Нестационарные процессы в активных элементах частотно стабилизированных гелий-неоновых лазеров тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

РЯЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. С.А.ЕСЕНИНА

На правах рукописи

Федотов Михаил Александрович

НЕСТАЦИОНАРНЫЕ ПРОЦЕССЫ В АКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ ЧАСТОТНО СТАБИЛИЗИРОВАННЫХ ГЕЛИЙ-НЕОНОВЫХ ЛАЗЕРОВ

01.04.04 - Физическая электроника

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

НАУЧНЫЕ РУКОВОДИТЕЛИ доктор физико-математических наук

профессор ЦЕНДИН Л.Д. доктор физико-математических наук профессор ПРИВАЛОВ В.Е.

Рязань - 1999 г.

В В БД Е Н И Е................................................................................................3

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ...............9

1.1 Классификация тлеющего разряда......................................................9

1.2 Характеристики газового разряда при переходе от таунсендовского разряда к нормальному тлеющему.....................................................13

1.3 Свойства окисных пленок на поверхности холодных катодов и технология изготовления.................................................................25

1.4 Самовозбуждение страт в активных элементах гелий-неоновых лазеров .....................................................................................................................28

1.5 Резонансные свойства разряда и обратная связь.................................30

1.6 Влияние флуктуаций тока разряда на стабильность оптической частоты гелий-неонового лазера............................................................................34

Постановка задачи.............................................................................35

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПЛАЗМЕННЫХ КОЛЕБАНИЙ В РАЗЛИЧНЫХ ВИДАХ ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА................................................................39

2.1 Описание экспериментальной установки.............................................39

2.2 Таунсендовский разряд..........................................................................41

2.3 Неустойчивость таунсендовского разряда............................................43

2.4 Состояние разряда после развития неустойчивости.............................49

2.5 Экспериментальная установка и условия эксперимента по изучению таунсендовского разряда и второй зоны нестабильности тока................53

2.6 Результаты эксперимента.....................................................................54

2.7 Влияние поверхности катода на переходные от ТР к НТР характеристики тока

разряда........................................................................................................57

2.8 Катод измерительного лазера..............................................................59

2.8.1 Методы исследования электрофизических свойств окисных покрытий........................................................................................59

2.8.2 Способы формирования окисной пленки на алюминиевой подложке.....................................................................................................63

2.8.3 Определение устойчивости окисных пленок к распылению.............68

Выводы..............................................................................73

ГЛАВА 3. ВЛИЯНИЕ ПЛАЗМЕННЫХ КОЛЕБАНИЙ В АКТИВНОЙ СРЕДЕ НА ЧАСТОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СТАБИЛИЗИРОВАННОГО ЗЕЕМАНОВСКОГО ЛАЗЕРА...................74

3.1 Оценка нестабильности оптической и разностной частоты в зависимости от флуктуаций тока разряда...............................................75

3.2 Описание экспериментальной установки по изучению влияния страт...........................................................................................83

3.3 Механизмы влияния легкоионизуемых примесей на возникновение страт...........................................................................................87

3.4 Определение пороговых токов появления страт............................90

3.5 Экспериментальные результаты исследования влияния кислорода на появление страт в плазме активного элемента.........................................97

3.6 Расчет распределения примеси кислорода по длине разрядного промежутка................................................................................................99

Выводы..............................................................................................107

ГЛАВА4.КОНСТРУКЦИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ АКТИВНОГО ЭЛЕМЕНТА ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ЛАЗЕРА.................108

4.1 Расчет элементов конструкции активного элемента.......................108

4.2 Влияние режимов обработки на стабильность газового состава рабочей смеси............................................................................................................114

4.3 Сохраняемость активного элемента................................................116

4.4 Конструкция активного элемента....................................................120

Выводы..........................................................................................126

ЗАКЛЮЧЕНЙЕ..........................................................................127

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.................................................................131

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность

Переход на цельнопаянные активные элементы с внутренними зеркалами позволяет разработать гелий-неоновые лазеры нового поколения, включая одночастотные лазеры для измерительных интерферометров. Измерительные интерферометры благодаря надежным активным элементам являются в настоящее время одними из наиболее распространенных лазерных систем.

Известно много работ по исследованию различных нестабильностей гелий-неоновых лазеров, в том числе и обусловленных флуктуациями плазмы. Однако большинство из них посвящено обычным лазерам и не позволяют выработать требования к активному элементу измерительного одночастотно-го лазера - лазера, обеспечивающего высокую точность измерения в лазерных интерферометрах. Проблема флуктуаций лазерного излучения представляется в новом аспекте, так как рассматривается в комплексе с системой питания, АПЧ и измерительными устройствами. Поскольку измерительный одночас-тотный лазер состоит из многих взаимосвязанных элементов, то флуктуации его излучения зависят от комплекса причин, в том числе от нестабильностей газового разряда, эмиссионных свойств холодного катода, особенностей исполнения системы АПЧ и источника питания.

Цель работы.

