параметры лазера зависят практически только от удельной вкладываемой энергии, а не величины мощности накачки. Состояние теории У II-17 У СО-ЭИЛ на момент начала наших исследований было таково, что хорошее качественное согласие теоретических и экспериментальных зависимостей величины КЦЦ и удельной энергии излучения от условий возбуждения наблюдалось лишь для рабочей среды, охлаждаемой до криогенных температур. Теоретический вывод о возможности получения КЦЦ СО-ЭИЛ, равного 40$, при начальной температуре газа 300°К У 18 У не нашел экспериментального подтверждения. Попытка уточнения теории за счет учета изотопического состава окиси углерода У 19,20 У не сняла полностью вопроса о несоответствии расчетных величин КЦЦ с величинами, полученными в экспериментах У 21,22 У.
Последовательный анализ спектральных и временных характеристик излучения импульсного СО-ЭИЛ в зависимости от условий накачки и схемы резонатора до начала нашей работы не проводился, хотя из работ У 4,5 У было известно, что излучение является многолинейчатым, занимает широкий спектральный диапазон, изменение мощности генерации немонотонно во времени и форма импульса излучения имеет некоторые характерные особенности. Необходимость такого анализа помимо практических задач, связанных с возможными применениями СО-ЭИЯ, обусловливалась также резким несоответствием теоретических и экспериментальных данных по спектрально-временным характеристикам излучения. Зарегистрированные спектры излучения располагались в более длинноволновой области, чем это предсказывали теоретические расчеты, само спектральное распределение энергии излучения по колебательно-вращательным переходам было существенно немонотонным. В работах J 23,24 У было выдвинуто предположение, что этот эффект обусловлен наличием резонансного "самопоглощения" излучения молекул окиси углерода в активной среде лазера. Однако экспериментальных работ, в полной мере исследовавших этот эффект, не было. Необходимого для отработки модели электроионизационного СО-лазера исследования генерации на отдельных колебательно-вращательных переходах с использованием внутрирезонаторных элементов (дифракционная решетка, поглощающая ячейка и т.д.) для СО-ЭИЛ также проведено не было.
Таким образом, к моменту начала данной работы спектральные и временные характеристики излучения ЭИ СО-лазера и возможность управления ими практически не были исследованы экспериментально, что с одной стороны затрудняло разработку количественной теории электроионизационного СО-лазера, а с другой - служило препятствием для перехода к следующему этапу работ по СО-ЭИЯ - созданию установок для практических применений.
Основной целью данной диссертационной работы являлось детальное экспериментальное исследование спектрально-временных характеристик излучения импульсного СО-ЭИЛ в режиме свободной генерации и динамики спектра усиления и анализ способов управления этими характеристиками для получения данных, необходимых как для практического использования СО-ЭИЯ, так и для улучшения существующей теории электроионизационного СО-лазера.
Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и приложения.
Первая глава содержит обзорный материал. Приводятся основные положения теории GO-лазеров. Проанализированы существовавшие к началу настоящей работы противоречия между расчетными и экспериментальными данными по СО-ЭИЛ и указаны возможные пути их устранения.
Во второй главе описана методика и техника измерений спектральных, временных и энергетических характеристик импульсов излучения электроионизационного СО-лазера с селективным и неселективным резонаторами. Приведены результаты исследования зависимости выходных энергетических и временных параметров излучения СО-ЭИЛ от режима энерговклада. Показана возможность управления в широких пределах пиковой мощностью излучения СО-ЭИЛ за счет относительно небольшого изменения мощности накачки. Приведены результаты измерения полных колебательно-вращательных спектров излучения СО-ЭИЛ в режиме свободной генерации при использовании различных резонаторов - как неселективных, так и вносящих селективные по спектру потери. Дан анализ полученных результатов и проведено их сравнение с данными теоретических расчетов.
Глава 3 посвящена экспериментальному исследованию динамики спектра усиления охлаждаемого импульсного СО-ЭИЛ. Измерения проводились методом "просвечивания" активной среды. На основе полученных результатов определена функция распределения молекул СО по колебательным уровням. Проанализирована динамика роста поступательной температуры среды во время импульса возбуждения, и по этим данным определена эффективность колебательного возбуждения молекул окиси углерода в плазме газового разряда.
