Динамика коэффициента усиления на высоких колебательных переходах молекулы окиси углерода в газовых средах, возбуждаемых импульсным электроионизационным разрядом тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ имени П Н ЛЕБЕДЕВА

на правах рукописи

КЛИМАЧЕВ Юрий Михайлович

ДИНАМИКА КОЭФФИЦИЕНТА УСИЛЕНИЯ НА ВЫСОКИХ КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ ПЕРЕХОДАХ МОЛЕКУЛЫ ОКИСИ УГЛЕРОДА В ГАЗОВЫХ СРЕДАХ, ВОЗБУЖДАЕМЫХ ИМПУЛЬСНЫМ ЭЛЕКТРОИОНИЗАЦИОННЫМ РАЗРЯДОМ

специальность 01 04 21 лазерная физика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

003165513

Москва 2008

Работа выполнена в Физическом Институте им П Н Лебедева РАН

Научный руководитель. доктор физико-математических наук,

профессор Ионин Андрей Алексеевич

Научные консулы анты • кандидат физико-математических наук,

доцент Котков Андрей Александрович, кандидат физико-математических наук Синицын Дмитрий Васильевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Петраш Георгий Георгиевич (ФИАН) доктор физико-математических наук, профессор Гурашвили Виктор Арчельович (ТРИНИТИ)

Ведущая организация* Государственное унитарное предприятие "Научно-

производственное объединение Астрофизика" (ГУП "НПО Астрофизика", Москва)

Защита диссертации состошся " 31" марта 2008 г в _12_ час на заседании Диссертационного Совет Д 002 023 03 в Физическом институте им IIН Лебедева РАН

Адрес 119991, Москва, Ленинский пр-т, 53, Физическом институте им П Н Лебедева РАН, Ученому секретарю Диссертационного Совета

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Физического института им П Н Лебедева РАН по вышеуказанному адресу

Автореферат разослан "di" ¿^Ш^ер - 2008 г

Ученый секретарь Диссертационного Совета / /J

доктор физико-математических наук, профессор / //

Актуальности темы диссертационной работы

Среди молекулярных лазеров, действующих в средней инфракрасной области спектра, лазеры на окиси углерода выделяются высокой эффективностью и широким диапазоном перестройки частоты излучения [1-3] Применение электроионизационного (ЭИ) метода накачки активной среды (АС) СО лазера [4] в сочетании с ее охлаждением до температур -100 К позволило достигнуть эффективности преобразования энергии накачки в энергию когерентного излучения ~50-60% [5, б]

Спектр излучения СО лазера, который действует на фундаментальных (основных) колебательно-вращательных переходах, те с изменением номера колебательного уровня на единицу (V—>У-1), лежит в диапазоне длин волн от ~4 7мкм, колебательная полоса 1—>0, [7] до ~8 2 мкм, колебательная полоса 37—>36 [8] Вместе с тем, электроразрядный СО лазер может работать и на переходах первого колебательного обертона (\Л->У-2) молекулы СО [9, 10] В настоящее время генерация излучения обертоннош СО лазера получена на -400 колебательно-вращательных переходах в диапазоне длин волн от -2 5 мкм (полоса б—>4) до -4 2 мкм (полоса 38-»36) [11-13] Повышенный интерес к обертонному СО лазеру связан с тем, что его спектральный диапазон перекрывает "окно прозрачности" атмосферы (спектральная область с малым поглощением) в диапазоне от 3 3 мкм до 4 1 мкм [14-15], что позволяет транспортировать лазерное излучение в атмосфере с минимальными потерями Кроме того, множество спектральных линий обертонного СО лазера совпадает с линиями поглощения как простых веществ, так и органических соединений [16], что дает возможность использовать излучение обертонного СО лазера в лазерной химии и лазерной спектроскопии

Следует отметить, что генерация излучения обертонного СО лазера с длиной волны более 3 мкм происходит на высоких (У>15) колебательно-вращательных переходах [13] На таких высоких переходах начинают проявляться процессы многоквантового колебательного обмена (МКО) [17-19], которые оказывают влияние на формирование и релаксацию колебательной функции распределения (КФР) молекул СО в АС лазера Авторы указанных работ показали, что когда вероятность обмена т-квантами

СО(У)+СО(и)->СО(У-т)+СО(и+т) (1)

приближается к единице, в соответствие с общими принципами квантовой механики становятся существенными процессы обмена т+1 квантами Как

следует из работы [19], константы скорости процессов (1) с т=2, 3 примерно равны константам скорости одноквантовых процессов в диапазоне У~10-30

Развитие теоретической модели кинетики АС электроразрядных СО лазеров с учетом МКО осуществлено в работе [20] Были произведены сравнения результатов расчетов по моделям одноквантового колебательного обмена (ОКО) и МКО не только стационарных КФР молекул СО, но и динамики их установления и релаксации при импульсном возбуждении Было показано, что стационарные КФР слабо зависят от выбора модели колебательно-колебательного (УУ) обмена Поэтому представляют интерес те эксперименты, в которых можно было бы обнаружить существенные отличия между моделями

Кроме того, характерные времена формирования инверсной населенности (ИН), а, следовательно, и динамика коэффициента усиления слабого сигнала (КУСС), очень важны для быстропроточных СО лазеров как с поперечной прокачкой активной среды [9, 21-24], так и с продольной [25-27], поскольку эти времена нужно учитывать при разработке конструкции этих лазеров Таким образом, возникает необходимость в исследовании динамики КУСС в АС СО лазера в различных экспериментальных условиях, в частности, характерных, для СО лазеров с быстрой прокачкой активной среды Причем, наиболее важные из этих условий (удельный энерговклад, плотность и состав газовой смеси) можно промоделировать на импульсной ЭИ СО лазерной установке со стационарным криогенным охлаждением активной среды

В СО лазере зависимость КУСС от температуры играет особенно существенную роль [28] Известно, что трудно измерять температуру газа непосредственно в области электрического разряда [29] Это позволяет сделать метод многочастотного зондирования АС импульсного СО лазера излучением непрерывного СО лазера [30] Однако, реализованная в [30] точность измерения КУСС в 10% приводит к высокой (—200 К) погрешности определения температуры газа при использовании такой методики [31] Для повышения точности необходимо увеличить число зондируемых переходов в несколько раз

Температура газа также является важным фактором, влияющим на пороговое значение содержания синглетного кислорода в кислород-иодных лазерах как химических [32, 33], так и электроразрядных [34] Электроразрядный генератор синглетного кислорода может быть создан и на основе ЭИ разряда Как было показано в наших работах [7*-8*] ЭИ разряд в кислороде стабилизируется при помощи добавления небольшого количества окиси углерода Этот факт открывает возможность детектирования динамики

температуры в кислородных смесях с накачкой в ЭИ разряде при помощи многочастотного зондирования излучением непрерывного СО лазера

Целью диссертационной работы является экспериментальное исследование динамики КУСС на высоких (У>15) основных (V—АМ) и обертонных (V—>У-2) переходах молекул СО, возбужденных в импульсном ЭИ разряде в широком диапазоне экспериментальных условий, для обоснования теории многоквантового колебательного обмена, получения информации о характерных временах формирования и жизни инверсной населенности, необходимой для оптимизации работы быстропроточных электроразрядных СО лазеров, а также измерения динамики температуры газовых сред, содержащих возбужденные молекулы СО, методом многочастотного лазерного зондирования, в том числе в смесях с большим содержанием кислорода, разряд в которых стабилизирован небольшими добавками молекул СО

Эксперименты проводились на криогенных ЭИ лазерных установках в лаборатории Газовых лазеров Отделения Квантовой Радиофизики (ОКРФ) Физического Института им П И Лебедева Российской Академии наук (ФИАН, г Москва) в рамках совместного экспериментально-теоретического исследования кинетических процессов, происходящих в АС ЭИ СО лазера Теоретические расчеты были проведены в ГНЦ РФ Троицком Институте инновационных и термоядерных исследований (ТРИНИТИ, г Троицк, Моек обл) профессором доктором физ-мат наук АП Напартовичем и кандидатами физ -мат наук А К Курносовым И В Кочетовым, и С Л Шныревым совместно с профессором доктором физ -мат наук Коневым Ю Б (Институт высоких температур РАН)

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем

1 Разработан метод двойной модуляции добротности резонатора (МДР) в селективном ЭИ СО лазере для исследования кинетики обмена колебательными квантами молекул СО Измерено время восстановления инверсной населенности на выделенных колебательно-вращательных переходах колебательных полос от 5->4 до 33—>32 включительно На основе сравнения полученных экспериментальных результатов с теоретически рассчитанными, выполненными на основе моделей МКО и ОКО, показано, что только модель МКО позволяет адекватно описать результаты проведенного эксперимента

2 Измерена динамика нарастания (передний фронт) КУСС на высоких обертонных переходах ЭИ СО лазера от 20-» 18 до 36—>34 для смесей СО Не и СО N2 при различных удельных энерговкладах с помощью метода изменяемых

внутрирезонаторных потерь (ИВП) на временах до 0,5 мс после начала импульса накачки Подтверждена необходимость использования модели МКО, включающей процессы несимметричного УУ обмена, для описания характеристик импульсного ЭИ СО лазера на высоких обертонных переходах

3 Измерена временная зависимость КУСС на высоких 15<У<32 основных колебательно-вращательных переходах молекулы СО в ЭИ лазерном усилителе на временах существования ИН (несколько миллисекунд) в широком диапазоне экспериментальных условий с помощью специально разработанного и созданного непрерывного селективного СО лазера На основе сравнения экспериментально полученных временных зависимостей КУСС с результатами расчетов, выполненных на основе моделей МКО, произведена оценка локального удельного энерговклада в различные газовые смеси ЭИ лазерного СО усилителя

4 Применительно к АС импульсного ЭИ СО усилителя усовершенствован метод многочастотного лазерного зондирования, что позволило значительно увеличить точность измерения динамики температуры АС и населенностей колебательных уровней молекул СО На основе этого метода при зондировании излучением пробного непрерывного СО лазера на 10 колебательно-вращательных переходах измерена динамика температуры после импульса ЭИ разряда с точностью -3-6 % в смесях СО Не, СО N2 и СО 02

5 Осуществлена стабилизация ЭИ разряда в кислороде за счет небольших добавок молекул СО или Н2, что позволило повысить удельный энерговклад в кислород в десятки раз Получена генерация в криогенном ЭИ СО лазере на смесях с большим (до 95%) содержанием молекул О2 и измерена динамика КУСС в такой АС

В диссертации автор защищает следующие положения

1 Время восстановления инверсной населенности на колебательных переходах основной полосы от 5^4 до 33—>32, измеренное при помощи метода двойной МДР в селективном ЭИ СО, лазере составляет 1 8-6 3 мкс в зависимости от экспериментальных условий Как свидетельствует сравнение полученных экспериментальных результатов с теоретически рассчитанными на основе моделей МКО и ОКО, именно модель МКО наиболее адекватно описывает экспериментальные данные

2 В импульсном ЭИ СО лазерном усилителе время жизни ИН на колебательно-вращательных переходах молекулы СО составляет несколько миллисекунд в зависимости от экспериментальных условий Максимальное

значение КУСС в обертонной полосе достигает 0 43 м"1 (переход 33—>31) Локальный удельный энерговклад может быть определен на основе сравнения экспериментально полученных временных зависимостей КУСС для основных и обертонных переходов с результатами расчетов на основе модели МКО Зависимость максимального значения КУСС от номера колебательного уровня на высоких, вплоть до 38—>36, обертонных переходах в азотных смесях подтверждает существование несимметричного VV'-обмена между молекулами N2 и СО

3 При увеличении доли кислорода X в смесях СО Не 02=1 4Х максимум КУСС Gmax на низких (6<V<13) основных переходах возрастает за счет роста населенности на соответствующих колебательных уровнях 'На переходе 10—>9 Р(15) при Х=2 0 значение Gmax в 6 раза больше, чем для смеси без кислорода (Х=0) Время существования инверсной населенности при увеличении X сокращается Эффективность генерации ЭИ СО лазера с кислородосодержащей газовой смесью на основных переходах достигает 47%

4 Увеличение точности измерения до 3-6 % временной зависимости температуры АС и населенностей колебательных уровней молекул СО, возбуждаемых импульсным ЭИ разрядом, достигается за счет использования метода многочастотного лазерного зондирования АС излучением пробного непрерывного СО лазера на 10 колебательно-вращательных переходах Метод позволяет измерить динамику температуры на временах до 1 мс в смесях СО Не и СО N2 (начальная температура Т-100 К), а также в кислородосодержащих смесях (начальная температура Т-100 К и -300 К), ЭИ разряд в которых стабилизирован за счет небольших (-1-10%) добавок окиси углерода

Все перечисленные в защищаемых положениях результаты получены впервые

Практическая значимость диссертационной работы заключается в том, что результаты экспериментального исследования кинетических процессов, происходящих в активной среде импульсного ЭИ СО лазера, действующего на высоких (V>15) колебательно-вращательных переходах молекулы СО могут быть использованы для оптимизации работы быстропроточных (в т ч сверхзвуковых) СО лазеров на обертонных и высоких основных переходах, позволили проверить полную кинетическую модель импульсного электроразрядного СО лазера Кроме этого, данные результаты продемонстрировали возможность дистанционного измерения динамики температуры в газовых средах, содержащих окись углерода и возбуждаемых

импульсным разрядом, а также возможность генерации СО лазера на смесях с большим (до 90%) содержанием кислорода в том числе на смеси СО воздух

Апробация результатов работы Материалы, включенные в диссертацию, докладывались на 32 конференциях, 20 из которых международные, в том числе на таких конференциях как

• XI Int "Symp on Gas Flow and Chemical Laser and High Power Laser Conf', 2530 Aug 1996, Edinburgh, UK

• XVI Int Conf Coherent and Nonlinear Optics, Moscow, Russia, 29 June - 3 July, 1998

• Int Conf "LASERS 2000", 4-8 Dec 2000, Albuquerque, NM, USA

• IV Symp on High Power Laser Ablation"," 22-26 Apr 2002, Taos, NM. USA

• Photonics West 2004 Gas and Chemical Lasers, and Applications III, 24-29 January 2004, San Jose, California, USA