Установление физических процессов, ответственных за флуктуации излучения частотностабилизированных гелий-неоновых лазеров; определение факторов влияющих на параметры их излучения; создание активных элементов частотностабилизированных гелий-неоновых лазеров, обеспечивающих требованиям современным измерительных интерферометров.

Основные задачи:

- исследование физических процессов, влияющих на неустойчивость тлеющего разряда, в частности таунсендовского;

- разработка методик измерения эмиссионных характеристик и методов формирования тонкопленочных эмиссионных покрытий;

- исследование эмиссионных свойств катодов и тонкопленочных эмиссионных покрытий;

- исследование энергетических и выходных характеристик активных элементов;

- исследование параметров излучения частотностабилизированных гелий-неоновых лазеров и влияние на них различных факторов;

- создание активных элементов частотностабилизированных гелий-неоновых лазеров нового поколения.

Краткое содержание работы

Работа состоит из введения четырех глав и заключения.

В первой главе проведен анализ литературы, обоснованы и описаны основные методы и сформулированы задачи исследований. В обзоре литературы приведены характеристики различных типов тлеющего разряда, особое внимание уделено таунсендовскому разряду и несгабильностям разряда. Рассмотрены различные типы холодных катодов, используемых в малогабаритных гелий-неоновых лазерах. Обсуждаются результаты исследований эмиссионных характеристик этих катодов, приведены технологические режимы. Осуществляется постановка задачи исследований.

Во второй главе приведены результаты экспериментального и теоретического исследования таунсендовского разряда. Показаны причины нестабильности таунсендовского разряда, изучены режимы и условия его устойчивости. В ней приводятся результаты расчета элементов конструкции активного элемента и экспериментального исследования эмиссионных характеристик холодных катодов. Обосновывается выбор материала катодов и технологии их обработки. Описывается методика определения распыляемости окисной пленки катода.

Третья глава диссертации посвящена исследованию влияния плазменных колебаний на частотные характеристики лазерного излучения. Приведе-

ны результаты этих исследований. Изучены зависимости частоты появления страт от тока разряда, показаны нетрадиционные пути борьбы с ними. Обсуждается унифицированный подход при создании активного элемента для измерительного гелий-неонового лазера и результаты испытаний их в лазерных интерферометрах.

В четвертой главе приводится расчет конструкции и технология изготовления активного элемента частотно-стабилизированного гелий-неонового лазера.

Научная новизна работы и новые наиболее существенные результаты

1. Исследованы режимы перехода от нормального тлеющего разряда к таунсендовскому в неоне при низких и средних давлениях. Обнаружено возникновение периодических колебаний тока и напряжения, период и амплитуда которых изменяются сложным образом от условий разряда. Определены условия Существования неустойчивости таунсендовского разряда и формирования вольтамперной характеристики. Показано, что основные двумерные структуры свечения являются результатом появления быстрых электронов внутри светящейся области за счет сильного электрического поля.

2. Установлено, что причиной возникновения колебаний в тлеющем разряде и переходной области к нормальному тлеющему разряду являются неоднородность электрического поля, возникающая вследствие амбиполяр-ной диффузии, и приводящая к зависимости этих колебаний не только от параметров внешней цепи, давления и состава газа, но и от эмиссионной однородности катодной поверхности.

3. Сужение области неустойчивости вблизи катода можно обеспечить с помощью эмиссионно-однородного покрытия катодной поверхности, формируемой путем анодирования в электролите лимонной кислоты с последующей обработкой катодов в кислороде.

4. На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований определены требования к параметрам катодов активных элементов

частотно-стабилизированных гелий-неоновых лазеров и показаны пути достижения их.

5. Установлена взаимосвязь различных флуктуаций: страт и колебаний тока, вызванных пульсациями источника питания и другими причинами с нестабильностью оптической и разностной частотой лазерного излучения, Показано, что на частотах паразитного сигнала, приближающихся к частоте опорного сигнала возрастает девиация разностной частоты, а при точном совпадении частот происходит синхронизация опорного сигнала стратовыми колебаниями.

6. Плазменные колебания ухудшают нестабильность оптической частоты незначительно, так как эта характеристика усреднена во времени, а плазменные колебания вызывают мгновенные изменения разностной частоты, что приводит к размытию фронта импульса опорного сигнала и снижает точность измерения лазерных интерферометров.

7. Стратовые колебания, возникающие в плазменном столбе, могут быть погашены в требуемой области токов без ухудшения свойств лазерной активной среды путем добавления и изменения вдоль разрядного промежутка распределения кислорода.

8. Осуществлен расчет элементов конструкции активных элементов частотно-стабилизированных гелий-неоновых лазеров, определены условия самостоятельного разряда для промежутка с кольцевым и круглым сечением.

9. Показано, что активный элемент измерительного частотно-стабилизированного лазера должен изготавливаться по унифицированной технологии, обеспечивающей разброс по напряжению горения, не более 3%, оптимальному току разряда не более 5%, давлению наполнения не более 2%, диаметру и длине разрядного промежутка не более 3 и 1% соответственно.

