Азотный лазер низкого давления с магнитным сжатием импульса возбуждения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Красноярских"! государственный университет

- 9 И.Т!" ТС":7

На правах рукоппсп

САЛМИН Владимир Валерьевич

АЗОТНЫЙ ЛАЗЕР НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ С МАГНИТНЫМ СЖАТИЕМ ИМПУЛЬСА ВОЗБУЖДЕНИЯ

Оптика 01.04.05

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Красноярск-97

Работа выполнена в Красноярском государственном университете

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук профессор, Проворов А.С.

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

. доктор физико-математических наук В.В.Тарасенко (Институт сильноточной электротпей СО РАН, г.Томск) кандидат физико-математических наук А.М.Ражев (Инстшуг лазерной физики СО РАН, г.Новошбирск )

Институт физики СО РАН г.Крашоярск

у со

А?9?г.яи/1 " час.

Заицгга состоится

на заседашт специализированного совета К-200.18.01 в Институте лазерной физики СО РАН (630090, г.Новосибнрск, прАк. Лаврентьева 13/3)

С диссертацией можно ознакомиться в библиртске Красноярского ГУ.

Автореферат разослан ]

Л99 -7г.

Ученый секретарь

специализированного

совета

Н.Г.Никулин

ОБШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы Интерес к созданию высокоэффективных источников лазерного излучения, в том числе в УФ - диапазоне, объясняется широки« использованием лазеров в технике, технологии и медицине. В настоящее время наиболее доступными и дешевыми источниками УФ-лазерного излучения являются лазеры на второй положительной системе полос молекулярного азота. Несмотря па тппкий КПД невысокий энергоеъем по сравнению с эксимсрными лазерами, к преимуществам N2 -лазеров следу ет прежде всего отнести: возможность получеши генерации при относительно низких давлениях Газа (менее 100 мм рт.ст.), что в свою очередь позволяет возбуждать разряд без предыопшацшг, нсагрессивность газовой смеси, большой ресурс работы без смены газа.

Поскольку время жизни нижнего лазерного уровня значительно превышает радиационное время верхнего уровня, то генерация на указанном лазерном переходе является самоограппчсшюй и можег происходить только в импульсном режиме. Для эффективного возбуждения лазерной генерации длительность импульса накачки не должна превышать радиационное время жизни верхнего уровня равное 40 не. Для этого, как правило, применяют тшульсные газоразрядные системы с малой индуктивностью, обеспечивающие высокую плотность мощности накачки активной среды на уровне Ю6 Вт/см5.

Наиболее простим и дешевым способом возбуждения является самостоятельный импульсный разряд. С использованием указанного разряда построено большинство промышленных и лабораторных лазерных источников. В поперечной схеме возбуждения ток электронов паправлен перпендикулярно направлению рапространения лазерного излучения. Наиболее короткие и мощные импульсы возбуждения в данной схеме получены при использовзшт двойной плоек ой формирующей линии (линии Блгомлсшга).

При давлгтш рабочей смеси менее 100 мм рт.сг. используется продольный способ возбуждения. В последнем случае получены высокая частота повторения импульсов генерации при диффузионном охлаждении активного элемента (10 кГц) и высокая средняя мощность (более 1 Вт). Указанные достоинства продольного способа возбуждения делают азотные лазеры привлекательными для многих применений, например, для фотолитографии, записи информации, биологии и медицины. Однако проблема получения высокой выходной средней мощности и энергии импульса в №-лазере с продольным возбуждением сопряжена . с отсутствием высокоэффективных коммутаторов, обеспечивающих времена коммутации менее 10 не в режиме частых ' (до 10 кГц) повторений. В настоящее время наиболее приемлемыми коммутаторами, обеспечивающими необходимые параметры импульса накачки для возбуждения N2 -лазеров с высокой (более 1 кГц) частотой повторения, являются газонаполненные тиратроны. Однако они не обеспечивают времен нарастания импульса тока менее 20-30 не. Низкий КПД (менее 0.01°/о) Мз-лазеров, возбуждаемых с помощью тиратронного коммутатора связан отчасти с этим ограшгееннем. Таким образом; актуальным является улучшение времешшх параметров генераторов импульсного напряжения (ГИН) с тиратронными коммутаторами с целыо повышения КПД N2 -лазеров, возбуждаемых этими ГИН.

Одним из методов сокращения длительности импульса тока и увеличения скоросш его иарасташш является метод магнитного сжатия, ссноваиный на нслинеШшх свойствах мапштных материалов, используемых в качестве сердечников дросселей в формирующих цепях. Метод магнитного сжатия широко используется для улучшения энергетических характеристик СО2 , Си и эксимерных лазеров. Однако получаемые в этих типах лазеров характерные времена нарастания импульсов тока слишком велики для эффективного возбуждения N2-лазеров.