• XV Int Symp Gas Flow and Chemical Lasers & High Power Laser Conf, 30 Aug - 3 Sept 2004, Prague, Czech Republic, 2004

• Atomic and Molecular Pulsed Lasers VI, 12-16 September 2005, Tomsk, Russia

• XII Conference on Laser Optics, 26 - 30 June 2006, St Petersburg, Russia,

• Int Conf Coherent and Nonlinear Optics & Int Conf on Lasers, Applications, and Technologies, May 28- June 1,2007, Minsk, Belarus

Публикации Основные результаты диссертации были опубликованы в работах [1*-15*]

Вклад автора. Все излагаемые в данной работе экспериментальные результаты получены лично автором или при непосредственном участии автора

Структура и объем работы Диссертационная работа состоит из Введения, пяти Глав, Заключения, Приложения и списка литературы Общий объем работы - 146 страниц, 102 рисунка, 5 таблиц, библиография - 231 наименование

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во Введении кратко обсуждаются кинетические процессы, происходящие в активной среде СО лазера, экспериментальные и теоретические исследования генерационных характеристик лазера, действующего на колебательных переходах молекулы СО Представлено обоснование актуальности темы исследования, сформулированы цель работы и защищаемые положения

В Главе 1 представлен обзор экспериментальных и теоретических работ, посвященных исследованию кинетических процессов, происходящих в АС электроразрядных СО лазеров Исследованию генерационных характеристик 8

электроразрядных СО лазеров посвящено очень большое количество работ, опубликованных как у нас в стране, так и за рубежом В предлагаемом обзоре проанализированы те работы, в которых в той или иной степени затрагиваются аспекты сравнения теоретически рассчитанных и экспериментально измеренных характеристик электроразрядных СО лазеров, прежде всего с криогенным охлаждением и с накачкой ЭИ разрядом Обсуждается также роль кислорода в АС электроразрядных СО лазерах и исследования разряда в смесях с большим содержанием молекул 02

В Главе 2 приводится описание двух криогенных импульсных ЭИ лазерных установок с активным объемом 2,4 литра и 18 литров, сходных по конструкции, на которых проводились эксперименты .по исследованию кинетических процессов, происходящих в активных газовых смесях, содержащих молекулы СО В большинстве описанных экспериментов длительность импульса ЭИ разряда составляла ~40мкс Условия накачки активной среды лазера при криогенных температурах характеризовались величиной удельного энерговклада в единицах Дж/(л Амага) (Амага -внесистемная единица относительная плотность, численно равная количеству молей в молярном объеме) В экспериментах удельный энерговклад С)1П изменялся от ~20 до ~1000 Дж/(л Амага) Плотность лазерной смеси N могла варьироваться от 0 02 до 0 5 Амага, а температура Т от ~ 100 до 300 К Система регистрации параметров лазерного излучения позволяла измерять энергию лазерного импульса, его временную форму, регистрировать спектр излучения

Описана конструкция, созданного непрерывного криогенного СО лазера низкого давления с накачкой в разряде постоянного тока и медленной прокачкой газовой смеси, который использовался в дальнейших исследованиях как источник пробного непрерывного ИК излучения для измерения КУСС импульсного ЭИ СО лазера Была получена частотно-селективная генерация на более чем 200 переходах молекулы СО в основной полосе от 6-»5 (Х~5 0 мкм) до 32—>31 (Х~7 5 мкм) с мощностью до 1,5 Вт

В Главе 3 представлены исследования степени восстановления ИН в АС ЭИ СО лазера по отношению И энергии второго импульса к энергии первого в режиме двойной МДР, с помощью разработанной автором оптической схемы, позволяющей независимо регулировать как спектральный состав лазерного излучения, так и его временные характеристики, а также сравнение результатов экспериментов с результатами теоретических расчетов, выполненных на основе моделей ОКО и МКО

Были построены зависимости величины И от времени задержки между импульсами для разных переходов, полученные в одинаковых условиях. Для анализа полученных результатов определялось время восстановления величины И до уровня 0.8, которое обозначалось как То.8- При прочих равных условиях время восстановления т0.8 росло с увеличением номера V колебательного перехода от 3.0 мкс (У=5) до 6.3 мкс (У=15). Данный факт можно объяснить тем, что к моменту включения добротности резонатора на нижних переходах количество колебательно возбужденных молекул значительно больше чем на верхних. Поэтому восстановление ИН на нижних переходах происходит быстрее. При прочих равных условиях время восстановления т0.8 росло с уменьшением удельного энерговклада от 1.8 мкс (Ош = 350 Дж-л'^Амага"1) до 4.5 мкс (<3Й = 270 Дж.л"'»Амага"'). Данный факт, как и в предыдущем случае, объясняется уменьшением количества возбужденных молекул на исследуемых колебательных уровнях к моменту включения добротности резонатора, пропорциональным уменьшению удельного энерговклада.

Было проведено сравнение экспериментальных результатов с теоретическими расчетами зависимости II от Хи2- На рис. 1 представлены результаты расчетов по модели МКО (сплошные линии) и экспериментальные данные, отмеченные точками. Там же приведены аналогичные зависимости, рассчитанные с помощью модели ОКО (пунктир). Как видно из рис. 1, модель АС СО лазера, учитывающая МКО, описывает экспериментальные результаты значительно лучше, чем модель ОКО. Результаты исследований явились первым прямым экспериментальным подтверждением модели МКО.

Рис. 1. Степень восстановления энергии И от времени задержки Т[_2; теория МКО (сплошная линия), теория ОКО (пунктирная линия) и эксперимент (точки): а - переход 15^14Р(13), (^„=330Дж/(л.Амага); б - переход 19—>18Р(15), <21п=330Дж/(л-Амага);

В Главе 4 описаны результаты исследования динамики КУСС на высоких основных и обертонных переходах молекулы СО при импульсной ЭИ накачке газовых смесей, а также результаты исследования генерация импульсного ЭИ СО лазера на газовых смесях с большим содержанием кислорода.

Динамика КУСС обертонных переходов, измеренная методом ИБП Метод ИБП основан на том, что генерация излучения внутри лазерного резонатора возникает в условиях превышения усиления в АС лазера над оптическими потерями резонатора за один полный обход его излучением. В эксперименте измерялось время задержки та между началом импульса накачки и началом импульса генерации для различных величин внутрирезонаторных оптических потерь. Данное время соответствовало моменту, когда в АС на выбранном переходе КУСС достигал значения полных потерь резонатора, измеренных для всех его элементов. Увеличение полных потерь резонатора удлиняло время Далее строился график зависимости КУСС от времени Тн-

На рис. 2а представлены зависимости временной задержки Та от колебательного номера V обертонного перехода (У+2—»V) для лазерных смесей СО:Не=1:4 и СО:Ы2=1:9, измеренные в условиях минимальных потерь резонатора. Обе зависимости ведут себя практически одинаково, что свидетельствует о слабом влиянии состава лазерной смеси на временные характеристики

нарастания КУСС. На рис. 26 приведена зависимость величины Рис. 2. Зависимости времени задержки Та (а) и максимального значения КУСС максимального значения КУСС Стм (б) от Отах от номера колебательного колебательного номера V перехода У+2->У. перехода для этих двух лазерных

На этом и последующих рисунках, если не смесей д^ смеси газов СО:Не,

указана ошибка измерения, то она укладывается _

величина Отш почти не зависела от

в размер маркера

V и составляла (0.20+0.05) м"1 в исследованном диапазоне колебательных номеров обертонных переходов 18-н36. Для смеси СО:№ зависимость величины

Ощах от V имела иной вщц При увеличении номера перехода величина Отах сначала возрастала от 0 18 м"1 (переход 20-»18 Р(12)) до 0 43 м"1 (переход 33->-31 Р(12)) Дальнейшее увеличение номера перехода приводило к резкому уменьшению величины максимального значения КУСС Это связано, по-видимому, с достаточно резким падением функции распределения молекул СО по колебательным уровням для У>35 Данный факт подтверждает существование квазирезонансного несимметричного УУ' обмена между высоковозбужденными (У~40) молекулами СО и азотом (У'>0)

СО(У)+Ы2(У')->-СО(У-2)+ЩУ'+1) (2)

Механизм влияния данного процесса на населенности высоких уровней молекул СО, а, следовательно и на КУСС, заключается в следующем В смесях с [К2]»[СО] значительная часть потока колебательных энергии вверх по уровням молекул СО перехватывается молекулами N2, находящимися на низких колебательных уровнях Из-за этого населенности колебательных уровней молекул СО с У>40 значительно уменьшаются Несмотря на то, что данный процесс носит явно выраженный резонансный характер, обеднение уровней молекул СО наблюдается и для У=35-39, что можно объяснить влиянием уже УУ обмена между самими молекулами СО При этом «свалившиеся» вниз на несколько уровней от резонанса молекулы СО увеличивают населенности на уровнях с У=24-34, чем объясняется увеличение величины вшах на обертонных переходах с данными колебательными номерами

Сравнение результатов расчетов динамики КУСС, учитывающих МКО, с экспериментальными данными было осуществлено для высоких обертонных переходов При расчетах динамики КУСС были использованы параметры АС и лазерного резонатора, соответствующие условиям экспериментов На рис 3 показаны расчетные зависимости и экспериментальные значения КУСС, показанные точками Как видно из рис 3, между расчетными и экспериментальными данными имеется хорошее согласие в части максимальных значений КУСС, но в то же время остаются заметные различия во временных параметрах динамики КУСС, которые возрастают при увеличении колебательного квантового числа V

Было установлено, что результаты расчетов динамики КУСС весьма чувствительны к значениям удельного энерговклада (УЭ) Данное обстоятельство затрудняет сопоставление теории с экспериментом, т к нам известны лишь усредненные по объему АС значения УЭ С?ш (эти значения не являются локальными величинами) Локальные значения УЭ могут отличаться 12

03 02 0 1 00

03 02 01 00

03 02 0 1 00

03 02 01 00

КУСС, м1

26—>24 Р(12)

29—>27 Р(12)

33->31 Р(12)

300

400

от среднего значения, что вызвано пространственной неоднородностью ионизации газа АС электронным пучком [35] Использованный метод ИБП

в реализованном варианте позволяет измерять только фронт нарастания КУСС Для детальных сопоставлений требуются более точные измерения временной зависимости КУСС во всем диапазоне существования ИН (несколько миллисекунд), а также на временном интервале сразу после начала импульса накачки, когда наблюдается поглощение Для этого необходимо применять метод просвечивания излучением селективного непрерывного СО лазера Динамика КУСС на основных переходах Последующие измерения КУСС импульсного ЭИ СО лазера, проводились с помощью специально созданного селективного непрерывного криогенного СО лазера на основных переходах молекулы СО от 6-»5 до 32—»31 На рис 4 Динамика КУСС на высоких представлен пример временной переходах, определенная зависимости КУСС, измеренной для (маркеры) и перехода 21^20 Р(14) при значении 0ш=150 (Дж/л Амага) в сравнении с теоретической временной зависимостью КУСС при трех различных значениях УЭ Эксперимент удовлетворительно согласуется с теорией при значении локального УЭ 01ОС=94 Дж/(л Амага), которое на 37% меньше чем Ощ Использование в расчете локальных значений, а не средних значений УЭ, позволяет удовлетворительно описать экспериментальные данные по динамике КУСС в широком диапазоне колебательных переходов и при различной плотности активной среды для смеси СО Не=1 4 Такая корректировка УЭ для сравнения экспериментальных и теоретических временных зависимостей КУСС правомерна, т к в широкоапертурных ЭИ усилителях реальный объем, охватываемый ЭИ разрядом может быть больше геометрического объема, заключенного между электродами

А А

36—>34 Р(12)

200 Время, мкс

300

400

Рис 3 обертонных

экспериментально (маркеры) и рассчитанная теоретически СО Не=1 4

КУСС м

Рис 4 Динамика КУСС на переходе 21 н>20 Р(14) в смеси СО Не=1 4 Плотность N=0 12 Амага, начальная температура Т=120 К Зависимости 1, 2, 3 получены в расчете при значениях энерговклада Qioc = 150, 110 и 94 Дж/л Амага Экспериментальная зависимость КУСС приведена при среднем значении Qln=150 Дж/(л Амага)

Полученное для смеси СО N2 разумное согласие теории с экспериментом имеет место при меньшей коррекции УЭ, чем в смеси СО Не Значение локального УЭ <31ос=180 Дж/л Амага, найденное в результате этих расчетов, меньше величины Оап на 28%

Детальное исследование ЭИ разряда в смесях с большим (до 90%) содержанием кислорода показало, что небольшие добавки молекул СО в кислородосодержащие смеси позволяют, во-первых, многократно повысить УЭ, во-вторых, получить увеличение КУСС и, в-третьих, определить динамику температуры и населенности колебательных уровней молекул СО в таких смесях с помощью методики многочастотного лазерного зондирования

Небольшие добавки молекул СО, Н2 или В2 в чистый или в разбавленный благородным газом кислород позволили существенно повысить устойчивость ЭИ разряда и достичь высокой величины УЭ при большом объеме возбуждения (-18 литров) Наибольшее значение УЭ в пересчете на молекулярные компоненты смеси (~6 5 кДж л"1 атм"1) было экспериментально получено для газовой смеси 02 Аг СО=1 10 1 при полном давлении газа 30 Тор

На низких колебательно-вращательных переходах (1~>6 Р(14), 10-»9 Р(15) и 14-ИЗ Р(14)) при добавлении кислорода КУСС многократно увеличивается Этот факт проиллюстрирован на примере перехода 10—>9 Р(15) при пяти значениях X для смеси СО Не 02=1 4 X (рис 5) Наблюдаемое изменение динамики КУСС при добавлении кислорода связано, по-видимому, с процессом межмолекулярного колебательного обмена между молекулами СО и 02

где ДЕу1 - разность по энергии квантов колебательно-вращательных переходов молекул, участвующих в обмене Скорость обмена (3) возрастает при

Динамика КУСС в кислородосодержащих смесях

СО(V) + 02(0) О CO(V-l) + 02(1) + AEvj,

(3)

увеличении колебательного числа V, т к энергия кванта колебательно-вращательных переходов молекулы СО при У~20 сравнивается с энергией кванта молекулы 02 в полосе колебательного перехода 0-»1, равной 1556 см"1