Глава 4 содержит результаты работ по созданию и исследова - 8 нию СО-ЭИЛ на первых обертонах молекулы окиси углерода при использовании селективных резонаторов. Исследовано влияние состава рабочей смеси и мощности возбуждения на временные, спектральные и энергетические параметры лазера на первых обертонах.
В заключении сформулированы основные выводы выполненной работы.
В приложении приведены значения волновых чисел первых обертонов колебательно-вращательных переходов 19 колебательных полос, рассчитанных в ходе выполнения работы по обертонному лазеру.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Для любого состава рабочей среды СО-ЭИЛ при начальной температуре 100°К существует оптимальный режим возбуждения (мощность накачки и длительность импульса возбуждения), обеспечивающий максимальный энергосъем. Изменяя мощность накачки при фиксированном удельном энерговкладе, можно менять в широких пределах (10-20 раз) пиковую мощность излучения без значительного снижения КПД лазера (не более, чем на 10-20$).
2. В условиях, типичных для работы СО-ЭИЛ в режиме свободной генерации, используя резонаторы различных типов, можно получить генерацию в спектральном диапазоне вблизи 5 мкм на нескольких десятках колебательно-вращательных переходов молекулы СО, с КЦЦ 1% в линии. Меняя режим возбуждения и резонатор, можно обеспечить существенную концентрацию излучения в заданном спектральном диапазоне, в частности, на линиях, слабо поглощаемых парами воды. Немонотонность распределения интенсивности излучения по вращательным линиям внутри колебательных полос полностью объясняется эффектом самопоглощения.
3. При импульсном электроионизационном возбуждении коэффициент усиления слабого сигнала падает к концу импульса накачки в экспериментах.особенность формы импульса излучения. Эффективность колебательного возбуждения активной среды в плазме газового разряда СО-ЭИЛ составляет для чистого СО и - 85 для смесей СО: А/2 :Не.
4. Используя селективный резонатор, можно при ЭИ возбуждении получить эффективную генерацию на первых обертонах колебательно-вращательных переходов молекулы окиси углерода в диапазоне 2,7 - 3,3 мкм, как одновременно с генерацией на основных частотах, так и при ее подавлении.
Литературный обзор
Возможность получения генерации на колебательно-вращательных переходах молекулы окиси углерода была показана в работах У 25 У. СО-лазер впервые был реализован в работе У 26 У Пателом и Керлом в 1964 году при возбуждении активной среды электрическим разрядом. Первоначально СО-лазеры не привлекли к себе особого внимания исследователей, что было связано с невысокими значениями мощности излучения СО-лазера, полученными в первых экспериментах, отсутствием ясного понимания физических процессов,приводящих к образованию инверсной заселенности колебательных уровней молекулы СО и техническими трудностями, связанными с необходимостью работы при криогенных температурах рабочей среды.
Интерес к СО-лазерам существенно возрос после 1968 года, когда в &t r& rce ffireent es a a r-ator- группой Осгуда была получена непрерывная генерация мощностью до 95 Вт при КПД в 16% У 27,28 У. Проведенное одновременно с этими работами теоретическое исследование У 28 У, удовлетворительно объяснившее механизм генерации СО-лазера на основе модели релаксирующих ангармонических осцилляторов, в значительной степени стимулировало дальнейшее развитие работ по исследованию лазеров на окиси углерода У 30 У.