Вопрос об эффективности использования метода магтггного сжатия для улучшения характеристик №-лазеров с тнратронным коммутатором ранее специально не исследовался, хотя использование насыщающегося дросселя для улучшения энергетических параметров 1\*г-лазера низкого давления при возбуждении от импульсного трансформатора ранее имело место в работе Свиридова А.Д., Тротшша Ю.Д. /«Кинетика генерации ^-лазера в импульсно-периодическом режиме П эксперимент.» // Квантовая электроника. 1983. Т.10, N 9, С. 1824-1828.

Цель работы

Целью настоящей работы является, во-пе*ршх, разработка высокоэффективного генератора импульсного напряжения с тнратронным коммутатором предназначенного дня возбуждения №-лазеров шпкого давления с частотой следования импульсов генерации в нееко.-ько килогерц, во-вторых, исследование энергетических, амплитудно-частотных й пространственных характеристик К:-лззеров шпкого давлишя с диффузионным охлаждением возбуждаемых этим генератором. Конкретными задачами в рамках поставленной цели являются:

1.Разработка линии магнитного сжатия для тиратронного коммутатора ТГИ 1000/25 с параметрами необходимыми для эффективного возбуждения №-лазеров низкого давления.

2.Сравнение эффективности возбуждения №-лазеров низкого давления с тнратронным коммутатором при нспользовашш цегагБлюмлешш и лшиш мапштаого сжатия. Определение зависимостей выходной мощности от состава газовой смеси, давления и напряжения.

3.Разработка физической модели №-лазера шпкого дзвлешгя с тиратронным коммутатором, и линией магшгтного сжатия.

4.Исследование зависимостей амплитудно-частотных харак-теристик К:-лазеров низкого давления с диффузиопиым охлаждением с разрядной

ячейкой in ВеО-керамшси от диаметра разрядной ячейки,- длительности переднего фронта импульса возбуждения и удельного энерговклада. 5.Исследование пространственных характеристик излучения генерации Кз-латсра при различных диаметрах разрядной ячейки и исследование механизма образования и особенностей паразитной генерации.

Научная новизна

1.Впервые показано, что КПД генерации в Кг-лазсрах низкого давления с тиратронлым коммутатором при использовании цепи мапштного сжатия выше нежели чем при использовании цепи Блтомлейна, а также, что импульсная мощность №-лазера низкого давления с тиратронным коммутатором и линией магнитного сжатия растет в зависимости близко пропорциональной квадрату коэффициента временного сжатия.

2.Впервые экспериментально показано, что для Иг-лазеров низкого давления с диффузионным охлаждением, выполняется соотношение подобия на амплитудно-частотные характеристики вида:

fmax*d = const ,

где fmix- частота, соответствующая максимуму амплитудно-частотной характеристики, d- диаметр разрядной ячейки.

3.Методом сдвоенного импульса впервью экспериментально показана пршщлпиальная возможность получешга генерации, с частотой следования 22 кГц в Nj-лазсре низкого давления с диффузионным охлаждением. - _

4.Впервыс продемонстрировала одномодовая генерация в волноводном Ni-лазсрс с резонатором типа "модовый фильтр".

5.Показана когерентность между излучением моды ТЕМоо и паразитной генерации в Ыг-лазере шпкого давления с цилиндрическим капилляром.

Практическая ценность работы

1.Разработан мощный генератор наносекундных импульсов с тиратроном типа ТГИ 1000/25 и трехзвешюй линией магнитного сжатия с временем нарастания импульса тока 6 не, импульсным напряжением до 50 кВ и гшпульсным током 5 кА, предназначенный для эффективного возбуждения №-лазеров низкого давления с высокой частотой повторения (2 кГц в регулярном режиме, 25 кГц в режиме сдвоенных импульсов).

2.Разработан малогабаритный отпаянный №-лазер низкого давления с лютей магнитного сжатия, обеспечивающий выходную мощность 40 мВт и не требующий дополнительного водяного охлаждения, для целей лазерной терапии.

З.Определен режим получешш одномодовон генерации в волноводном Н2-лазере.

Защищаемые положение

1.У дельная выходная мощность ла^шого излучения в Ыз-лазере низкого давления с тиратронным коммутатором и цепью магнитного сжатия пропорциональна квадрату коэффициента сжатия переднего фронта импульса тока.

2.КПД №-лазера низкого давления при использовании тиратронного коммутатора с линией магнитного сжатия выше нежели при использовании цепи Блюмлейна с тем же коммутатором.

3.В Мз-лазере низкого давления с диффузионным охлаждением выполняется принт тип , подобия на частоту следования соответствующую максимуму амплитудно-частотной характеристики и диаметр разрядной ячейки (1 в виде:

Гтал*с1 = СОП51.

4.Сокращаше времени нарастания переднего фронта импульса тока и сокращение удельного энерговклада не изменяет однако позволяет

увеличить предельную частоту следовашы импульсов генерации в N2-лазерах низкого давления с диффузионным охлаждением.

¿.Ограничение выходной удельной мощности на уровне 3 кВт/см3 в вслповодном Nj-лазере с резонатором.типа "модовый фильтр" позволяет реализовать одномодовую генерацию ira моде ЕНц.