Рис 5 Динамика КУСС на переходе 10-»9 Р(15) для смеси СО Не Ог=1 4 X при пяти значениях X СЬп=130 Дж/(л*Амага) На врезке представлена зависимость максимума КУСС брел от доли кислорода X для <2,„=240 Дж/(л*Амага) (•) и С>щ=130 Дж/(л*Амага) ( ♦)

Механизм увеличения КУСС на переходах с более низких уровней по отношению к резонансным для обмена (3), по-видимому, тот же, что и для процесса (2) При этом в кислородосодержащей смеси КФР молекул СО релаксирует быстрее чем в бескислородний смеси, и происходит это, скорее всего, за счет передачи колебательной энергии через высокие колебательные уровни молекул СО молекулам кислорода

Импульсный ЭИ СО лазер на кислород осодержащих смесях Энергетические и временные характеристики излучения импульсного ЭИ СО лазера исследовались для смеси СО Не 02 = 1 4 X при X от 0 до 4 Выходные окна ЭИ разрядной камеры, изготовленные из СаРз, устанавливались под углом Брюстера к оси лазерного резонатора, причем ось была позиционирована в центре межэлектродного промежутка Лазерный резонатор длиной 3 м был образован глухим сферическим зеркалом с радиусом кривизны 10 м и плоским выходным зеркалом с коэффициент отражения 50% в диапазоне длин волн X от 5

до 6 мкм Апертура выходного излучения была ограничена диафрагмой диаметром 30 мм, установленной вблизи выходного зеркала

При добавлении кислорода сокращались временные параметры импульса лазерного излучения При увеличении содержания кислорода X длительность импульса излучения, измеренная на половине высоты, сокращалась в шесть раз от 120 мкс для исходной смеси до 20 мкс для Х=4 При этом временная задержка между началом импульса накачки и началом импульса лазерного излучения уменьшалась от 30 мкс до 20 мкс, соответственно

30-,

20-

10-

кцд, %

• х = о

л Х=10

Х = 2 0

а X = 4 0

Амага

100

На Рис 6 представлены значения КПД лазера в зависимости от величины удельного энерговклада 0,п при различном содержании кислорода X в смеси Отметим, что при увеличении X сокращалось значение порогового энерговклада, при превышении которого начиналась генерация излучения С увеличением содержания кислорода X КПД лазера возрастал и достигал максимального значения при меньшей величине удельного энерговклада Например, в исходной смеси максимальный КПД=17% достигался при О„=290 Дж/(л Амага), а в смеси с долей

200 300

Рис 6 Зависимость КПД импульсного ЭИ СО лазера от (2,п для смесей с различной долей кислорода X в газовой смеси СО Не Ог=1 4 X кислорода Х=4 максимальный КПД=27% - при 0т=115 Дж/(л Амага) Однако, необходимо отметить, что при увеличении X в газовой смеси СО Не Ог=1 4 X уменьшается максимальный удельный энерговклад с 0т=290 Дж/(л Амага) для Х=0 до (Зш^ИДжДл Амага) при Х=4 С целью стабилизации разряда при больших удельных энерговкладах вместо гелия можно использовать аргон Была продемонстрирована генерация лазерного излучения на переходах СО в газовой смеси с большим содержанием кислорода при замене гелия на аргон Удельный энергосъем вдвое превышал удельный энергосъем в азотной смеси и составил 52 Дж л"1 Амага"1 Спектр излучения лазера с такой смесью газов располагался в диапазоне длин волн от 4 95 до 5 42 мкм и состоял из —30 колебательно-вращательных переходов молекулы СО с номерами от У=3 до У=10

На рис 7 представлена зависимость КПД лазера от величины удельного энерговклада От Для двух газовых смесей СО 02 Аг=1 10 10 и СО N3 Аг=1 10 10 КПД преобразования вложенной энергии в лазерное излучение характеризует соотношение между локальными значениями энергосъема и энерговклада

Однако измерение локального значения УЭ Qioc в плазме импульсного разряда представляет собой весьма трудную экспериментальную задачу Как было показано выше на основе сопоставления расчетных и

экспериментальных данных по динамике КУСС соотношение между локальным и средним значением УЭ Qioc/Qm может изменяться от 0 63 до 0 72 в зависимости от условий возбуждения молекул В этом случае значение КПД СО лазера (КПД = Qias/Qioc 100%) на смеси СО 02 Ar составляло 47% (рис 7) от вложенной энергии и в 1 6 раза превышало КПД в СО лазере (30%) на смеси СО N2 Ar, причем соотношение между значениями КПД лазера достигало 2 5 при Qm = 100 Дж л"1 Амага1 Уменьшение КПД СО лазера на смеси СО 02 Ar при значениях Qm> 170 Дж л"1 Амага4 может быть связано как с нагревом газа, так и с возбуждением электронных состояний молекулярного кислорода [8*]

Моделирование динамики КУСС для сверхзвукового СО лазера В экспериментах по исследованию динамики КУСС были промоделированы условия (температура, удельный энерговклад, давление, состав смеси), характерные для сверхзвукового СО лазера с ВЧ накачкой [10*] Они показали, в-частности, что надежную генерацию в сверхзвуковом СО лазере на переходах 19—>18 и выше, соответствующих окну прозрачности атмосферы, можно получить увеличив давление АС в сверхзвуковом потоке как минимум втрое (до ~30 Topp) при удельном энерговкладе 200-250 Дж (л Амага)"1 В этом случае время достижения максимума КУСС составит ~200 мкс и окажется меньше времени пролета частиц АС от разрядной области до резонатора

В Главе 5 представлены экспериментальные результаты по определению динамики температуры и населенностей колебательных уровней молекул СО, полученные благодаря усовершенствованию метода многочастотного лазерного зондирования применительно к импульсному ЭИ СО лазерному усилителю, работающему на смесях СО Не, СО N2 и СО 02

Ош, Дж л 1 Амага 1

Рис 7 КПД ЭИ СО лазера в зависимости от значения УЭ Q,„ в смесях

1) СО 02 Аг=1 10 10 и

2) СО N2 Аг=1 10 10 Ng = 0 08 Амага, Т0=ЮО К

Восстановление температуры газа методом многочастотного лазерного зондирования представляет собой поиск такой теоретической кривой, которая является наилучшей для описания величин КУСС Б в зависимости от вращательного числа I, измеряемых с определенной погрешностью

В результате проведенного анализа для исследования динамики температуры были выбраны десять спектральных линий из трех последовательных колебательных полос 13—»12 Р(7=9. 13, 15), 14—>13 Р(8, 10, 13,14), 15-Я4 Р(10,14,16)

На Рис 8 представлены результаты восстановления температуры газа кислородной СО 02=1 19 смеси и, для сравнения, - в гелиевой СО Не=1 4 смеси т, к

Рис 9 Динамика температуры газа в активной среде ЭИ СО лазера для газовых смесей

1) СО Не=1 4, N° 0 12 Амага, (2,„= 100 Дж (л Амага) \ То»110 К

2) СО 02=1 19, 0 06 Амага, (2т= 130 Дж (л Амага)То»120 К Точками показаны результаты статистического анализа точности восстановления температуры

В гелиевой смеси температура возрастала к 50-й микросекунде примерно на 10 К (локальное значение начальной температуры газа То« 110 К) и далее оставалась практически постоянной В кислородной смеси к моменту времени г=300 мкс она возрастала на 45 К (Т0» 120 К) Среднестатистическая погрешность восстановления температуры газа в гелиевой смеси составляла ±7 К, а в кислородной смеси ±10 К Изменение плотности газа при его расширении в буферный объем после разряда проявилось в виде уменьшения температуры газа для кислородной смеси (Рис 9) на интервале времени от 300 до 800 мкс

После отработки описанной выше методики была определена динамика температуры газа в смеси СО 02=1 19 при начальной температуре Т и 290 К Температура газа возрастала от начального значения до 415±20К за первые двести микросекунд

Кроме температуры, метод многочастотного лазерного зондирования позволяет восстанавливать населенность колебательных уровней молекул СО [30, 31] Эти эксперименты проводились с целью выяснения причины увеличения максимального значение КУСС Ореак на низких колебательных

переходах в кислородоеодержащих смесях Для газовой смеси СО Не 02=1 4 X повышение содержания кислорода X от 0 до 2 приводило к тому, что для всех трех переходов полосы 10—>9 с 1 = 7, 10 и 15 увеличивалось в 1 4, 22 и 4 раза, соответственно

Было обнаружено, что этот рост связан с увеличением

населенности соответствующих колебательных уровней Например, для колебательного уровня У=9 пиковое значение относительной населенности Пу возрастало почти в пять раз при увеличении X от 0 до

2 (Рис 10) Теоретические оценки показали, что при фиксированной КФР только из-за нагрева рабочей смеси от Т8=140К до Тв=200 К значение КУСС на переходе 10—>9 Р(15), может увеличиться в 1 9 раза, но значения КУСС для 1 = 7 и 10 при тех же условиях должны были уменьшаться Поэтому увеличение вреак на низких колебательных переходах при добавлении кислорода в рабочую смесь слабо связано с нагревом газа В Заключении сформулированы основные выводы диссертации

1 Выполнены исследования времени восстановления ИН, которое характеризует кинетику колебательного обмена высоковозбужденных молекул СО с помощью измерения отношения Я энергий второго и первого лазерных импульсов генерации селективного ЭИ СО лазера с двукратной МДР Время восстановления ИН на колебательных переходах основной полосы от 5—>4 до 33—>32 составляют ~1 8-6 3 мкс, в зависимости от экспериментальных условий Увеличение удельного энерговклада приводит к уменьшению времени восстановления ИН Произведено сравнение экспериментальных значений величины Я, полученных для селективной генерации на нескольких колебательно-вращательных переходах молекулы СО от номеров У=13 до У=20 со значениями Я, рассчитанными на основе моделей МКО и ОКО Показано, что только модель МКО позволяет адекватно описать результаты проведенного эксперимента Результаты исследования явились первым прямым экспериментальным подтверждением модели МКО

«V, %

л

---х= 20

-----х= 1 0

-х= 0

г

—1—

01

-г 0«

мс

~г

07

Рис 10 Временная динамика относительной населенности пу=МуАМсо колебательного уровня У=9 в смеси СО Не Ог=1 4 X для трех значений X = 0, 1 и 2 при удельном энерговкладе (2ш=130 Дж/(л Амага), То» 130 К

2. Передний фронт нарастания КУСС на отдельных обертонных колебательно-вращательных переходах импульсного ЭИ СО лазера был измерен методом ИВП В смеси СО Не=1 4 максимальное значение КУСС практически не зависит от номера перехода V, составляя 0 20±0 05 м-1 Максимальное значение КУСС для смеси СОЫ2=1 4, N=0 12 Амага сначала увеличивается с ростом V от 0 18 м"1 (переход 20-+18 Р(12)) до 0 43 м"1 (переход 33—>31 Р(12)), а затем резко снижается до ~01 м"1 (переход 38-^-36 Р(12)) Данный факт подтверждает существование несимметричного УУ'-обмена между N2 и СО

3. Был создан непрерывный криогенный СО лазер низкого давления с накачкой в РПТ и медленной прокачкой активной газовой смеси В неселективном режиме лазер позволял получить мощность генерации на основных переходах ~30Вт при КПД -21% Осуществлена частотно-селективная генерация на более 200 переходах молекулы СО в основной полосе от 6—»5 (/.~5 0 мкм) до 32—>31 (Х~7 5 мкм) с мощностью до 1,5 Вт Была получена неселективная генерация на обертонных переходах молекулы СО с мощностью до -450 мВт при КПД -1% Также наблюдалась селективная генерация на семи колебательно-вращательных переходах 32-»30 Р (9,10), 33->31 Р (9,10,11), 34-»32 Р (9,10) (л~3 7-3 8 мкм) с мощностью до 1 мВт

4 Проведено исследование динамики КУСС импульсного ЭИ СО лазерного усилителя для колебательно-вращательных переходов основной полосы от 8->7 (к~5 2 мм) до 32-э>31 (-7 5 мкм) при различных параметрах активной среды с помощью непрерывного селективного СО лазера Наибольшее измеренное значение КУСС составило ~3 3 м"1 (переход 8-»7 Р(10), С?т=250 Дж (л Амага)4, смесь СОНе=1 4, N=012 Амага, Тз~60 мкс) Для наиболее высокого из исследованных колебательно-вращательных переходов максимум КУСС составил -1 0 м"1 (переход 32-»31Р(9) С>111=250 Дж (л Амага)"1, смесь СО Не=1 4, N=0 12 Амага, Тз~430 мкс) Использование газовой смеси СО N2=1 9 в импульсном ЭИ СО лазерном усилителе, несмотря на увеличение удельного энерговклада до -1000 Дж (л Амага)"1, не приводит к увеличению максимального значения КУСС, а лишь увеличивает время его достижение т3 и время существования ИН в смеси (т3 возрастало почти в 2 раза по сравнению со смесью СО Не=1 4 при энерговкладе Ощ-250-300 Дж (л Амага)"1)

5 Сравнение экспериментально полученных временных зависимостей КУСС для высоких основных и обертонных переходов с результатами расчетов, выполненных на основе модели МКО, подтверждает необходимость

использования этой модели в теории элеюроразрядного СО лазера На основе данного сравнения произведена оценка локального удельного энерговклада в газовые смеси ЭИ лазерного СО усилителя

6. Результаты экспериментального исследования ЭИ разряда в кислороде продемонстрировали, что молекулярные добавки (СО или Н2) в чистый или в разбавленный благородным газом кислород позволяют существенно повысить устойчивость ЭИ разряда и достичь высокой величины удельного энерговклада при большом объеме возбуждения (~18 литров) Наибольшее значение удельного энерговклада в пересчете на молекулярные компоненты смеси (~6 5 кДж л"1 атм"1) было экспериментально получено для газовой смеси 02 Ar СО—1 10 1 при полном давлении газа 30 Тор