Научные положения, выносимые на защиту

1. Неустойчивость таунсендовского разряда развивается при увеличении эффективной температуры электронов и уменьшении нестабильностей коэф-

фициента вторичной ионно-электронной эмиссии что описывается выражением

5Г-ЯГ „Те(кЬ)21п(1/у) ai.t ef(kL)

где Те - эффективная температура электронов;

к - минимальное волновое число, определяющееся поперечным размером электронов;

f(kL)- учитывает искривление силовых линий объемным зарядом;

2. Катод активного элемента измерительного гелий-неонового лазера для обеспечения однородной эмиссии требуемой долговечности, стабильности мощности и частотных характеристик лазера должен иметь окисное покрытие, сформированное анодированием в электролите лимонной кислоты с последующей обработкой в кислороде.

3. Нестабильность частотных характеристик измерительного лазера возрастает при сближении частот пульсаций разрядного тока и плазменных колебаний с рабочей (разностной) частотой лазера. Глубина модуляции тока разряда плазменными колебаниями определяет амплитуду девиации разностной частоты, а степень сближения - период.

Практическая ценность работы

1. Создан активный элемент частотно-стабилизированного гелий-неонового лазера, применяемого в координатографах при производстве интегральных микросхем и в лазерных интерферометрах линейных перемещений.

2. Разработаны и внедрены в производство технология изготовления холодного катода для частотно-стабилизированного лазера и методы контроля эмиссионных свойств катода.

3. Выявлены причины возникновения плазменных колебаний в разряде активного элемента одночастотного лазера и даны рекомендации по их снижению.

Апробация работы.

Материалы диссертационной работы докладывались на XXII International Conference on Gas Discharges. Germania, Greifswald, 1997; Elevanth European Sectional Conference on the Atomic and Molecular Physics of Ionized Gases. StPeterburgs, Russia, 1992; XXI Всесоюзная конференция по эмиссионной электронике. С. Петербург, 1990; International Workshop On New Approaches To Hi Tech 98 St. Petersburg, Russia, 1998; IX конференция по физике газового разряда, г. Рязань, 1998; семинарах С. Петербургского технического университета и Рязанского государственного педагогического университета.

Результаты опубликованы в 10 работах.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Возникающие в газовом разряде колебания, нередко являются причиной помех и флуктуаций в устройствах, использующих такой разряд. Так применение шумящих гелий-неоновых лазеров в составе измерительных интерферометров может негативно сказываться на их выходные характеристики и точность измерения. Используя известные рекомендации, эти шумы не всегда удается устранить. Поэтому не потеряли актуальность исследования физической природы нестабильности тока в катодной области разряда и плазменных колебаний в столбе газового разряда и влияния этих колебаний на выходные характеристики частотно-стабилизированного гелий-неонового лазера.

В зависимости от параметров разряда развитие неустойчивости может привести как к пространственно - неоднородной стационарной форме разряда, так и к колебательному режиму, сопровождаемому релаксационными колебаниями. Наиболее характерно эти колебания проявляют себя при переходе от таунсендовского к нормальному тлеющему разряду. Таунсендовский разряд (ТР) наблюдался сравнительно давно /1/. Он представляет простейшую форму газового разряда. Поэтому исследование его устойчивости и формирования пространственно-неоднородной двух и трехмерной структур может пролить свет на механизмы аналогичных процессов, возникающих в более сложных системах.

1.1. Классификация тлеющего разряда

Классификация тлеющего разряда приведена в работе /1/. Показано что, все наблюдаемые формы тлеющего разряда могут быть сведены к трем разновидностям:

1) простейший тлеющий разряд, отличающийся тем, что напряжение горения не зависит от силы тока и при изменении произведения р<1 (/^давление, й - расстояние между электродами) следует кривой Пашена;

2) нормальный тлеющий разряд, обладающий катодным падением потенциала, мало зависящий от тока и значений

3) плотный тлеющий разряд с круто возрастающей вольтамперной характеристикой.

Определены несколько дополнительных терминов, которыми обозначаются различные разновидности тлеющего разряда: аномальный, затрудненный, высоковольтный и другие. Классификация проведена по электрическим и оптическим свойствам разряда. В основу положены результаты систематических исследований вольтамперных характеристик, выполненных в широком диапазоне токов 10 9 - 10 А и напряжений горения 0,2- 30 кВ. Измерения выполнены в молекулярных (водород, азот) и инертных (неон и аргон) газах между плоскими параллельными электродами, размеры которых значительно больше межэлектродного расстояния. Значения рсI соответствовали левой ветви, минимуму и прилегающего к нему участку правой ветви кривой Паше-на.

Вольтамперные характеристики простейшего, нормального и плотного тлеющего разрядов приведены на рис. 1.

Падающие участки характеристик изображены пунктиром, поскольку ход кривых на этих участках искажается наличием самопроизвольных колебаний. На рис. 2 представлена типичная диаграмма зависимости напряжения горения разряда от давления газа и тока. На криволинейной поверхности можно выделить три резко отличающиеся области, соответствующие трем разновидностям самостоятельного тлеющего разряда.

1. Поверхность, образованная горизонтальными участками вольт-амперных характеристик область простейшего тлеющего разряда.

2. Част