6.Причиной возникновения паразитпой генеращш в Nî-лазерах с шероховатой стеикой капилляра является наличие зеркальной компоненты светорассешпш. Между излучением моды ТЕМоо и параштнон генерации в Nî-лазерах при отсутствии сверхсветимости на блю дается когерентность.

Основные результаты работы докладывались на: i .Второй международной конференции «ICLSSBO», Pecs, Hungary, 1988. 2.IV Всесоюзной конференции "Спектроскопия комбинационного рассеяния света" Ужгород, 1988 .

3.Международной конференции "Laser Applications in Life Sciences", Москва, 1990,

•¿.Международном семинаре "Лазерная микротехнология и лазерная диагностика поверхности" LAMILADIS-91, Черновцы, 16-19 апреля 1991.

5.Первом Росашско-Китайском семинаре по лазерной физике и лазерной технологии Красноярск, Россия, 2-8 июня 1993 г.

6.Росснйско-Гсрманском лазерном симпозиуме Санкт-Петербург, Россия, 1-5 июля 1995. -

7.Третьем Российско-Кнтайском симпозиуме по лазерной физике и лазерной технологии Красноярск, 1996.

Структура и объем работы Диссертационная работа шложена на 112 страницах машинописного текста, иллюстрируется 29 рисунками, состоит га введения, трех глав, заклочения и списка литературы из 64 наименований.

Практическая ценность работы

1.Разработан мощный генератор наносекундных импульсов с тиратроном типа ТГИ 1000/25 и трсхзвенной линией магнитного сжатия с временем нарастания импульса тока 6 не, импульсным напряжением до 50 кВ й импульсным током 5 кА, предназначенный для эффективного возбуждения Ыг-лазеров низкого давления с высокой частотой повторения (2 кГц в регулярном режиме, 25 кГц в режиме сдвоенных импульсов).

2.Разработаи малогабаритный отпаянный К:-лазер низкого давления с линией магнитного сжатия, обеспечивающий выходную мощность 40 мВт и не требующий допошштелыгого водяного охлаждения, для целей лазерной терапии.

З.Определен режим получения одном од ов он генерацни в волноводпом №-лазерс.

Защищаемые положашя

1.Удельная выходная мощность лaзq)Iíoгo излучения в №-::азере низкою давлеши с тиратрош1Ым коммутатором и цепью магнитного сжатия пропорциональна квадрату" коэффициента сжатия переднего фронта импульса тока.

2.КПД №-лазера низкого давления при использовании тиратронного коммутатора с линией мапштного сжатия выше нежели при использовании цепи Блюмлейна с тем же коммутатором.

3.В Мз-лазере 1шзкого давления с диффузионным охлаждением выполняется принцип подобия на частоту следования Ьо«, соответствующую максимуму амплитудно-частотной характеристики н диаметр разрядной ячейки«! в виде:

= соп&1.

4.Сокращсгше времени нарастания передпего фронта импульса тока и

сокращение удельного энерговклада не изменяет Гц«, однако позволяет

увеличить предельную частоту следования импульсов генерации в N2-лазерах низкого давления с диффузионным охлаждением.

5 .Ограничение выходной удельной мощности на уровне 3 кВт/см3 в еолноводном Иг-лазере с резонатором.типа "модовый фильтр" позволяет реализовать одномодовую генерацию на моде ЕНп.

6.Причиной возшисновсния паразитной генерации в Ыг-лазерах с шероховатой стенкой кагошляра является наличие зеркальной компоненты светорассеяши. Между излучением моды ТЕМоо и паразитной генерации в №-лазерах при отсутств!Ш сверхсветимости наблюдается когерентность.

Апробация работы Основные результаты работы докладывались на: [.Второй международной конференции «ICLSSBO», Pecs, Hungary, 1988. 2.IV Всесоюзной конференции "Спектроскопия комбинационного рассеяния света" Ужгород, 1988 .

3.Международной конференции "Laser Applications in Life Sciences", Москва, 1990,

•^Международном семинаре "Лазерная микротехнология и лазерная диагностика поверхности" LAMILADIS-91, Черновцы, 16-19 апреля 1991.

5.Первом Российско-китайском семинаре по лазерной физике и лазерной технологии Красноярск, Россия, 2-8 тоня 1993 г.

6.Российско-Германском лазерном симпозиуме Санкт-Петербург, Россия, 1-5 июля 1995. •

7.Третьем Российско-китайском симпозиуме по лазерной физике и лазерной технологии Красноярск, 1996.

Дисссртацио1шая работа шложена на 112 страницах машинописного текста, иллюстрируется 29 рисунками, состоит из введения, трех глав, 1ак.почения и списка литературы из 64 наименований.