7 При увеличении доли кислорода X (смесь СО Не 02=1 4 X) возрастал максимум КУСС Отлк на низких (V<15) основных переходах Причем на переходе 10—>9 Р(15) при Х=2 0 значение Gmax было в 6 раза больше, чем для смеси без кислорода (Х=0) Время существования инверсной населенности при увеличении X сокращалось Наблюдаемое изменение динамики КУСС при добавлении кислорода подтверждает существование процесса межмолекулярного колебательного обмена между молекулами СО и Ог При удельном энерговкладе ~ 170 Дж/(л Амага) для кислородосодержащей газовой смеси СО 02 Аг=1 10 10 удельный энергосъем вдвое превышал удельный энергосъем в азотной смеси и составил 52 Дж л"1 Амага'1 при КПД 47+1 %

8. Применительно к задаче исследования динамики температуры и населенности молекул СО импульсного ЭИ усилителя был усовершенствован метод многочастотного лазерного зондирования АС с помощью излучения непрерывного селективного СО лазера Была улучшена точность определения температуры, составившая ±3-5 К Была исследована динамика температуры и населенности молекул СО в газовых смесях СО Не, СО N2 и СО 02 при начальной температуре Т~100 К Для кислородной смеси СО 02=1 20 при плотности газовой смеси 0 04 Амага была измерена динамика температуры при начальной температуре Т-300 К, когда наблюдалось только поглощение излучения зондирующего непрерывного СО лазера на временах до 1 мс после начала импульса накачки

В Приложении представлена наиболее полная теоретическая модель элеюроразрядного СО лазера, сформулированная на основе сравнения расчетов с экспериментальными результатами, полученными в том числе в представленной диссертационной работе

Список литературы

1 Алейников В С , Масычев В И Лазеры на окиси углерода M, Радио и связь, 1990

2 Ионин А А // В кн Энциклопедия низкотемпературной плазмы Сер Б, Том XI-4, под ред Яковленко С И , M , Физматлит, с 740,2005

3 Ionin А А //Вкн Gas Lasers Ed by M Endo and R F Walter CRC Press, Taylor & Francis Group, Boca Raton, p 201, 2007

4 Басов H Г, Даиилычев В А , Ионин А А и др П Квант электрон , Т 1, с 2527, 1974

5 Mann M M // AIAA Journal, V 14, No 5,p 549 1976

6 Dymshits В M, Ivanov G V, Mescherskiy A N, Kovsh IВ // Proc SPIE, V 2206, p 109, 1994

7 WuB, George T , Schneider M et al // Appl Phys В, V 52, p 163, 1991

8 Yardley J T H JMolec Spectr, 35,2, p 314, 1970

9 Bergman R С , Rich J W ¡I Appl Phys Lett 31, p 597, 1977

10 Басов H Г, Данилычев В A, Ионин A A , Казакевич ВС// Квант электрон , 5, №8, с 1855,1978

11 Басов H Г , Ионин А А , Котков А А и др //Квант Электрон , 30, с 771, 2000

12 Басов H Г, Ионин А А , Котков А А и др //Квант Электрон , 30, с 859,2000

13 Басов H Г , Ионин А А , Котков А А , и др //Препринт ФИАН № 17,2000

14 Межерис Р , Лазерное дистанционное зондирование, M Мир, 1987

15 Бузыкин О Г , Иванов С В , Ионин А А и др // Опт Атмосферы и Океана, Т 14, №5, с 400,2001

16 Бузыкин О Г, Иванов С В, Ионин А А и др // Изв Академии наук Сер физ , Т 66, № 7, с 962,2002

17 Гордиец Б Ф , Осипов А И , Шелепин Л А // ЖЭТФ, Т 60, Вып 1, с 102, 1971

18 Dillon T А , Stephenson J С И Phys Rev А , V 6, р 1460, 1972

19 Биллинг Г Д // В кн Неравновесная колебательная кинетика Под ред M Капителли, M Мир , с 104, 1989

20 Конев Ю Б , Кочетов И В , Курносов А К, Мирзакаримов Б А // Квант электрон , Т 21, Вып 2, с 133, 1994

21 Klosterman Е L , Byron S R П J Appl Phys V 50, №8, p 5168, 1979

22 Горшков И И, Ионин А А , Котков А А и др // КСФ, Вып 5 с 31, 1989

23 Головин А С , Гурашвили В А , Кочетов ИВ и др // Квант электрон , Т 23, Вып 5, с 405, 1996

24 McCord J Е , Tate R F , Dass S et al Proc SPIE, V 5448, p 379,2004

25 Смит H С , Хассан X A ИРакетн техн и космонавтика, T 14, № 3, с 105,1976

26 Шарков В Ф , Дымшиц Б M , Григорьян Г M и др // Квант Электрон , Т 4, Вып 8, с 1824,1977

27 Kodama Yu , Sato H II IEEE J Quant Electron , V QE-34, № 2, 241, 1998

28 Patel С К N HPhys Rev, V 141, № 1, p 71, 1966

29 Дорош В С , Добро JIФ , Иванов В H и др // Квант электрон, Т 2, Вып 5, с 1030, 1975

30 Басов H Г, Казакевич В С , Ковш И Б Микрюков A H И Квант электрон, Т 10, с 1049,1983

31 Вязовецкий H M , Дидюков А И , Кирко В Ю и др // ЖПС, Т 52, № 4, с 659, 1990

32 Benard D J, McDermott W С , Pchelkm N R, Bousek R R H Appl Phys Lett, V 34, № 1, p 40, 1979

33 Юрышев H H , // Квант электрон Т 26, №7, с 583,1996

34 Iomn А А, Kochetov I V, Napartovich А Р , Yuryshev N N // J Phys D Appl Phys, 40, No 2, p R25, 2007

35 Бойков E С , Минин В В, Третьяков В Э , Яценко Б П // Препринт НИИЭФА, № А-0530, Л , 1981

Список публикаций с участием автора, в которых содержатся основные результаты настоящей работы

1* Ионин А А , Климачев Ю M, Кобза Г, Синицын Д В Импульсный частотно-селективный перестраиваемый электроионизационный СО лазер с модуляцией добротности резонатора Квант электроника 24, № 3, 195-200 (1997) 2* Ионин А А, Климачев Ю M, Кобза Г, Синицын Д В Лазер с перестраиваемыми спектральными и временными характеристиками Патент РФ №2106731, приоритет 12 08 96 Бюллетень изобретений № 7 , 330, (1998) 3* Ионин А А, Климачев ЮМ, Конев ЮБ, Кочетов ИВ, Курносов АК, Синицын ДВ Внутрирезонаторное взаимодействие селективных по частоте коротких импульсов излучения СО лазера с колебательно возбужденной активной средой" Известия РАН, сер физ , 63, № 4,676-682 (1999) 4* Ионин А А , Климачев Ю M , Конев Ю Б , Курносов А К , Напартович А П, Синицын Д В, Терехов Ю В Многоквантовый колебательный обмен высоковозбужденных молекул окиси углерода Квантовая электроника, 30, № 7, 573-579 (2000)

5* Iomn A A, Khmachev YuM, Konev YuB, Kotkov A A, Kurnosov AK, Napartovich A P , Seleznev L V, Sinitsyn D V, Terekhov Yu V Theoretical modeling and expenmental studies of the multi-quantum vibration exchange in vibrational^ excited CO molecules J Phys D Appl Phys , 34,2230-2236 (2001) 6* Басов H Г , Ионин А А , Климачев Ю M, Котков А А , Курносов А К , МакКорд Дж Е , Напартович А П, Селезнев Л В , Синицын Д В , Хагер Г Д, Шнырев С Л Импульсный лазер на первом колебательном обертоне молекулы СО, действующий в спектральном диапазоне 2 5-4 2 мкм 3 Коэффициент усиления и кинетические процессы на высоких колебательных уровнях Квантовая электроника, 32, № 5,404-410 (2002) 7* Ионин А А , Климачев Ю M, Котков А А , Кочетов И В , Напартович А П, Селезнев Л В , Синицын Д В , Хагер Г Д Способ получения синглетного кислорода в плазме несамостоятельного электрического разряда, Патент РФ №2206495, Бюллетень изобретений и полезных моделей, № 17,658, (2003)

8* Ionin A A , Klimachev Yu M , Kotkov A A , Kochetov I V, Napartovich A P , Simtsyn DV, Seleznev L V, Hager GD, Non-self-sustained electnc discharge in oxygen gas mixtures singlet delta oxygen production, J Phys D Appl Phys, 36, 982-989, (2003)

9* С В Ветошкин, А А Ионин, Ю M Климачев, А Ю Козлов, А А Котков, А К Курносое, АП Напартович, OA Рулев, Л В Селезнев, ДВ Синицын, С Л Шнырев, Динамика коэффициента усиления в активной среде импульсного электроионизационного СО-лазера теория и эксперимент, Квантовая электроника, 35, (12), 1107-1112 (2005) 10*Бон В , Бюлов X фон, Дасс Ш , Ионин А А , Климачев Ю М , Котков А А , Макайвер Дж К , Маккорд Дж Е , Селезнев Л В , Синицын Д В , Тейт Р Ф , Хагер Г Д Мощный сверхзвуковой СО-лазер на основных и обертонных переходах, Квантовая электроника, 35, №12, 1126-1130 (2005) 11*A Ionin, Yu Klimachev, A Kotkov, A Koziov, О Rulev, L Seleznev, D Simtsyn, S Vetoshkin Multiline Laser Probing for Active Media CO He, CO N2, and CO 02 in Wide-Aperture Pulsed Amplifier, J ofRuss Laser Research, 27, (1), 33-69 (2006) 12*A А Ионин, Ю M Климачев, А Ю Козлов, А А Котков, А К Курносов, А П Напартович, О А Рулев, Л В Селезнев, Д В Синицын, Г Хагер, С Л Шнырев, Импульсный обертонный СО лазер с КПД 16%", Квантовая электроника, 36, (12), 1153-1154(2006) 13*СВ Ветошкин, А А Ионин, Ю М Климачев, А Ю Козлов, А А Котков, OA Рулев, Л В Селезнев, ДВ Синицын, Временная динамика усиления в импульсном СО лазерном усилителе на газовых смесях СО Не, СО N2 и СО 02, Квантовая электроника, 37, (2), 111-117 (2007) 14* А А Ионин, Ю М Климачев, А Ю Козлов, А А Котков, О А Рулев, Л В Селезнев, ДВ Синицын, Многочастотное лазерное зондирование содержащих СО газовых сред, возбужденных в импульсном разряде, Квантовая электроника, 37, 231-236 (2007) 15*Klimachev Yu М, Ionin A A, Kotkov A A, Koziov A Yu , Seleznev L V, Andrusenko R P, Pulsed CO laser operating on gas mixtures with high oxygen content, Proc SPIE, 6735.67350H-1 - 67350H-10 (2007)

/Л/

Подписано в печать £] О2. 2008 г Формат 60x84/16 Заказ № .У Тираж О экз. Объемл Отпечатано в Редакционно-издательской и информационной службе Физического института им П Н Лебедева РАН с оригинал-макета заказчика 119991 Москва, Ленинский проспект, 53 Телефон (499)783 36 40

Введение

Глава 1. Экспериментальное и теоретическое исследование газовых сред, содержащих молекулы СО и возбуждаемых электрическим разрядом (обзор литературы)

1.1. Генерационные характеристики электроразрядных криогенных СО лазеров

1.2. Кинетические процессы в газовых средах, содержащих молекулы СО Г.2.1.' Метод исследования - измерение спонтанного излучения 17 1.2.2. Метод исследования — измерение коэффициента усиления слабого сигнала активной среды СО лазеров

1.3. Обертонный криогенный электроионнзационный СО лазер

1.4. Электроразрядные СО лазеры со сверхзвуковым охлаждением активной среды

1.5. Роль кислорода в активной среде электроразрядных СО лазеров и разряд в смесях с большим содержанием молекул Ог

Выводы к Главе

Глава 2. Экспериментальные установки и методики измерений параметров активной среды.

2.1. Электроионизационные лазерные установки.

2.2. Непрерывный криогенный СО лазер низкого давления

2.2.1. Конструкция непрерывного криогенного СО лазера с прокачкой газовой смеси

2.2.2. Спектрально-энергетические характеристики непрерывного криогенного СО лазера

2.3. Методики измерения характеристик лазерного излучения 45 Выводы к Главе

Глава 3. Восстановление инверсной населенности на колебательновращательных переходах импульсного СО лазера

3.1. Оптическая схема и методика измерения времени восстановления инверсной населенности

3.2. Измерение оптических потерь селективного резонатора с двукратной модуляцией добротности

3.3. Измерение времени восстановления инверсной населенности и сравнение с теоретическими расчетами

Выводы к Главе

Глава 4. Динамика коэффициента усиления слабого сигнала на высоких колебательных переходах молекулы СО

4.1. Динамика коэффициента усиления слабого сигнала электроионизационного СО лазера на обертонных колебательных переходах

4.1.1. Оптическая схема и методика измерения

4.1.2. Результаты измерения

4.1.3. Сравнение экспериментальных результатов с теоретическими

4.1.4. КПД обертонного электроионизационного СО лазера

4.2. Динамика коэффициента усиления слабого сигнала электроионизационного СО лазера на высоких основных колебательных переходах

4.2.1. Оптическая схема и методика измерения

4.2.2. Неоднородность коэффициента усиления слабого сигнала по сечению электроионизационного СО лазерного усилителя

4.2.3. Динамика коэффициента усиления слабого сигнала в газовой смеси СО:Не

4.2.4. Динамика коэффициента усиления слабого сигнала в азотосодержащей смеси

4.2.5. Сравнение экспериментальной динамики коэффициента усиления слабого сигнала с теоретической

4.2.6. Характеристики кислородосодержащих газовых смесей, возбуждаемых электроионизационным разрядом

4.2.6.1. Стабилизация электроионизационного разряда

4.2.6.2. Динамика коэффициента усиления слабого сигнала

4.2.6.3. Электроионизационный СО лазер на кислородосодержащих газовых смесях 100 •

4.3. Сравнение динамики коэффициента усиления слабого сигнала на основных и обертонных переходах 104 4.4 Роль динамики коэффициента усиления слабого сигнала в сверхзвуковом электроразрядном СО лазере

Выводы к Главе

Глава 5. Многочастотное лазерное зондирование активных сред СО:Не, CO:N и СО:Ог в импульсном СО лазерном усилителе

5.1. Динамика температуры активной среды

5.2. Динамика населенности колебательных уровней молекул СО 118 Выводы к Главе

Среди молекулярных лазеров, действующих в средней инфракрасной области спектра, лазеры на окиси углерода (Patel 1964, Соболев 1973, Mann 1976, Данилычев 1977, Ионин 1984, Алейников 1990, Ионин 1993, 2005, Ionin 1995, 2000, 2007а) выделяются высокой эффективностью и широким диапазоном перестройки частоты излучения. В активной среде (АС) СО лазера инверсная населенность возникает на большом количестве колебательно-вращательных переходов. Одним из эффективных методов накачки АС электроразрядного СО лазера является электроионизационный (ЭИ) метод (Басов 1974), сущность которого заключается в том, что проводимость газа создается и контролируется при помощи внешнего источника ионизации, например, электронного пучка. При ЭИ методе накачки энергия свободных электронов, которую они приобретают в электрическом поле, наиболее эффективным образом (-80%) передается на нижние колебательные уровни молекул СО и азота (Schulz 1973). Заселение более высоких колебательных уровней молекул СО происходит путем колебательно-колебательного (W) обмена энергией между ними (Treanor 1968). Применение ЭИ метода накачки АС СО лазера в сочетании с ее охлаждением до температур ~100К позволило достигнуть эффективности преобразования энергии накачки в энергию когерентного излучения ~50-ь60% (Mann 1976, Dymshits 1994).