Кратко результаты теоретических исследований У 29 У можно изложить следующим образом. Активная среда СО-лазера - существенно многоуровневая система. Генерация может происходить между любой парой соседних колебательных уровней, причем заселяющийся в процессе генерации нижний уровень одного лазерного перехода может являться верхним для следующего перехода (каскадный процесс развития генерации). Возбуждение первых колебательных уров - II ней (ТУ = 1-8) в электрическом разряде происходит в результате электронного удара У ЗІ У. В рабочей смеси, содержащей азот, колебательные уровни СО заселяются и за счет резонансной передачи энергии с первых колебательных уровней молекулы А/д , Заселение высокорасположенных уровней СО происходит в процессе колебательно-колебательного обмена и обусловливается различием в скоростях прямого и обратного колебательно-колебательного ( V"-z? ) обмена при столкновениях ангармонических молекул. Известно, что вероятности процессов возбуждения и девозбуждения при взаимодействии двух ангармонических молекул, кванты которых различаются на величину л Є » согласно принципу детального равновесия связаны соотношением где р - вероятность возбуждения из нижнего состояния 3 в верхнее состояние 4 молекулы с меньшим квантом за счет перехода из верхнего состояния 2 в нижнее I молекулы с большим квантом. Обратная реакция при столкновении частиц требует затраты кинетической энергии в количестве, по крайней мере, А Є Всди температура газа низка, то средней кинетической энергии молекулы может оказаться недостаточно, чтобы поддерживать обратную реакцию. Таким образом, при низких температурах идет преимутцественно прямая реакция и результатом этого является заселение в молекулах все более высокорасположенных колебательных уровней. Возможность такого механизма накачки лазера на колебательно-вращательных переходах молекулы СО определяется тем обстоятельством, что скорость колебательно-поступательной ( V- Т ) релаксации энергии гораздо меньше скорости V-2? обмена, то есть для характерных.
Однако, это соотношение для ангармонических осцилляторов выполняется лишь до определенного значения номера колебательного уровня & . Для любых, г? г соотношение меняется на обратное - Zpr« T&v. Значение зависит от газовой температуры и уменьшается с ее ростом У 29,30 У.
Так как роль процессов V- релаксации для молекул СО невелика, особенно при низких температурах, то молекула окиси углерода, попавшая в процессе генерации на самый нижний из лазерных уровней, может быть снова переведена в результате -р-г? обмена на высокорасположенный уровень, минуя основное колебательное состояние. В результате суммарные потери энергии в процессе возбуждения и генерации в СО-лазере определяются практически только переходом в тепло малой доли энергии в процессе обмена. Поскольку эта доля энергии определяется только степенью ангармоничности молекулы СО, которая составляет примерно 0,6$, то квантовый КПД лазера на колебательно-вращательных переходах молекулы окиси углерода оказывается очень высоким » более 90$.
В 1972 г. в непрерывном электроразрядном СО-лазере низкого давления, работающем при температуре кипения жидкого азота, был достигнут КПД в 47$ У 32 У. Однако выходные параметры импульсных газоразрядных СО-лазеров оставались низкими, энергия излучения, вследствие малой плотности активных частиц, не превышала нескольких миллидаоулей У 33-35 У.
Экспериментальная установка
Исследование спектрально-временных характеристик излучения электроионизационного СО-лазера проводились на установке, основой которой являлся охлаждаемый СО-ЭИЛ, созданный ранее с участием автора настоящей диссертации в лаборатории квантовой радиофизики Физического института им.П.Н.Лебедева У 8,74а У. В качестве селектирующих элементов использовались дифракционная решетка и поглощающая ячейка с парами воды.
Основными элементами конструкции СО-ЭИЛ (рис.2.I) являются камера электронной пушки (I) и охлаждаемая лазерная камера (2). Камера электронной пушки служит одновременно вакуумной рубашкой для охлаждаемой лазерной камеры. Откачка камеры до давления 10 мм рт.ст. осуществлялась турбомолекулярным насосом ТШ-200. Источником ионизирующего излучения является электронная пушка с термоэмиссионным катодом (3), представляющим собой набор вольфрамовых проволочек # 0,4 мм. Электростатическая экранировка катодного узла от стенок камеры и фокусировка электронного пучка осуществлялась экраном из нержавеющей стали. Для нагрева термокатода во время работы применялся накальный трансформатор мощностью W = 2 кВт с развязкой по высокому напряжению между первичной и вторичной обмотками на 200 кВ. Для формирования импульса электронного пучка на электронную пушку от генератора импульсного напряжения подавался отрицательный импульс напряжения с амплитудой 160 кВ и длительностью, регулируемой в пределах 5-500 мкс. Электронный пучок вводился в лазерную камеру через окно (4) о площадью 82x875 мм . Окно закрывалось полимидной пленкой толщиной 40 мкм или титановой фольгой толщиной 13 мкм.