Нами также сняты для обеих схем подключения разрядной ячейки зависимости мощности генерации №-лазера от давления и парциального состава буферного газа, в качестве которого использовались Не и А г, использование Не дает незначительный выигрыш в максимальной выходной мощности в схеме без магнитного сжатия, использование Аг, наоборот, значительно снижает выходную мощность, чго при больших пйрцняльньгх составах приводит к нсчезновеншо генсрашпг. Зависимости выходной мощности от давления буферного газа при использовании магшгшого сжатия показывают, что при импульсах возбуждения короче 10 не максимальная выходная мощность одинакова для обоих типов буферного газа и чистого азота. Разряд в этом случае характеризовался хорошей однородностью как с Не, так и с Аг.

Величина КПД преобразования энергии, запасенной в накопительных емкостях в энергию лазерного излучения, достигала максимальней значения при напряжении на накопительных емкостях 12 кИ и составляла для цела Б.помленна 0.007%, а дм линии магнитного сжатия 0.027%, что демонстрирует более высокую эффективность возбуждения Иг-лазеров низкого- давления с тиратронным коммутатором и ЛМС нежели с цепыо Блгомленна. Д;и ячейки с диаметром капилляра 5 мм. получен КПД 0.04% при этом КПД преобразования энергии, вложенной в разряд в энергию лазерного излучения составлял не менее 1%.

Поскольку полный расчет импульса возбуждения ог генератора с нелинейными элементами затруднителен, так как требует определения поведения дросселей в широком, частотном диапазоне, то нами предложена модель №-лазера низкого давления, учитывающая только критические параметры генератора импульсов. Первым критическим параметром была выбраиЪ предельная скорость нарастания тока, вторым параметром длительность импу.ш>са напряжения. Длительность импульса напряжения ограничивалась насыщающимся дросселем, подключенным параллельно разрядной ячейке. Кроме этого учитывалось, что.время

И

насыщения ограничивающего дросселя завнеггг от напряжения на нем. За-.шснмости коэффициента сжатия импульса тока от напряжения па ЛМС покачали, что для' напряжений выше некоторого критического, когда ЛМС начинает работать с расчетным коэффициентом сжатия сам коэффициент-сжатия не зависит от напряжения. Предельная скорость нарасганпя тока, в свою очередь, прямо пропорциональна напряжению на ЛМС. При использовании дополнительных электродов предыонизации вклад разряда предыогшзащпг в электронную плотность необходимо суммировать с вкладом основного разряда.

С учет<эм всех вьпле изложенных условггй мьг построшш ряд кривых зависимости выходной мощности от давления при различных напряжениях зарядки лшши маппггного сжатая для двухсекционной разрядной ячейки с применением электродов предыонизации рис. 2. Там же приведены экспериментальные точки для данной ячейки. Как видим получено удовлетворительное согласие с теоретической моделью.

Рис.2. Зависимости относи. тельной выходи о Г: мощности N2-лазера с возбуждением продольным двухсекционным разрядом и предыошпацией хоронным разрядом от лаале->шя азога к напряжения зарцдхи трехзиенной лишш магнитного сжатия. В эксперимент исполнзогана разрядная яченхг диаметром 2 мм и длиной 17С ям. Сплошные кривые построены на основании модели учитывающей критически! параметры линии магкитчогс сжатия ( дцитс;аность импульег напряжения и предеяьнук скорость нарастания тока, i также их зааисимость оч напряжения зарядки).

10 :п 10 40 50 60 Р

£ЛШЙ_2 посвящена экспериментальным исследованиям амплитудно-частотных характеристик К^-лазсров низкого давления с диффузионным охлаждением. Приведен анализ механизмов стгижашя энергии генерации ^-лазеров низкого давления на высоких частотах повторения импульсов.

Для исследования зависимости АЧХ от диаметра разрядной ячейки мы использоьали кашоыяры из БеО керамики с внутренним диаметром 1,5мм, 0.65 им, 0.4 мм. Общая акт ивная длина составляла 13 см во всех случаях. Возбуждение разрядной ячейки ccyiueci «лилось продольным одиосекцжлшым разрядом с помощью генератора высоковольтных повторяющихся импульсов, собранного по схеме БлгемлеГша. В качестве коммутатора использовался тиратрон ТГИ 1000/25. Генератор питался от источника ПОСТОЯ1ШОГО тока мощностью 600 Вт и предельным напряжением 25 кВ через баластный резистор. Тиратрон поджигался с почоиц.го усилителя, па вход которого подавались прямоугольные импульсы от генератора Г5-54.

Памп были измерены зависимое > и средней мощности от часто га повторения при различных удельных энерговкладах. Энерговклад изменялся путем изменения величины накопительных емкостей в цепи Блюмлснпа. Давление азота во всех случаях составляло 7 торр. что соответствовало максимуму энергии генерации при зарядке накопительных емкостей до напряжения 15 кВ. Полученные зависимости приведет,i на рнс 3. Сопоставление кривых 2 и 3 показывает, что fm* слабо зависит от удельного энерговклада при увеличении накопительных емкостей более чем-в 5 раз. Нами также снята АЧХ №-лазсра при возбуждении емкостным разрядом предложенным Ныоманом ячейки с внутренним диаметром 0.65 мм. Оптимальное давление азота при напряжении на накопительных емкостях 15 кВ составило 17 торр. АЧХ для данного типа разряда соответствует кривая 5. Как видно, использовашге емкостного разряда значительно улучшает предел!,ну то частоту повторения. Этот факт мы связываем с укорочением временя

послесвечения разряда. Частоты максимумов АЧХ для различных ячеек свидетельствуют о наличии в №-лазерах низкого давления с диффузионным охлаждением соотношения подобия.