Спектр излучения СО лазера, который действует на фундаментальных (основных) колебательно-вращательных переходах, т.е. с изменением номера колебательного уровня на единицу (V—»V-1), лежит в диапазоне длин волн от ~4.7 мкм, колебательная полоса 1—>0, (Wu 1991) до ~8.2 мкм, колебательная полоса 37—>36 (Yardley 1970). Вместе с тем, электроразрядный СО лазер может работать и на переходах первого колебательного обертона (V-»V-2) молекулы СО (Bergman 1977, Басов 1978). В настоящее время генерация излучения обертонного СО лазера получена на ~400 колебательно-вращательных переходах в диапазоне длин волн от -2.5 мкм (полоса 6-»4) до ~4.2 мкм (полоса 38-»36) (Басов 2000а, Ь, с, Bachem 1993). Повышенный интерес к обертонному СО лазеру связан с тем, что его спектральный диапазон перекрывает "окно прозрачности" атмосферы (спектральная область с малым поглощением) в диапазоне от 3.3 мкм до 4.1 мкм (Межерис 1987, Бузыкин 2001), что позволяет транспортировать лазерное излучение в атмосфере с минимальными потерями. Кроме того, множество спектральных линий обертонного СО лазера совпадает с линиями поглощения как простых веществ, так и органических соединений (Бузыкин 2002), что дает возможность использовать излучение обертонного СО лазера в лазерной химии и лазерной спектроскопии.

Следует отметить, что генерация излучения обертонного СО лазера с длиной волны более 3 мкм происходит на высоких (V>15) колебательно-вращательных переходах (Басов

2000с). На таких высоких переходах начинают проявляться процессы многоквантового колебательного обмена (МКО) (Гордиец 1971, Dillon 1972, Биллинг 1989), которые оказывают влияние на формирование и релаксацию колебательной функции распределения в АС СО лазера.

Авторы указанных работ показали, что когда вероятность обмена т-квантами

CO(v)+CO(u) —»CO(v-m)+CO(u+m) (1) приближается к единице, в соответствие с общими принципами квантовой механики становятся существенными процессы обмена т+1 квантами. Как следует из работы (Биллинг 1989), константы скорости (КС) процессов (1) с ш=2, 3 примерно равны КС одноквантовых процессов в диапазоне V~10-^-30.

Развитие теоретической модели кинетики АС электроразрядных СО лазеров с учетом МКО осуществлено в работе (Конев, 1994). Были произведены сравнения результатов расчетов по моделям одноквантового колебательного обмена (ОКО) и МКО не только стационарных • колебательных функций распределения (КФР) молекул СО, но и динамики их установления и релаксации при импульсном возбуждении. Было показано, что стационарные КФР" слабо зависят от выбора модели W-обмена. Поэтому представляют интерес те эксперименты, в которых можно было бы обнаружить существенные отличия между двумя моделями. Одним из таких экспериментов, смоделированным в указанной работе, является измерение временной зависимости восстановления коэффициента усиления слабого сигнала (КУСС) методом двойного резонанса (Brechignac 1975, 1978а). В этом эксперименте впервые были получены КС квазирезонансного двухквантового обмена (Brechignac 1978а). Оказалось, что рассчитанная для условий этого эксперимента длительность процесса восстановления КУСС после короткого возмущения при V=24, 25 по модели ОКО в 5+7 раз короче, чем по модели МКО (Конев, 1994). Однако, необходимо отметить, что в экспериментах, описанных в (Brechignac 1975, 1978а), использовалась АС СО лазера с непрерывной накачкой разрядом постоянного тока. Поэтому восстановление КУСС, а, следовательно, инверсной населенности (ИН), в ней происходит как за счет W-обмена, так и за счет процесса накачки. Как было отмечено в работе (Анохин 1972) для детального исследования именно VV обмена в АС СО лазеров необходимо измерять времена восстановления ИН в послесвечении импульсного электрического разряда в широком диапазоне экспериментальных условий на большом количестве отдельных колебательно-вращательных переходов. Таких исследований до начала экспериментов по теме диссертационной работы проведено не было.

В работе (Конев, 1994) было также показано, что рассчитанные для условий импульсного возбуждения КУСС обертонных переходов криогенного СО лазера могут отличаться на 30-М0% для V~30 в зависимости от выбора модели W-обмена. Исследование генерационных характеристик импульсного обертонного СО лазера (Басов 2000а, Ь, с) показало, что спектрально-энергетические характеристики такого лазера значительно лучше описываются с помощью модели МКО, чем ОКО. Однако, экспериментально измеренные временные характеристики лазерного излучения отличаются от их расчетных значений. В качестве одного из выводов этих работ отмечалось, что сопоставление экспериментальных и расчетных данных указывает на необходимость уточнения кинетической модели активной среды СО лазера с привлечением процессов МКО на высокорасположенных колебательных уровнях.

Существенным шагом вперед на пути исследования кинетических процессов, происходящих в АС электроразрядных СО лазеров является переход от сопоставления расчетных и измеренных генерационных характеристик таких лазеров к сравнению непосредственно их коэффициента усиления. Это позволяет, как существенно упростить теоретическое моделирование, так и уменьшить число измеряемых параметров в эксперименте.

Кроме того, характерные времена формирования ИН, а, следовательно, и КУСС, очень важны для быстропроточных СО лазеров как с поперечной прокачкой активной среды (Bergman 1977 Klosterman 1979, Горшков 1989, Головин 1996, Александров 1997, McCord 2004), так и с продольной (Смит 1976, Шарков 1977, Kodama 1998), поскольку их нужно учитывать при разработке конструкции таких лазеров. Таким образом, возникает необходимость в исследовании временной динамики усиления в АС СО лазера в различных экспериментальных условиях, в частности, характерных, для СО лазеров с быстрой прокачкой активной среды. Причем, наиболее важные из этих условий (удельный энерговклад, плотность и состав газовой смеси) можно промоделировать на импульсной ЭИ СО лазерной установке со стационарным криогенным охлаждением активной среды.

В СО лазере зависимость КУСС от температуры играет особенно существенную роль (Patel, 1966). Известно, что трудно измерять температуру газа непосредственно в области электрического разряда (Дорош 1975). В работе (Басов 1983а) для измерений временной зависимости температуры АС в условиях электрического разряда был использован тот факт, что вращательная температура возбужденных состояний молекул СО сравнивается с поступательной температурой за время менее 1 не (Дунчич 1986). Временная эволюция вращательной температуры газа рассчитывалась по динамике КУСС на трех вращательных переходах одной колебательной полосы, которая измерялась с помощью непрерывного СО лазера низкого давления, использовавшегося в качестве частотно-селективного зондирующего лазера. Однако, при использовании такой методики десятипроцентная точность измерения КУСС приводит к высокой (-200 К) погрешности определения температуры газа (Вязовецкий 1990). Для увеличения точности, как следует из (Вязовецкий 1990), необходимо увеличивать число зондируемых переходов в несколько раз, т. е. развить метод многочастотного зондирования АС ЭИ СО лазера.

Температура газа также является важным фактором, влияющим на пороговое значение содержания синглетного кислорода в кислород-иодных лазерах как химических (Benard 1979, Юрышев 1996), так и электроразрядных (Ionin 2002, 2007b). Электроразрядный генератор синглетного кислорода может быть создан на основе ЭИ разряда. Как было показано в наших работах [10*-12*] ЭИ разряд в кислороде стабилизируется при помощи добавления небольшого количества окиси углерода. Этот факт открывает возможность детектирования динамики температуры в кислородных смесях с накачкой в ЭИ разряде при помощи многочастотного зондирования излучением непрерывного СО лазера.

Целью диссертационной работы является экспериментальное исследование динамики КУСС на высоких (V>15) основных (V—>V-1) и обертонных (V—»V-2) переходах молекул СО, возбужденных в импульсном ЭИ разряде в широком диапазоне экспериментальных условий, для обоснования теории многоквантового колебательного обмена; получения.информации о характерных временах формирования и жизни инверсной населенности, необходимой для оптимизации работы быстропроточных электроразрядных СО лазеров; а также измерения временной зависимости температуры газовых сред, содержащих возбужденные молекулы СО, методом многочастотного лазерного зондирования, в том числе в смесях с большим содержанием кислорода, разряд в которых стабилизирован небольшими добавками молекул СО.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Измерение степени восстановления ИН в АС импульсного ЭИ СО лазера по отношению энергии второго импульса к энергии первого в режиме двойной модуляции добротности резонатора (МДР), с помощью разработанной автором оптической схемы, позволяющей независимо регулировать как спектральный состав лазерного излучения, так и его временные характеристики. Сравнение результатов экспериментов с результатами теоретических расчетов, выполненных на основе моделей ОКО и МКО.

2. Исследование динамики КУСС на колебательно-вращательных переходах, включая высокие (V>15), основной и обертонной полос молекулы СО в АС импульсного ЭИ СО лазера в широком диапазоне экспериментальных условий методом изменяемых внутрирезонаторных потерь (ИВП) и при помощи зондирования АС излучением непрерывного СО лазера. Разработка конструкции и создание непрерывного криогенного СО лазера низкого давления с накачкой в разряде постоянного тока (РПТ) и медленной прокачкой газовой смеси для получения селективной генерации на основных переходах в диапазоне от 4.9 мкм (полоса 6—>5) до 7.6 мкм (полоса 32—>31). Сравнение результатов экспериментов с результатами теоретических расчетов, выполненных на основе модели МКО.

3. Усовершенствование метода многочастотного лазерного зондирования применительно к АС импульсного ЭИ СО усилителя с помощью излучения непрерывного селективного СО лазера и исследование динамики температуры и населенности колебательных уровней молекул СО в таких АС, включая кислородосодержащие смеси с высоким (до 95%) содержанием Ог.

Все излагаемые в данной работе экспериментальные результаты получены лично автором или при непосредственном участии автора. Экспериментальное исследование проводилось на криогенных ЭИ лазерных установках в лаборатории Газовых лазеров Отделения Квантовой Радиофизики (ОКРФ) Физического Института им. П.Н. Лебедева Российской Академии наук (ФИАН, г. Москва) в рамках совместного экспериментально-теоретического исследования кинетических процессов, происходящих в АС ЭИ СО лазера. Теоретические расчеты были проведены в ГНЦ РФ Троицком Институте инновационных и термоядерных исследований (ТРИНИТИ, г.Троицк, Моск. обл.) профессором доктором физ.-мат. наук А.П. Напартовичем и кандидатами физ.-мат. наук А.К. Курносовым И.В. Кочетовым,и C.J1. Шныревым совместно с профессором доктором физ.-мат. наук Коневым Ю.Б. (Институт высоких температур РАН).

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1. Разработан метод двойной МДР в селективном ЭИ СО лазере для исследования кинетики обмена, колебательными квантами молекул СО. Измерено время восстановления инверсной населенности на выделенных колебательно-вращательных переходах колебательных полос от 5—>4 до 33—>32, включительно. На основе сравнения полученных экспериментальных результатов с теоретически рассчитанными, выполненными на основе моделей МКО и ОКО, показано, что только модель МКО позволяет адекватно описать результаты проведенного эксперимента.

2. Измерена временная зависимость нарастания (передний фронт) КУСС на высоких обертонных переходах ЭИ СО лазера от 20—>18 до 36—>34 для смесей СО:Не и CO:N2 при различных удельных энерговкладах с помощью метода ИВП на временах до 0,5 мс после начала импульса накачки. Подтверждена необходимость использования модели МКО, включающей процессы несимметричного W обмена, для теоретического описания характеристик импульсного ЭИ СО лазера на высоких обертонных переходах.

3. Измерена временная зависимость КУСС на высоких 15<V<32 основных колебательно-вращательных переходах молекулы СО в ЭИ лазерном усилителе на временах существования ИН (~10"2 с) в широком диапазоне экспериментальных условий с помощью специально разработанного и созданного непрерывного селективного СО лазера. На основе сравнения экспериментально полученных временных зависимостей КУСС с результатами расчетов, выполненных на основе моделей МКО, произведена оценка локального удельного энерговклада в различные газовые смеси ЭИ лазерного СО усилителя.

4. Применительно к АС импульсного ЭИ СО усилителя усовершенствован метод многочастотного лазерного зондирования, что позволило значительно увеличить точность измерения временной зависимости температуры АС и населенностей колебательных уровней молекул СО. На основе этого метода при зондировании излучением пробного непрерывного СО лазера на 10 колебательно-вращательных переходах измерена временная зависимость температуры после импульса ЭИ разряда с точностью ~Ъ+6 % в смесях СО:Не, CO:N2 и СО:Ог

5. Осуществлена стабилизация ЭИ разряда в кислороде за счет небольших добавок молекул СО или Нг, что позволило повысить удельный энерговклад в кислород в десятки раз. Получена генерация в криогенном СО лазере на смесях с большим (до 95%) содержанием О2 и измерена динамика КУСС в такой АС.