Регулируемый по высоте разрядный промежуток (5) располагался в середине лазерной камеры. Катодом разрядного промежутка служила латунная протекторная сетка (6), закрывающая фольгу со стороны разряда. Полное пропускание окна и протекторной сетки для электронного пучка составляло 50$. Анодом служил дюралюминиевый
профилированный электрод (7). Перед напуском рабочего газа каме р ра (2) откачивалась форвакуумным насосом до давления 10 мм рт.ст.
В экспериментах использовались газы А/г , Не,марки ВЧ и окись углерода (СО - 99,83%, Л - 0,17%). Перед напуском приготовленные рабочие смеси очищались в азотной ловушке с развитой поверхностью.
Лазерная камера охлаждалась жидким азотом, поступающим в резервуары (8), расположенные по ее бокам. Для.увеличения теплопроводности камера обшита медными полосами, которые соединялись с азотными резервуарами. Кроме того, лазерная камера окружалась тепловым экраном из алюминизированной лавсановой пленки. Применение медной обшивки и теплового экрана существенно увеличивает скорость и однородность охлаждения камеры. Анод разрядного промежутка, обладающий небольшой массой, охлаждался за счет теплопроводности газа.
Питание электронной пушки осуществлялось трехкаскадным генератором импульсного напряжения (ГИН), собранным по схеме Аркадьева-Маркса, с выходной емкостью 0,1 мкФ. Регулируемая длительность импульса напряжения менялась от 5 до 500 мкс, при стабильности воспроизведения импульсов не хуже 10%. Длительность фронта импульса напряжения 3 мкс, амплитуда напряжения 120 -- 180 кВ. для питания основного разряда применялась батарея конденса - ЗІ торов ИК-ІОО с общей емкостью 27 мкФ. Питание к аноду разрядного промежутка подводилось через балластное сопротивление величиной 0,1 Ом. Его применение позволило уменьшить повреждение фольги и электродов разрядного промежутка при контрагировании объемного разряда.
Для того, чтобы обеспечить возможность проведения большого количества измерений в одинаковых условиях, использовались непредельные режимы возбуждения.
Основная масса экспериментов проводилась при энерговкладе 150-300 Дк/л-Амага. При этом КПД и удельный энергосъем составляли » 60-80$ от максимально возможных. Длительность импульса накачки tHaii І определявшаяся продолжительностью ионизации активной среды электронным пучком, варьировалась от 20 до 500 мкс при мощности накачки от 0,5 до 20 кВт/см «Амага (плотность тока в электронном пучке 5-Ю мк/сиг).
Оптическая схема и методика измерения коэффициента усиления слабого сигнала
Схема экспериментальной установки показана на рис.3.I. Она состоит из перестраиваемого по частоте газоразрядного СО-лазера (Л.І), электроионизационного СО-усилителя (Л.2) (СО-ЭИЛ без зеркал резонатора), юстировочного Не-//# лазера (Л.З), системы настройки селективного резонатора (экран и Не-/1 лазер Л.4) и системы регистрации: &е:Ми фотоприемники (Ф.П.І, Ф.П.2), двух-лучевые запоминающие осциллографы С8-2 (0.1, 0.2).
Конструкция газоразрядного СО-лазера низкого давления аналогична предложенной в работе / 44 /. Основным элементом этого лазера (рис.3.2) являлась кварцевая трубка длиной 1200 мм и внутренним диаметром 35 мм, помещенная в пенопластовый дьюар, куда заливался жидкий азот. На электроды лазера подавалось постоянное напряжение 15 кВ от высоковольтного выпрямителя, необходимое для поддержания самостоятельного разряда. В лазере использовалась смесь газов СО, А/2 j Не, 0, которая медленно прокачивалась через разрядную трубку. Рабочая смесь газов приготавливалась в одном из баллонов с помощью вентилей Вт - Вп и манометра Мт. Далее через игольчатый вентиль тонкой регулировки Bg смесь сначала поступала в резиновую камеру К для сглаживания пульсаций давления газа, а затем с помощью насоса ВН-2МГ прокачивалась сквозь лазерную трубку. Рабочее давление смеси 10-15 мм рт.ст. регист -88 Рис. 3.1. Схема экспериментальной установки по определению коэффициента усиления слабого сигнала.