жжпзгвззэт

Л

Рис.3. Зависимость средней мощности генерации от ЧСИ для капилляров с 2а=1.5 мм (1), 0.65 мм (2,3,5), 0.45 мм (4), (5)-возбуждешге емкостным разрядом. Значеши накошггелышх емкостей (1,2) - 100 пф, (3,4,5) - 20 пф.

диаметр ячейки d(MM) частота максимума АЧХ fmax(KfM) d'fmax. е (мм'кГц) 1<

1,50 1,50 2,3 fc

! 0,65 3,50 2,3 Ь

В 0 45 4.70 , 2,1 1

Таблица 1. Параметры максимумов амплитудно-частотных характеристик Иг-лазеров с продольным возбуждением дяя ячеек различного диаметра демонстрирующие выполнение соотношения подобия.

Увеличение поступательной температуры приводит к уменьшению коэффициента усиления. С другой стороны, увеличение тепловой скорости приводит к увеличению частоты столкновений со стенками разрядного канала и к "более эффективной колебательной релаксации, что при высоких частотах повторения должно приводить к увеличению энергии импульса генерации. Конкуренция этих двух процессов и будет в значительной мере определять АЧХ №-лазера. Для адекватного

14

описании поведения АЧХ №-лазсра на высоких частотах повторения необходимо учитывать как динамику поступательной темг^эатуры, так и изменение состава ак Шиной среда за счет накоплении метастабилыплх частиц (молекул и атомов азота а различных метастабильных соетошгилх), а также изменение импеданса разрядного промежутка за счет остаточной ионизации. Таким образом, полный анализ - достаточно трудоемкая а ыююпараистртескяя задача, решение которой без определения условий, когда возникает необходимость учета мехашгзмов снижения энергии генерации отличных от гетерогенной колебательной релаксации, невозможно. Поэтому нами поставлена цель найтя, по крайней мере, такие условия, когда появляются значительные отклонения экспериментальных АЧХ ог построенных на основании теории, учитывающей только колебательную релаксацию. .

Указанную цель мы реализовали посредством методики сдвоенного импульса, позволяющей избежагь влияния перегрева сгенок на АЧХ, и использованием лгашП магнитного сжатия с 1П1зким тшедансом, позволяющих поддержимть неизменным напряжение на разрядном промежутке на высоких частотах повторения. Методика сдвоенного импульса широко используется ддя исследования АЧХ импульсно-периодических лазеров н в частности использовалась в вышеназванной рабою Свнрпдог-а ¡1 Трон;¡хина. Для исследования зависимости АЧХ от дат--.'Гоностн импульса возбуждения мы использовали две цепи -олноззеннуго ЛМС н трехзвенную ЛМС. Для исследования АЧХ мы использовали двухсекционные разрядные ячейки из ВеО керамики длинной 20 см II внутренним диаметром 2 мм, 1.5 мм. Для

«осуждения лшши ыапигшого сжатия нами разработан генератор сдиоашых нмпульсоз. Генератор обеспечивал минимальную временную задержку второго импульса 40 мке, что эквивалентно^ частоте следования импульсов 25 кГц. Напряженке зарядки лиюш магнитного сжатия составляло 20 кВ, а амплитуда второго импульса, отличалась только на 10% от ампли туда первого импульса. При частотах менее 15 кГц

15

генератор обеспечивал два идентичных по амплитуде импульса, при напряжении зарядки линии магнитного сжатия до 25 кВ.

Для выявления влияния удельного энерговклада на АЧХ импульс возбуждяшя подавался на разрядную ячейку сквозь проходные емкости, величины которых определяли удельный энерговклад. Для исследования зависимости АЧХ от длительности импульса возбуждения мы сравнивали АЧХ при возбуждении от трехзвенной и одаозвенной ЛМС дающих соответственно время нарастания импульса тока 6 л 20 не. Графики зависимости относительной энднни второго нмпул1>са г) от ехр(-кЛ), которые в случае влияния только колебатешлой релаксации должны иметь характер прямой лншш, могут обнаружить отклонения в случае вклада иных механизмов. Как в идя о из приведенной на рис. 4 зависимости, указанные выше отклонения действительно обнаруживаются дня частот повторения свыше 10 кГц. Указанные частоты достигаются при использовании ячейки диаметром 1.5 мм при выполнении определенных условий по ограничению удельного энерговклада. При использовании ячейки диаметром 2 мм мы не смогли найти реж!мы, в которых реалнзовывалась частота повторения свыше 10 кГц и соответственно возникали отклонения от лилейной зависимости.