В диссертации автор защищает следующие положения:

1. Время восстановления инверсной населенности на колебательных переходах основной полосы от 5—>4 до 33-»32, измеренное при помощи метода двойной МДР в селективном ЭИ СО лазере составляет 1.8^6.3 мкс в зависимости от экспериментальных условий. Как свидетельствует сравнение полученных экспериментальных результатов с теоретически рассчитанными на основе моделей МКО и ОКО, именно модель МКО наиболее адекватно описывает экспериментальные данные.

2. В импульсном ЭИ СО лазерном усилителе время жизни ИН на колебательно-вращательных переходах молекулы СО составляет несколько миллисекунд в зависимости от экспериментальных условий. Максимальное значение КУСС в обертонной полосе достигает 0.43 м"1 (переход 33—>31). Локальный удельный энерговклад может быть определен на основе сравнения экспериментально полученных временных зависимостей КУСС для основных и обертонных переходов с результатами расчетов на основе модели МКО. Зависимость максимального значения КУСС от номера колебательного уровня на высоких, вплоть до 38—>36, обертонных переходах в азотных смесях подтверждает существование несимметричного W'-обмена между молекулами N2 и СО.

3. При увеличении доли кислорода X в смесях С0:Не:02=1:4^\г максимум КУСС Gmax на низких (6<V<13) основных переходах возрастает за счет роста населенности на соответствующих колебательных уровнях. На переходе 10—>9 Р(15) при Х=2.0 значение Gmax в 6 раза больше, чем для смеси без кислорода (Х=0). Время существования инверсной населенности при увеличении X сокращается. Эффективность генерации ЭИ СО лазера с кислородосодержащей газовой смесью на основных переходах достигает 47%.

4. Увеличение точности измерения до 3^6 % временной зависимости температуры АС и населенностей колебательных уровней молекул СО, возбуждаемых импульсным ЭИ разрядом, достигается за счет использования метода многочастотного лазерного зондирования АС излучением пробного непрерывного СО лазера на 10 колебательно-вращательных переходах. Метод позволяет измерить динамику температуры на временах до 1 мс в смесях СО:Не и CO:N2 (начальная температура Т~100 К), а также в кислородосодержащих смесях (начальная температура Т~100 К и -300 К), ЭИ разряд в которых стабилизирован за счет небольших (~1ч-10%) добавок окиси углерода.

Все перечисленные в защищаемых положениях результаты получены впервые.

Практическая значимость диссертационной работы заключается в том, что результаты экспериментального исследования кинетических процессов, происходящих в активной среде импульсного ЭИ СО лазера, действующего на высоких (V>15) колебательно-вращательных переходах молекулы СО могут быть использованы для оптимизации работы быстропроточных (в т. ч. сверхзвуковых) СО лазеров на обертонных и высоких основных переходах, позволили проверить полную кинетическую модель импульсного электроразрядного СО лазера. Кроме этого данные результаты продемонстрировали- возможность дистанционного измерения временной зависимости температуры в газовых средах, содержащих окись углерода и возбуждаемых импульсным разрядом, а также возможность генерации СО лазера на смесях с большим (до 90%) содержанием кислорода в том числе на смеси СО:Воздух.

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения.

Основные результаты проведенного исследования:

1. Выполнены исследования времени, восстановления ИН, которое характеризует кинетику колебательного обмена высоковозбужденных молекул СО с помощью измерения отношения R энергий второго и первого лазерных импульсов генерации селективного ЭИ СО лазера с двукратной МДР: Время восстановления ИН на колебательных переходах основной полосы от 5 4 до 33—82 составляют -1.8-^6.3 мкс, в; зависимости от экспериментальных условий. Увеличение удельного энерговклада приводит к уменьшению времени восстановления ИН. Произведено сравнение экспериментальных значений величины R, полученных для. селективной генерации на нескольких колебательно-вращательных переходах молекулы СО от номеров V=13 до V=20 со значениями R, рассчитанными на основе моделей МКО и ОКО. Показано, что только модель МКО позволяет адекватно описать результаты проведенного эксперимента. Результаты исследования явились первым прямым экспериментальным подтверждением модели МКО.

2. Передний фронт нарастания КУСС на отдельных обертонных колебательно-вращательных переходах импульсного ЭИ СО лазера был измерен методом ИВП. В безазотной смеси СО:Не=1:4 максимальное значение КУСС практически не зависит от номера перехода V, составляя 0.20±0.05 м"1. Максимальное значение КУСС для смеси CO:N2=l:4, N=0.12 Амага сначала увеличивается с ростом V от 0.18 м"1 (переход 20—48 Р(12)) до 0.43 м"1 (переход 33—31 Р(12)), а'затем резко снижается до ~0.1 м*1 (переход 38—86 Р(12)). Данный факт подтверждает существование несимметричного W'-обмена между N2 и СО.

3. Бьш создан непрерывный криогенный СО лазер низкого давления с накачкой в РПТ и медленной прокачкой активной газовой смеси. В неселективном режиме лазер позволял получить мощность генерации на основных переходах -30 Вт при КПД -21%. Осуществлена: частотно-селективная генерация на более 200 переходах молекулы СО в основной полосе от

6-»5 (1-5.0 мкм) до 32—>31 (1-7.5 мкм) с мощностью до 1,5 Вт. Была получена неселективная генерация на обертонных переходах молекулы СО с мощностью до -450 мВт при КПД —1%. Также наблюдалась селективная генерация на семи колебательно-вращательных переходах: 32—>30 Р (9,10); 33-»31 Р (9,10,11); 34->32 Р (9,10) (1-3.7-3.8 мкм) с мощностью до 1 мВт.

4. Проведено исследование динамики КУСС импульсного ЭИ СО лазерного усилителя для колебательно-вращательных переходов основной полосы от 8—>7 (1-5.2 мм) до 32—>31 (—7.5 мкм) при различных параметрах активной среды с помощью непрерывного селективного СО лазера. Наибольшее измеренное значение КУСС составило -3.3 м"1 (переход 8—>7 Р(10), Qin=250 Дж-(л-Амага)"1, смесь СО:Не=1:4, N=0.12 Амага, тз~60 мкс). Для наиболее высокого из исследованных колебательно-вращательных переходов максимум КУСС составил: -1.0 м"1 (переход 32->31Р(9), Qm=250 Дж-(л-Амага)"', смесь СО:Не=1:4, N=0.12 Амага, т3-430 мкс). Использование газовой смеси CO:N2=l:9 в импульсном ЭИ СО лазерном усилителе, несмотря на увеличение удельного энерговклада до -1000 Дж-(л-Амага)"1 не приводит к увеличению максимального значения КУСС, а лишь увеличивает время его достижение и время существования ИН в смеси (тз возрастало почти в 2 раза по сравнению со смесью СО:Не=1:4 при энерговкладе Q,n~250-300 Дж-(л-Амага)"').

5. Сравнение экспериментально полученных временных зависимостей КУСС для высоких основных и обертонных переходов с результатами расчетов, выполненных на основе модели МКО подтверждает необходимость использования этой модели в теории электроразрядного СО лазера. На основе данного сравнения произведена оценка локального удельного энерговклада в газовые смеси ЭИ лазерного СО усилителя.

6. Результаты экспериментального исследования ЭИ разряда в кислороде продемонстрировали, что молекулярные добавки (СО или Н2) в чистый или в разбавленный благородным газом кислород позволяют существенно повысить устойчивость ЭИ разряда и достичь высокой величины удельного энерговклада при большом объеме возбуждения (—18 литров). Наибольшее значение удельного энерговклада в пересчете на молекулярные компоненты смеси (-6.5 кДж л"1 атм"1) было экспериментально получено для газовой смеси 02:Аг:С0=1:1:0.1 при полном давлении газа 30 Тор.

7. При увеличении доли кислорода X (смесь С0:Не:02=1:4'X) возрастал максимум КУСС Gmax на низких (V<15) основных переходах. Причем на переходе 10—>9 Р(15) при Х=2.0 значение Gmax было в 6 раза больше, чем для смеси без кислорода (А!=0). Время существования инверсной населенности при увеличении X сокращалось. Наблюдаемое изменение динамики КУСС при добавлении кислорода подтверждает существование процесса межмолекулярного колебательного обмена между молекулами СО и 02. При удельном энерговкладе 170 Дж/(л-Амага) для кислородосодержащей газовой смеси СО:02:Аг=1:10:10 удельный энергосъем вдвое превышал удельный энергосъем в азотной смеси и составил 52 Дж л"1 Амага"1 при КПД 47±1%.

8. Применительно к задаче исследования динамики температуры и населенности молекул СО импульсного ЭИ усилителя был усовершенствован метод многочастотного лазерного зондирования АС с помощью излучения непрерывного селективного СО лазера. Была улучшена точность определения температуры, составившая ±3+5 К. Была исследована, динамика температуры и населенности молекул СО в газовых смесях СО:Не, CO:N2 и СО:Ог при начальной температуре Т~100 К. Для кислородной смеси С0:02=1:20 при плотности газовой смеси 0.04 Амага была измерена динамика температуры при начальной температуре Т-300 К, когда наблюдалось только поглощение излучения зондирующего непрерывного СО лазера на временах до 1 мс после начала импульса накачки.

Все эксперименты, результаты которых представлены в настоящей диссертации, были выполнены автором, однако на различных этапах в работе участвовал большой творческий коллектив исследователей из различных научных организаций. В заключение автор выражает благодарность своим коллегам, сотрудникам и аспирантам ОКРФ ФИАН — к.ф.-м. н. Н.Н. Юрышеву, к.ф.-м. н. А. А. Коткову, к.ф.-м. н. Д. В. Синицыну, к.ф.-м. н. JI. В. Селезневу, Н. А. Иониной, А. Г. Гундиенкову, Ю.В. Терехову, С. В. Ветошкину, А.Ю. Козлову, О.А. Рулеву - за помощь в проведении экспериментов, обработке и обсуждении полученных результатов; другим сотрудникам ОКРФ ФИАН - В. И. Захарову, Ю. А. Морозову, Чугаеву В. Н. и Корнееву А. И.- за изготовление различных деталей и узлов исследовательских установок, к. т. н. С. И. Сагитову и В. Г. Шутяку - за изготовление оптических элементов. Автор выражает признательность проф. А. П. Напартовичу, к.ф.-м. н. А. К. Курносову и к.ф.-м. н. Шныреву C.JI. из ГНЦ РФ Троицкого Института инновационных и термоядерных исследований (ТРИНИТИ, г.Троицк, Моск. обл.), проф. д. ф.-м. н. Коневу Ю.Б. (Институт высоких температур РАН) за плодотворное обсуждение экспериментальных данных и предоставление результатов теоретических расчетов. Особую благодарность автор выражает своему научному руководителю проф. д. ф.-м. н. Андрею Алексеевичу Ионину за постановку задачи исследований, помощь и поддержку в проведении экспериментов, живой интерес к полученным результатам и готовность к их обсуждению.

125

Заключение

В диссертационной работе представлено экспериментальное исследование динамики КУСС на основных (V-»V-1) и обертонных (V-»V-2) переходах молекул СО, в.том числе на высоких (V>15), при возбуждении импульсным ЭИ разрядом в широком диапазоне экспериментальных условий. Эксперименты проводились с целью обоснования теории; многоквантового колебательного обмена; получения информации о характерных временах формирования и жизни инверсной населенности, необходимой для оптимизации работы быстропроточных электроразрядных СО лазеров; а также измерения временной зависимости температуры газовых сред, содержащих возбужденные молекулы СО методом многочастотного лазерного зондирования, в том числе в смесях с большим содержанием кислорода.

1. Александров Н.Л., Кочетов И.В., Мазалов Д.А., Напартович А.П., Паль А.Ф., Пичугин В.В., Старостин А.Н., Электронные коэффициенты переноса и динамика прилипательной неустойчивости в плазме газового разряда, // Физика плазмы, Т. 18, №11, с. 1468, 1992.

2. Александров Б.С., Белавин В.А., Дымшиц Б.М., Корецкий Я.П., Энергетические и спектральные характеристики сверхзвукового электроионизационного СО лазера на первом колебательном обертоне и в режиме селекции //Квант, электрон., 24, № 7, с. 601, 1997.

3. Алиев Е.Т., Басов Н.Г., Ковш И.Б., Леснов И.А., Соболев В.А., Оптическая однородность активной среды импульсного электроионизационного СО-лазера // Квант, электрон. Т. 11. №5, С. 874. 1984.

4. Ананьев В.Ю., Бабаев И.К., Данилычев В.А., Ионин А.А., Лыткин А.П., Сажина Н.Н. Электроионизационный лазер на смеси изотопов окиси углерода. // Квант, электрон. Т. 14. Вып.2. С. 386. 1987а.

5. Ананьев В.Ю., Данилычев В.А., Ионин А.А., Лыткин А.П. Формирование колебательно-вращательных спектров генерации электроионизационного СО-лазера // Квант, электроника. Т. 14., № 10, С. 1974, 1987b.

6. Анохин А.В., Маркова С.В., Петраш Г.Г. Время восстановления инверсии на колебательных переходах молекул СО в отсутствие накачки, II Краткие сообщ. по физ., № 9, с. 23, 1972.

7. Анохнн А.В., Маркова С.В., Петраш Г.Г. Импульсная генерация на колебательных переходах молекулы углекислого газа//Квант, электрон., Т.1, №.10, с. 2239, 1974.

8. Басов Н.Г., Данилычев В.А., Ионин А.А., Ковш И.Б., Соболев В.А. Электроионизационный СО-лазер с энергией излучения 100 Дж // Квант, электрон. Т.1. С. 2527. 1974.

9. Басов Н.Г., Долинина В. И., Сучков Л. Ф., Урин Б. М. Теоретическое исследование генерационных характеристик электроионизационного СО лазера // Препринт ФИАН, № 1, М., 1976.

10. Басов Н.Г., Данилычев В.А., Ионин А.А., Казакевич B.C., Охлаждаемый электроионизационный лазер на двухквантовых переходах молекулы СО // Квант, электрон., 5, №8, с. 1855 1978.

11. Басов Н.Г., Данилычев В.А., Ионин А.А., Ковш И.Б., Экспериментальное исследование импульсных электроионизационных СО-лазеров на окиси углерода, // Труды ФИАН. М., Т. 116. С. 54. 1980а.

12. Басов Н.Г. Казакевич B.C., Ковш И.Б., Электроионизационный лазер на первых обертонах колебательно-вращательных переходов молекулы CO. I. Спектрально-временные характеристики, //Квант, электрон., 7, № 9, с. 1966, 1980b.