Резонатор пробного лазера был образован плоским диэлектрическим зеркалом 3j с коэффициентом отражения R = 85$ и дифракционной решеткой ДРІ (угол блеска оС = 30, zf =0,01 мм) размером 70x100 миг, работающей в автоколлимационном режиме. Настройка резонатора лазера на необходимую частоту излучения осуществлялась по методике, изложенной в главе 2.
Диаметр пучка излучения лазера составлял 0 25 мм. При этом разрешащая способность решетки для частот 1900 см"1 равнялась 0,4 см" , что позволяло получать генерацию на одном колебательно вращательном переходе практически во всем диапазоне излучаемых частот.
Выходная мощность и спектр излучения лазера зависели от величины разрядного тока, состава и давления газовой смеси. Типичные условия работы лазера при 77К: ток 8-Ю мА, напряжение на трубке 10 кВ, состав газовой смеси: СО: А/2 :Не:0 = 1:1:15:( 0,1). Лазер излучал в области спектра 5,1 - 5,7 мкм примерно на 35 линиях вращательного спектра молекулы СО (рис.3.3). Максимальная мощность излучения лазера 10 Вт во всём спектре и 0,1 Вт -на отдельных колебательно-вращательных линиях.
Техника эксперимента и методика измерений
В экспериментахпроводились исследования спектрально-временных и энергетических характеристик электроионизационного СО-лазера на первых обертонах от мощности и продолжительности возбуждения, добротности резонатора, состава., плотности и начальной температуры рабочей газовой смеси. Энергия импульсов лазерного излучения измерялась с точностью 10$ двумя одинаково прокалиброванными калориметрами (типа ЩЩ), на один из них направлялось суммарное излучение (основные частоты и обертоны), на другой -только обертонное излучение, отфильтрованное пластиной из плавленного кварца марки КИ (рис. 4.1 и 4.2). Осциллограммы импульсов, поступающих на калориметры, регистрировались GQ-J C/ фоторезисторами. Длительность импульсов накачки в экспериментах варьировалась в диапазоне 20-1000 мкс, удельный энерговклад 100-400 Дж/л»Амага, максимальная мощность накачки составляла плотность рабочей газовой смеси изменялась от 0,25 до 0,75 Амага, начальная температура была Ю0К. Для каждого набора условий эксперимента измерения повторялись 5-7 раз и их результаты усреднялись.
В экспериментах использовался полусферический резонатор с внутренним расположением зеркал (длина активной области 90 см). Глухое золотое зеркало имело радиус кривизны 5 м, в качестве выходных использовались плоские интерференционные зеркала на подложках из Лг 4Г с: коэффициентом отражения в диапазоне 2,5 - 3,3 мкм А/2Р = 60-95% и в диапазоне 5-5,5 мкм /«V = 6-30%, по-стоянство величин K2t, и /cv в указанных интервалах длин волн сохранялось с точностью 10% (рис.4.3).
Спектральные измерения проводились с использованием описанной в главе 2 аппаратуры с разрешением 4 см , которая позволяла надежно идентифицировать колебательные полосы лазерного излучения. Энергия импульсов на отдельных линиях рассчитывалась графическим интегрированием полученных осциллограмм. Проверочные непосредственные измерения этих энергий калориметром показали, что относительная неточность использованного метода определения спектрально-энергетических распределений не превышает 15-20%.
Поскольку ни экспериментальных, ни теоретических значений длин волн, соответствующих первым обертоннм колебательно-вращательных переходов молекулы СО, в литературе нет, нами были проведены расчеты нужных длин волн с использованием известных основных частот и спектроскопических констант молекулы СО.