Сравнение АЧХ для проходных емкостей 10 и 20 пФ рис. 5 кривые 1, 2 показывает, что при ограшггснни удельного энерговклада существенно увеличивается предельная частота следования, хотя как и в ранее проведенных экспериментах удельный энерговклад не оказывал влияние на линейный участок АЧХ и соответственно на Ггоа*. Еще большее увеличение предельной частоты повторения происходят при использовании более коротких импульсов возбуждения кривые

Рис.4. За'шлшсгть ко^фингеша сяпжсиия энергии импульса генерации Ц от схр (-к/1) дзя #ч*.ч*к ратшчн-чо днаммра. График 1 - ячейка диаметром 2 мм, ь.о'>';1'и;шеН| к'отсбзтель'иоч релаксации К=81)О0 с1. График 2- ячсй-ка диаметром 1.5 мм, ко х^фанке.чг колебаголыюй релаксации К= 11500 с-1. Давление

Рис.5. Зависимости коэффициента снижешы энергтш импульса генерации Ыг-лазера частоты следовашш при различных удельных энерговкладах и различных временах нарастания импульса тока для ВеС-ячеПхн диаметром 1.5 мм. Давление азота в ячейке 20 мм рт.ст. ) -энерговклад \Y-17 мДж/см3, время нарастания х=6 не, 2-\\'=3 'г мДж/см3, т=6 не 3-\У=Ю2 мДж/см3, т=20 не

Глава 3 посвящена исследованию пространственных характеристик азотного лазера низкого давления. В разделе, посвященном исследованию пространственной структуры генерации волноводаых Мг-лазеров, проведен анализ наиболее распространенных волноводных резонаторных конфигураций, обладающих минимальными потерями связи. Нами исследовалась возможность получения одномодовой генерации в волноводном Ыг-лазере при использовании резонаторной конфигурации типа "модовый фильтр". Мы использовали симметричный резонатор, в котором в качестве выходного зеркала применена кварцевая сферическая подложка со скошенной плоской второй стороной, а в качестве глухого зеркала такая же подлояжа, но покрытая слоем А1. Рйдиус кривизны зеркал и расстояние до торцов волновода соответствовали резонаторной конфигурации "модовый фильтр" и составляли соответствешю 11=80 ем и г=40 см. В качестве волновода ыы использовали капилляр из керамики ВеО диаметром 0.65 мм и длиной 20 см. Линейная поляризация излучения генерации обеспечивалась использованием окон Брюстера. Возбуждение производилось продольным разрядом, дающим более однородное распределение усиления по сечешпо капилляра.

Уменьшение необходимого коэффициента усиления для достижения порога генеращш по сравнению с режимом сверхсветимости при введении выходного зеркала и дополнительная селекция мод на выходном торце волновода позволили реализовать одномодовый редаш генеращш при удельной выходной мощности 3 кВт/см3. Полученная расходимость по . уровню интенсивности 1/е ф=1 мрад равна дифракционной. Длительность импульса генеращш по основаншо составляла 8 не, а излучение генеращш совершало всего одни полный обход по резонатору лазера. Однако моДовая структура генерации оказалось сформированной, что не противоречит теореме Ван-Цютерта - Цершпсе из которой следует, что при числе зон Френеля

основного пятна , пятна неправильной формы и распределения яркости и имеющего значительно большую расходимость.

Мы исследовали прострапствашые, энергетические и корреляционные характернее леи генерации Ni-лазера низкого давления при условии одновремешюго существовашш генеращш на пространственных модах резонатора "Фабри-Перо" и паразитной генеращш. Исследовалось также влитии внутрирезопаторного рассеяния на стенках хапшшяра на пространствс!шую структуру и характер генерации.

Одним из методов устранения паразитной генерации с участием боковых стенок является использование стенок с шероховатостью, позволяющей значительно уменьшить их коэффициент отражения. Данный метод широко используется дня подавления паразитной генерации в твердотельных лазерах.

Мы определили зависимости удельной доли энергии паразитного излучения в общей энергии генеращш от длины резонатора. Резонатор лазера был образован плоской кварцевой пластинкой, расположитной у торца разрядного капилляра и плоским А1 зеркалом, расположение которого и определяло длину резонатора. В качестве разрядной ячейки использовался керамический капилляр диаметром » .5 мм и длиной 20 см. В экспериментах наблюдалась четкая тенденция уменьшения доли паразитной генеращш и ' уменьшения общей расходимости лазерного пучка при увеличении длины резонатора и степмш асимметричности.

Для исследования влияния внутрирезонаторного рассеяния на пространстваглую структуру излучения генерации №-лазера мы разместили внутри резонатора плоский образец ВеО керамики с шероховатой поверхностью таким образом, чтобы выполнялось условие зеркального отражения для излучения генеращш. Окна Брюстера задавали направление плоскости поляризации, перпендикулярное плоскости падения пучка ira образец. Длина резонатора выбиралась таким образом, чтобы 90% излучения содержалось з основноймоде

21

ТЕМоо. Нами измаялась зависимость энергии генерации, содержащаяся в пятне, соответствующем моде ТЕМоо от угла наклона образца керамики по отношению к оси лазера. "Для исключения влияния сверхсветимости измерения производились при удельной выходной мощности не более 3 кВт/см3, при этом нами предварительно была снята зависимость выходной мощности лазера от уровня виутрирезонаторньхх потерь.