13. Басов Н.Г. Казакевич B.C., Ковш И.Б., Электроионизационный лазер на первых обертонах колебательно-вращательных переходов молекулы СО. П. Энергетические характеристики, И Квант, электрон., 7, № 9, с. 1973, 1980с.

14. Басов Н.Г., Долинина В. И., Зимина О.В. Казакевич B.C., Ковш И.Б., Сучков JI. Ф., Урин Б. М. Особенности спектра генерации импульсного СО-лазера высокого давления И Квант, электрон. Т.9. С. 772. 1982

15. Басов Н.Г., Казакевич B.C., Ковш И.Б. Микрюков А.Н. Коэффициент усиления активной среды импульсного электроионизационного СО-лазера, // Квант, электрон. Т.10. С. 1049. 1983а.

16. Басов Н.Г., Бакаев В.Г., Ионин А.А., Ковш И.Б., Лыткин А.П., Педанов М.В., Синицин Д.В-. Электроионизационный СО-лазер, генерирующий субмикросекундные импульсы // Квант, электрон. Т.10. С. 1261. 1983b.

17. Басов Н.Г., Ковш И.Б., Импульсные электроионизационные СО-лазеры. Энергетика и расходимость излучения // Изв. АН СССР. Сер. физ., Т. 48, № 12, с. 2290, 1984а.

18. Басов Н.Г., Долинина В.И., Ковш И.Б., Пятахин М.В., Урин Б. М. Самосогласованный анализ кинетики элементарных процессов в ЭИ СО-лазере, // Препринт ФИАН. № 183. 1984b.

19. Басов Н.Г., Бакаев В.Г., Ионин А.А. Ковш И.Б., Кучаев А.В. Лыткин А.П., Паисов В.Н., Синицин Д.В Соболев В.А. Импульсные электроионизационные лазеры с криогенным охлаждением активной среды IIЖ. тех. физ. Т.55. Вып.2. С. 326. 1985.

20. Басов Н.Г., Кипшакбаев А.И., Ковш И.Б., Пантелеев В.И. Изменение химического состава активной среды СО лазера при импульсно-периодическом электроионизационном возбуждении IIЖурнал Тех. Физ. Т.56. № 8. С.1573. 1986.

21. Басов Н.Г., Ионин А.А., Котков А.А., Курносов А.К., МакКорд Дж., Напартович А.П., Селезнев Л.В., Туркин Н.Г., Хагер Г., Импульсный лазер на первом колебательном обертоне молекулы СО: эксперимент и теория //Препринт ФИАН. № 17. 2000с.

22. Белых А.Д., Гурашвнли В.А., Кочетов И.В., Курносов А.К., Напартович А.П., Путилин В.М., Туркин Н.Г., Импульсный СО лазер на первом колебательном обертоне, // Квант, электрон., 22, № 4, с. 333, 1995.

23. Бойков Е.С., Минин В.В, Третьяков В.Э., Яценко Б.П., Исследование пространственных распределений электрокинетических параметров несамостоятельного разряда, // Препринт НИИЭФА, № А-0530, Л., 1981.

24. Бородин A.M., Гурашвили В.А., Кузьмин В.Н., Курносов А.К., Напартович А.П., Туркин Н.Г., Щекотов Е.Ю., Электроионизационный СО-лазер со сверхзвуковым потоком рабочей смеси, Квант.Электрон., 23, с.315 (1996).

25. Бляблин А.А., Васильева А.Н., Ковалев А.С., Лопаев Д.В., Образования синглетного кислорода в кислород-азотной плазме несамостоятельного разряда. Физика плазмы, Т. 15, №8, с. 1012, 1989.

26. Брешиньяк Ф, Таран Ж.-П. Колебательное распределение и константы скорости колебательного энергообмена // В кн.: Неравновесная колебательная кинетика. Под ред. М. Капителли. М.: Мир, с. 270,1989.

27. Бубякин Г.Б., Елецкий А.В., Папиловекий В.Ф. Лазер на окиси углерода // Успеха физических наук, Т. 106, 723,1972.

28. Бузыкин О.Г., Иванов С.В., Ионин А.А., Козлов А.Ю., Котков А.А., Селезнев Л.В., Линейное и нелинейное поглощение в атмосфере излучения СО лазера на первом обертоне, // Опт. Атмосферы и Океана, Т. 14, №5, с. 400, 2001.

29. Бузыкин О.Г., Иванов С.В., Ионин А.А., Котков А.А., Селезнев Л.В., Количественная спектроскопическая диагностика загрязнений атмосферы с помощью излучения СО лазера на первом обертоне, // Изв. Академии наук. Сер. физ., Т. 66, № 7, с. 962, 2002.

30. Булавин Н.А., Ионин А.А., Ковш И.Б., Кочетов И.В., Певгов В.Г., Урин Б.М. О влиянии нагрева активной среды в процессе ее возбуждения на характеристики импульсного ЭИ СО лазера на чистой окиси углерода // Квант, электрон. Т.8. С. 1366. 1981.

31. Васильева А.Н., Гуляев К.С., Ковалев А.С., Лопаев Д.В., Эффективность образования синглетного кислорода в несамостоятельном разряде в смесях 02 с благородными газами, ИТВТ,Т. 29, №1, с. 56, 1991.

32. Второва Н.Е., Долинина В.И., Лобанов А.Н., Сучков А.Ф., Урин Б.М. Теоретическое исследование кинетики и энергетических характеристик электроионизационных лазеров, // Труды ФИАН. М., Т. 116. С. 7. 1980

33. Вязовецкий Н.М., Дидюков А.И., Кирко В.Ю., Кулагин Ю.А., Шелепин Л.А. Определение параметров газовых сред по измеренному спектральному распределению показателей усиления II Препринт ФИАН, № 221, 1988.

34. Вязовецкий Н.М., Дидюков А.И., Кирко В.Ю. Кулагин Ю.А., Шелепин Л.А. Определение параметров газовых сред, содержащих СО, методом многочастотного зондирования, // Ж. прикл. спектроскопии. Т. 52, № 4, 659, 1990.

35. Головин А.С., Гурашвили В.А., Кочетов И.В., Кузьмин В.Н., Курносов А.К., Напартович А.П., Туркин Н.Г. Непрерывный электроионизационный СО-лазер с дозвуковым потоком рабочей смеси // Квант, электрон. Т.23. Вып.5. С. 405. 1996.

36. Горшков И.И., Ионин А.А., Котков А.А., Сажина Н.Н., Синицын Д.В., Фролов К.К. "Электроионизационный СО лазер с охлаждением в сверхзвуковом потоке" // Краткие сообщения по физике. 1989. Вып.5. С.31.

37. Гордиец Б.Ф., Осипов А.И., Шелепин Л.А. "Кинетика нерезонансного колебательного обмена и молекулярные лазеры", // Ж. эксп. итеор. физ. Т.60. Вып.1. С. 102. 1971.

38. Григорьян Г.М., Дымшиц Б.М., Ионих Ю.З. "Влияние кислорода на параметры активной среды электроразрядного СО лазера", // Квант, электрон. Т. 16. Вып.7. С. 1377. 1989.

39. Григорьян Г.М., Кочетов И.В. Баланс молекул СО в плазме отпаянного СО-лазера", // Физика плазмы. Т.30. Вып.8. С. 1. 2004.

40. Данилычев В.А., Керимов О.М., Ковш И. Б. Молекулярные газовые лазеры высокого давления // Итоги науки и техники. Сер. Радиотехника, Т. 12, М., ВИНИТИ, 1977.

41. Демьянов А.В., Кочетов И.В., Напартович А.П., Певгов В.Г., Старостин А.Н. О циклах колебательного обмена в ангармонических осцилляторах, // Теплофиз. высок, темп. Т. 18. Вып.5. С. 918. 1980.

42. Дидюков А.И., Кирко В.Ю., Кулагин Ю.А., Шелепин Л.А. Многочастотное лазерное зондирование //Препринт ФИАН. № 109, 1989.

43. Долинина В. И., Сучков А. Ф., Урин Б. М. Исследование влияния изотопного состава угарного газа на энергетические и спектральные характеристики электроионизационного СО-лазера НПрепр. ФИАН № 34, 1978.

44. Долинина В.И., Ковш И.Б., Урин Б.М. Теоретическое исследование формы импульса излучения электроионизационного СО-лазера, // Квант, электрон. Т.10. Вып.6. С. 1228. 1983.

45. Долинина В.И., Кипшакбаев А.И., Ковш И.Б., Сухоросов С.Ю., Урин Б.М. Динамика заселения колебательных уровней молекулы СО в активной среде импульсного электроионизационного СО-лазера, II Квант, электрон. Т.12. Вып.10. С. 2150. 1985.

46. Дорош B.C., Добро Л.Ф., Иванов В.Н., Лоткова Э.Н., Писаренко В.В. Газовая температура в плазме разряда лазера на окиси углерода // Квант, электрон. Т. 2. Вып. 5. С. 1030. 1975.

47. Дунчич Я.Г., Урин Б.М. Насыщенное усиление на колебательно-вращательных переходах молекулы СО IIКвант, электрон. Т. 13. № 2. С. 310. 1986.

48. Елкин Н.Н., Кочетов И.В., Курносов А.К., Напартович А.П. Усиление излучения в активной среде непрерывного СО-ЭИЛ // Квант. электрон., 17, 313 (1990).

49. Живухин И.Н., Ионин А.А., Кельнер М.С., Синицын Д.В., Сучков А.Ф., Фролов К.К., Импульсный N20 ЭИЛ с энергией генерации 100 Дж. // Квант. Электрон., Т. 16, № 8. С. 1609, 1989.

50. Иванов Е.Е., Ионих Ю.З., Пенкин Н.П., Чернышева Н.В. Процессы образования С02 в смеси He-СО и константа скорости реакции С0*+С0-»С02+С И Химическая физика, Т.7, № 12, С. 1694,1988.

51. Исламов Р.Ш., Конев Ю.Б., Кочетов И.В., Курпосов А.К. Влияние ударов второго рода на баланс энергии электронов и характеристики генерации в смесях CO-N2. // Квантовая электроника, 11, № 1, с. 142, 1984.

52. Ионин А.А., Казакевич B.C., Ковш И.Б., Кочетов И.В., Курносов А.К., Урин Б.М. Исследование генерационных характеристик ЭИ СО лазера на азотосодержащих смесях // Препр. ФИАН № 232,1982.

53. Ионин А.А., Ковш И.Б., Соболев В.А., Урин Б.М. Электроразрядные инфракрасные лазеры высокого давления и их применения // Итоги науки и техники. Сер. Радиотехника, Т. 32, М., ВИНИТИ, 1984.

54. Ионин А.А., Сучков А.Ф., Фролов К.К., Электроионизационный N20 лазер // Квант: Электрон., 15, с. 1967, 1988.

55. Ионин А.А. Отечественные разработки мощных лазеров на окиси углерода // Квант, электрон. Т.20. Вып.2. С. 113. 1993.

56. Ионин А.А. Лазеры на окиси углерода с накачкой электрическим разрядом // В кн. Энциклопедия низкотемпературной плазмы Сер. Б, Том XI-4, под ред. Яковленко С.И., М., Физматлит, с.740, 2005.

57. Казакевич B.C. Спектрально-временные характеристики излучения импульсного электроионизационного СО-лазера, II Канд. диссерт. М., ФИАН, 1984.

58. Конев Ю.Б., Кочетов И.В., Певгов В.Г., Шарков В.Ф. Анализ кинетических процессов, определяющих параметры СО-лазеров, И Препринт ИАЭ. Вып. 2821. С. 1-36, 1977а.

59. Конев Ю.Б., Кочетов И.В., Курносов А.К., Певгов В.Г., Исследование возможности получения генерации на обертонах молекулы окиси углерода при накачке в электрическом разряде, Письма в ЖТФ, 3, с. 1267, 1977b.

60. Конев Ю.Б., Кочетов И.В., Курносов А.К., Певгов В.Г., Демьянов А.В., Исследование характеристик газоразрядного СО лазера при генерации на обертоне. I. Стационарный режим. Инженерно физический журнал, 41, с.289, 1981а.

61. Конев Ю.Б., Кочетов И.В., Курносов А.К. Влияние примесей двухатомных молекул на генерационные характеристики электроионизационного лазера // Препринт ИАЭ им. И. В. Курчатова № 3829/11. 1983.

62. Конев Ю.Б., Кочетов И.В., Курносов А.К., Мирзакаримов Б.А. Расчет кинетики СО-лазера с учетом многоквантового W-обмена, // Квант, электрон. Т.21. Вып.2. С. 133. 1994.

63. Кочетов И.В., Наумов В.Г., Певгов В.Г., Шашков В.М. О механизме прямого нагрева лазерной смеси C02-N2-He в несамостоятельном разряде // Квант, электрон. Т.6. № 7. С. 1446. 1979.

64. Кочетов И.В., Курносов А.К., Мартен Ж.П., Напартович А.П. Оптическая накачка смесей, содержащих СО, многочастотным излучением СО-лазера, // Квант, электрон. Т.22. Вып.7. С. 683. 1995.

65. Лондер Я.И., Менахин Л.П., Ульянов К.Н. Изучение «быстрого» нагрева кислорода в несамостоятельном разряде, // ТВТ, Т. 19, №4, с. 720, 1981.

66. Лоткова Э.Н. Возможности и перспективы электроразрядного СО-лазера (обзор) // Препринт ФИАН, № 340, М., 1986

67. Масычев В.И., Плотниченко В.Г., Сысоев В.К. Спектральные характеристики лазеров на окиси углерода с различным изотопным наполнением // Квант, электроника, 9, № 11, 2303, 1982.

68. Масычев В.И., Сысоев В.К. Спектральные характеристики отпаянных лазеров на изотопах молекулы СО при комнатной температуре // Препринт ФИАН, № 269, 1983.

69. Межерис Р., Лазерное дистанционное зондирование, М. Мир, 1987.

70. Микаберидзе А.А., Очкин В.Н., Соболев Н.Н. Диссоциация окиси углерода в разряде прокачного СО-лазера //Ж. тех. физ. Т.42. Вып.7. С. 1464. 1972.