На графике рис. 6 приведены экспериментальные точки коэффициента отражения ВеО образца определенные при различных углах наклона. Экспериментальные точки получены методом калибровки выходной мощности лазера с использованием откалиброванных внутрнрезонаторных ослабителей. Сплошные кривые построены с учетом 20% относительной погрешности при средней: высоте микронеровностен ст =2мкм по приведенной формуле. При углах наклона более 3.5° происходил срыв генерации. По значениям .измеренных коэффициентов отражения дня различных углов падения вычислялись значения микронеровностсй. Полученные значения свидетельствовали о том, что основной вклад в

формировании "паразитной" генерации в №-лазере при наличии шероховатости вносит зеркальная компонента светорассеяния."

Рис. 6. Зависимость коэффициента отражения образца из ВеО-керамики от утла поворота плоскости образца к оптической оси №-лазера.

основного пятна , пятна неправильной формы и распределения яркости и имеющего значительно большую расходимость.

Мы исследовали пространственные, энергетические и корреляционные характеристики генерации №-лазера низкого давления при условии одновременного существования генерации на пространственных модах резонатора "Фабри-Перо" и паразитной генерации. Исследовалось также влияние внутрирезонаторного рассеяния на стенках капилляра на пространственную структуру и характер генерации.

Одним из методов устранения паразитной генерации с участием боковых стенок является использование стенок с шероховатостью, позволяющей значительно уменьшить их коэффициент отражения. Данный метод широко используется для подавления паразитной генерации в твердотельных лазерах.

Мы определили зависимости удельной доли энергии паразитного излучения в общей энергии генерации от длшты резонатора. Резонатор лазера был образован плоской кварцевой пластинкой, расположенной у торца разрядного капилляра и плоским А1 зеркалом, расположение которого и определяло длину резонатора. В качестве разрядной ячейки использовался керамический капилляр диаметром ..5 мм и длиной 20 см. В экспериментах наблюдалзсь четкая тенденция уменьшения доли паразитной генерации и' уменьшения общей расходимости лазерного пучка при увеличении длины резонатора и степени асимметричности.

Для исследования влияния внутрирезонаторного рассеяния на пространственную структуру излучения генерации №-лазера мы разместили внутри резонатора плоский образец ВеО керамики с шероховатой поверхностью таким образом,, чтобы выполнялось условие зеркального отражения дтя излучения генерации. Окна Брюстера задавали направление плоскости поляризации, перпендикулярное плоскости падения пучка на образец. Длина резонатора выбиралась таким образом, чтобы 90% излучения содержалось в основной моде

21

ТЕМоо. Нами измерялась зависимость энергии генерации, содержащаяся в пятне, соответствующем моде ТЕМоо от угла наклона образца

сверхсветимости измерения производились при удельной выходной мощности не более 3 кВт/см3, при этом нами предварительно была снята зависимость выходной мощности лазера от уровня внутрирезонаторных потерь.

На графике рис. 6 приведены экспериментальные точки коэффициента отражения ВеО образца определенные при различных углах наклона. Экспериментальные точки получены методом калибровки выходной мощности лазера с использованием откалиброванных внутрирезонаторных ослабителей. Сплошные кривые построены с учетом 20% относительной погрешности при средней высоте микронеровпостей а =2мкм по приведенной формуле. При углах наклона более 3_5° происходил срыв генерации. По значениям .измеренных коэффициентов отражения для различных углов падения вычислялись значения мнкронеровностсй. Полученные значения свидетельствовали о том, что основной вклад в

керамики по отношению к оси лазера. "Для исключения влияния

формировании "паразитной" генерации в №-лазере при наличии шероховатости вносит зеркальная компонента светорассеяния."

Рис. 6. Зависимость коэффициента отражения образца из ВеО-керамики от утла поворота плоскости образца к

'1 оптической оси Кг-лазера.

Общий активный обьем для "паразитного" и основного излучений, а также дифракция должны приводить к когерентности между ¡пили. Мы исследовали наличие когерентности между излучением моды ГЕМоо и "паразишьш" излучением наблюдая интерференцию. При этом использовалась оптическая схема, подобная схеме опыта Юнга с двумя щелями,, расположенными на расстоянии, достаточном для их тр остр а нетленного разделения. Расстояние от лазера до двух щелей было шачителыю меньше соответствующего критерию получения интерференции от некогерентного источника и составляло 1 м. Диаметр зазрядной ячейки был равен 2 мм. Для компенсации различия инген-атиости пучков излучение ТЕМоо- моды пропускалось через щель пириной 0.05 мм и высотой 0.5 мм, а паразитное излучение через щель лирикой 1 мм и высотой 3 мм. Точная балансировка интенсивностей от твух щелей осуществлялась изменением длины резонатора'в пределах от 15 до 40 см перемещением глухого зеркала. Интерферешцюнная картина фотографировалась на пленку Фото-65 на расстоянии, достаточном для таложения первых дифракционных максимумов излучения от этих щелей. Четкие интерференционные полосы свидетельствовали о наличии тространствешюй когерентности между излучением моды ТЕМоо и 'паразитной" генерации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 1. Показало,, что КПД генерации в Иг-лазсрах низкого давления с гяратронным коммутатором при использовании цепи магнитного сжатия шше нежели при использовашш цепи Блюмлейна, а так же, что импульсная мощность N2-лазер а низкого давления с тиратронным соммутатором и лиfшeй магнитного сжатия растет в зависимости близко тролорциональпой квадрату коэффициента временного сжатия. I. Разработан мощный генератор . наносекундлых импульсов с гиратроном типа ТГИ 1000/25 и трехзвенной линией магнитного сжатия с 5ременсм нарастания импульса тока 6 не, импульсным

23

напряжением до 50 кВ и импульсным током 5 кА, предназначенный для эффективного возбуждения №-лазеров низкого давления с высокой частотой повторения (2 кГц в регулярном режиме, 25 кГц в режиме сдвоенных импульсов).

3.Показано выполните соотношения подобия на амплитудно-частотные характдшетики в №-лазерах низкого давления с диффузионным охлаждением.

4.Сокращение времени нарастания переднего фронта импульса тока л сокращение удельного энерговклада не изменяет существенно ГШах, однако позволяет существенно увеличить предельную частоту следования импульсов генерации в N2-лазерах низкого давления с диффузионным охлаждением.

5.Методом сдвоенного импульса экспериментально показана пршщипиальная возможность получеты генерации с частотой следования 22 кГц в Кг-дазере низкого давления с диффузионным охлаждением.

б.Ограшщенпе выходной удельной мощности на уровне 3 кВт/см3 в волноводном Иг-лазере с резонатором типа "модовый фильтр" позволяет реализовать одиомодовую генерацию на моде ЕНи.

7.Прячнной возникновения паразитной генерации в Ыг-лазсрах с шероховатой стенкой капилляра является наличие зеркальной компоненты светорассеяния.

Е.Показана взаимная когерентность излучения моды ТНМоо и паразитной генерации в №-лазере низкого давления с цилиндрическим капилляром.

Оеновщ-ге результаты диссертации опубликованы в работах

1. S.V. Kuklilevsky, A.S. Provorov, M.Yu. Rcushev, V.V. Salmin Г Tunable IR and UV Waveguide Gas Lasers for Application in Biology and Medicine."// Proc.2-nd ICLSSBO, Pees, Hungary. {988 , p.268.

2. Капчнгашев И.Ю., Кухдевский С.В., Пагрин В.В., Проворов А.С., Салмин В.В. / "Волнозодные нмиульспо-периодические газовые лазеры для спектроскоп™ комбинационного рассеяния света"// В сб. "IV Всесоюзная конференция по спектроскопии комбинащюнного рассеяния света'', Красноярск, 1989, с 202-203.

3. Кухлевский С.В., Патрин В.В., Проворов А.С., Салмин В.В. / "Волноводный №-лазер" // Препринт N 638 Ф, ИФ СО АН СССР, Красноярск 1990. ■

4. Kuhlevsky S.V., Patryn V.V., Provorov A.S., Salmin V.V. /"UV waveguide gas laser for biological and medical diagnostic methods .7/SPIE, vol.1403, Laser Applications in Life Sciences, 1990, 799-800.

5. А.Л. Добривский, A.C. Проворов, М.Ю. Реушев, В.В. Салмин, С.А. Фснь. и др J "Исследование и моделирование физических процессов в волноводных газовых лазерах."// Отчет по НИР Ном. госрегистрации 01870092368 , КрГУ, Красноярск, 1990.

6. Кухлевский С.В., Патрин В.В., Проворов А.С., Салми'н В.В. / Волноводный №-лазер." //"Квантовая электроника", 18, N7, 1991, 791794.

7. А.С. Проворов, В.В. Патрин, М.Ю. Реушев, В.В. Салмин, С.А. Фень / "Разработка волноводных газовых лазеров для целей лазерной диагностики в ИК и УФ - диапазонах." II В кн. Лазерная физика. Вып.2, Санкт-Петербург, 1992 г., с.14.

8. Проворов А.С., Салмин В.В. / " Компактный Ni-лазер с магнитным сжатием" //"Квантовая электроника", 20, N6, 1993, 608-610.

9. V.V.Salmin, A.S. Provorov, V.V. Patrin, S.V. Makeev /"Low pressure N2-lasers with a magnetic compression line and their applications." //Proceed. Of the 3-rd Russian-Chinese Symp. On Laser Physics and Laser Technology.