71. Ораевский А. Н., Сучков А. Ф., Шебеко Ю. Н. Исследование влияния малых добавок окиси азота на энергетические и спектральные характеристики СО-лазера. Препринт ФИАН, № 109, 1978.

72. Очкин В.Н. Спектроскопия низкотемпературной плазмы, М., ФИЗМАТЛИТ, 2006.

73. Рич Д.У. Релаксация молекул при обмене колебательной энергией // В кн. Газовые лазеры, под ред. Мак-Даниеля И. и Нигена У. М. Мир, с. 125,1986

74. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т. IV. Оптика, М. с. 423, 1980

75. Смит Н.С., Хассан Х.А. Расчет мощности в быстропроточных электроразрядных лазерных системах на СО // Ракетн. техн. и космонавтика, т. 14, № 3, с. 105, 1976.

76. Соболев Н.Н., Соковиков* В.В. Лазер на окиси углерода. Результаты экспериментальных исследований (обзор) //Квант, электроника, № 4(10), с. 3, 1972.

77. Соболев Н.Н., Соковиков В.В. Лазер на окиси углерода. Механизм образования^ инверсной населенности,// Успехи, физ. наук Т. 110. Вып.2. С. 191. 1973.

78. Сучков А. Ф, Шебеко Ю. Н. Исследование влияния добавок окиси азота на энергетические и спектральные характеристики электроионизационного СО-лазера // Квант, электроника, Т. 6, № 3, 569; 1979.

79. Трубачеев Э.А. Изучение физико-химических свойств плазмы СО-лазера. // Труды ФИАН. М., Т. 102. С. 3-57, 1977.

80. Физические величины. Справочник, под ред. И. С. Григорьева, Е.З. Мелихова, М. Энергоиздат 1991.

81. Шарков В.Ф., Дымшиц Б.М., Григорьян Г.М., Иванов Г.В., Корецкий Я.П., Кочетов И.В., Ламонов В.М., Певгов В.Г. Газоразрядный СО лазер с высоким удельным энергосъемом, // Квант, электрон Т.4. Вып.8. с. 1824. 1977.

82. Юрышев Н.Н., Кислородно-иодный лазер с химической накачкой, // Квант Электрон. Т. 26, № 7, с. 583,1996.

83. Abraham G., Fisher E.R. Modeling of a pulsed CO/N2 molecular laser system, // J. Appl. Phys. V. 43. №11. P. 4621. 1972.

84. Allen D.C., Price T J., Simpson С J.S.M., Low temperature vibrational relaxation of carbon monoxide by light mass species, // Chem. Phys., 41, №3, p. 449, 1979.

85. Bachem E., Dax A., Fink Т., Weidenfeller A., Schneider M., Urban W., Recent progress with the CO-overtone AV = 2 laser, II Appl. Phys., B57, p. 185, 1993.

86. Benard D. J., McDermott W. C., Pchelkin N. R., and Bousek R. R., Efficient operation of a 100-W transverse-flow oxygen-iodine chemical laser, // Appl. Phys. Lett., V. 34, № 1, p. 40, 1979.

87. Bergman R.C., Rich J.W., Overtone bands lasing at 2.7-3.1 |am in electrically excited CO // Appl. Phys. Lett. 31, p. 597, 1977.

88. Bergman R.C., G.F. Homicz, Rich J.W., Wolk G.L. 13C and 180 isotope enrichment by vibrational energy exchange pumping of CO II J. Chem. Phys. V. 78. №3. P. 1281. 1983.

89. BhaumikM.L., Lacina W.B., Mann M.M. Characteristics of a CO laser, II IEEE. J. Quant. Electron. V. QE-8. №2. P. 150.1972.

90. Billing G.D., Semiclassical calculation of energy transfer in polyatomic molecules. I. The N2+CO2 system // Chem. Phys., 41, № 1, p. 11, 1979.

91. Billing G.D., Coletti C., Kurnosov A.K., Napartovich A.P., Sensitivity of molecular vibrational dynamics to energy exchange rate constants, // J.Phys.B: At.Mol.Opt.Phys. 36, № 6, p. 1175. 2003.

92. Black G. and Slanger T.G. Production of 02(я "Д^) by oxygen atom recombination on a Pyrex surface, J.Chem.Phys, 74, p. 6517, 1981.

93. Boness M.J.W., Center R.E. "Observations of small-signal gain in high-pressure pulsed CO electric discharge laser", II Appl. Phys. Lett. V.26. №9. P. 511. 1975.

94. Brechignac P., Martin J.P., Taieb G. Small-signal gain measurements and vibrational distribution in CO, II IEEE. J. Quant. Electron. V. QE-10. №10. P. 797. 1974.

95. Brechignac P., Taieb G., Legay F. V-V energy transfer in highly excited CO by infrared-infrared double resonance, // Chem. Phys. Lett. V.36. №2. P. 242. 1975.

96. Brechignac P. Near-resonant V-V transfer rates for high-lying vibrational states of CO, // Chem. Phys. V.34. P. 119. 1978a.

97. Brechignac P. Transfer of rotational population in CO by IR laser double resonance // Optics Communications V. 25. P. 53. 1978b.

98. Bulovv von H., Zeyfang E. Supersonic CO laser with rf exitation // Rev. Sci. Instrum. V. 64, No. 7, P. 1764, 1993.

99. Cacciatore M., Capitelli M., Billing G.D., Vibrational energy relaxation in excited CO molecules in 4He-CO collisions: A semiclassical study, // Chem. Phys., 82, №1-2, p. 1, 1983.

100. Caledonia G.E., Center R.E. Vibrational distribution functions in anharmonic oscillators, // J. Chem. Phys. V. 55. №2. P. 552. 1971.

101. Center R.E., Caledonia G.E. Anharmonic effects in the vibrational relaxation of diatomic molecules in expandingflo\vs, II Appl. Opt. V. 10. №8. P. 1795.1971.

102. Center R.E., Caledonia G.E. Parametric performance predictions for high-power pulsed electric CO laser И J. Appl. Phys. У .46. P. 2215. 1975.

103. Coletti C. and Billing G. D., Rate constants for energy transfer in carbon monoxide, // Journal of Chem. Phys., 113, №12, p. 4869, 2000.

104. Daiber J.W., Thompson H.M. Performance of a large, CW, preexcited CO Supersonic laser, П IEEE. J.

105. Quant. Electron. V. QE-13. №1. P. 10. 1977. Deleon R.L., Rich J.W. Vibrational energy exchange rates in carbon monoxide, // Chem. Phys. V.107. P. 283. 1986.

106. Dillon T.A., Stephenson J.C. Multiquantum vibrational-energy exchange, // Phys. Rev. A. V.6. P. 1460. 1972.

107. Dymshits B.M., Ivanov G.V., Mescherskiy A.N., Kovsh I.B. CW 200kW supersonic CO laser. High-Power

108. CO, He-C0-02 mixtures И J. Phys. D: Applied Physics, V. 25, P. 1064.1992. Guelachvili G., de Villienuve D., Farrenq R., Urban W., Verges J., Dunham coefficient for seven isotopic species of CO II J. Molec. Spectrosc. 98, 64,1983

109. Hallada M., Seiffert S., Walter R., Vetrovec J., EXOTIC LASERS: Iodine lasers deliver high power via fiber, Laser Focus World, V.36, №5, p. 205, 2000.

110. Hancock G., Smith I.W.V. Quenching of infrared chemiluminescence. 1: The rates of de-excitation of CO (4 V 13) by He, CO, NO, N2, 02, OCS, N20 and C02, II Appl Opt. V. 10. №. 8. P. 1827. 1971.

111. Havey M.E., Barry J.D., Avon A.F. Small signal gain in the CO-Air-He laser, // IEEE. J. Quant.

112. Electron. V. QE-7. №6. P.371. 1971. Hard Т. M. Laser wavelength selection and output coupling by a grating // Applied Optics. V.9. № 8. P.1825. 1970.

113. Jeffers W.Q., Kelley J.D. Calculations of V-V transfer probabilities in CO-CO collisions, // J. Chem. Phys. V. 55. №9. P. 4433.1971a.

114. Jeffers W.Q., Wiswall C.E. Excitation and relaxation in a high-pressure CO laser, // IEEE. J. Quant. Electron. V. QE-7. №8. P. 407. 1971b.

115. Keren H., Avivi P., Dothan F. The influence of oxygen on СО-laser performance // IEEE. J. Quant. Electron., V. QE-11, № 8, 590, 1975.

116. Keren H., Avivi P., Dothan F. Positive ion spectra in Не-СО-Ог-laser discharges // IEEE. J. Quant. Electron., V. QE-12, № 1, 58; 1976.

117. King D., Carroll D., Laystrom J., Verdeyen J., Sexauer M. and Solomon W. ElectriCOIL: Preliminary experiments of exited oxygen generation by RF discharge // Proc. Int. Conf. LASERS'2000, STS Press, McLean, VA, 265, 2001.

118. Klosterman E.L., Byron S.R. Electrical and laser diagnostics of an 80-kW supersonic cw CO electric laser II J. Appl. Phys. V.50. №8. P.5168. 1979.

119. Kodama Yu., Sato H. Transient behaviors of output power in fast-axial flow-type CO laser // IEEE. J. . Quant. Electron., V. QE-34, № 2, 241, 1998.

120. Konev Yu.B., Ionin A.A., Kochetov I.V., Kurnosov A.K., Napartovich A.P. Physics of laser action using high vibrational excitation of CO molecule // Int. Symp. High Power Laser Ablation IV, Apr 2002, Taos, NM, USA, Proc. SPIE, 4760, 935, 2002

121. Mann M.M., CO electric discharge lasers II AIAA Journal, V. 14, No. 5, P. 549. 1976.

122. McDermott W.E., Pchelkin N.R. Benard D. J., Bousek R. R., An electronic transition chemical laser, // Appl. Phys. Lett., V. 32, №8, p. 469., 1978.

123. Monson DJ. Potentional efficiencies of open- and closed-cycle CO, supersonic, electric-discharge lasers, IIAIAA Journal, V. 14, № 5, p. 614, 1976.

124. Morgan W.L., Fisher E.R. Effects of 02 on low-pressure СО-laser discharges, // Physical Review A, V. 16, №3, p. 1186.

125. Nachshon Y., Coleman P.D. TB-3 measurement of vibration-vibration exchange of highly excited states ofdiatomic molecules where the collisional probability is approaching unity, // IEEE J. Quant. Electron. V.QE-11. №8. P.654. 1975.

126. Napartovich A., Deryugin A., Kochetov I., Discharge production of the singlet delta oxygen for an iodine laser // J. Phys. D: Appl. Phys., 34, №12, p. 1827, 2001.

127. Osgood R.M., Nichols E.R., Eppers W.C., Petty R.D., Q switching of the carbon monoxide laser, // Appl. Phys. Letters, 15, No. 2, p. 69, 1969.

128. Osgood R.M., Eppers W.C., Nichols E.R. An investigation of the high-power CO laser // IEEE. J. Quant. Electron. V. QE-6. №3. P. 145. 1970.

129. Palm P., Ploenjes E., Buoni M., Subramaniam V.V., Adamovich I.V. Electron density and recombination rate measurements in СО-seeded optically pumped plasmas, // J. Appl. Phys. V. 89. №. 9. P. 5903.2001.

130. Patel C.K.N., Kerl R.J. Laser oscillation on X'X+ vibrational-rotational transitions of CO, // Appl.Phys.Lett. V. 5. №4. P. 81. 1964.

131. Patel C.K.N. Vibrational-relaxation laser action in carbon monoxide, II Phis. Rev. V. 141. №.1. P. 71. 1966.

132. Phipps S.P., Smith T.C., Hager G.D., Heaven M.C., Mclver J.K., Rudolph W.G. Investigation of the state-to-state rotational relaxation rate constants for carbon monoxide (CO) using infrared double resonance, // J. Chem. Phys. 2002. V. 116. №21. P. 1.

133. Plonjes E., Palm P., Lee W., Matthew D. Chidley, Igor V. Adamovich, Walter R. Lempert and J. William Rich, Vibrational energy storage in high pressure mixtures of diatomic molecules // Chem. Phys., 260,- 353 (2000).

134. Plummer M.J., Glowacki W.J. Theoretical investigation of the supersonic electric discharge laser // AIAA Paper, No 73-623, 1973.

135. Porshnev P.I., Wallaart H.L., Perrin M.Y., Martin J.P. Modeling of optical pumping experiments in CO. I. Time-resolved experiments, II Chem.Phys. V. 213. P. 111. 1996.

136. Porshnev P.I., Wallaart H.L., Perrin M.Y., Martin J.P. Modeling of optical pumping experiments in CO. II. Steady conditions, // Chem.Phys. V. 222. P.289. 1997.

137. Powell H.T. Vibrational relaxation of carbon monoxide using a pulsed discharge, // J. Chem. Phys. V. 59. №9. P. 4937.1973.

138. Powell H.T. Vibrational relaxation of carbon monoxide using a pulsed discharge. П. T=100, 300, 500K", II J. Chem. Phys. V. 63. №6. P. 2635.1975.

139. Rich J.W. Kinetic modeling of the high-power carbon monoxide laser, // J. Appl. Phys. V. 42. №7. P. 2719.1971.

140. Rich J.W., Bergman R.C., Lordi J.A. Electrically exited, supersonic flow carbon monoxide laser, // AIAA Journal. V. 13. №1. P. 95. 1975.

141. Rich J.W., Bergman R.C. C2 and CN formation by optical pumping of CO/Ar and CO/N2/Ar mixtures at room temperature, // Chem.Phys. V. 44, p. 53,1979.

142. Reid J.P., Simpson C.J.S.M., Quiney H. M., Hutson J. M., Vibrational relaxation of GO (v=l) by inelastic collisions with 3He and4He, II J. Chem. Phys., 103, №7, p. 2528, 1995.

143. Reid J.P., Simpson C.J.S.M., A new He-СО interaction energy surface with vibrational coordinate dependence. II. The vibrational deactivation of CO(v = 1) by inelastic collisions with 3He and 4He, II J. Chem. Phys., 107, №23, p. 9929, 1997.

144. Schellhorn M., Bulow von H. Deep penetration welding using a CO laser with an unstable resonator //

145. Schulz G.J. Resonances in electron impact on diatomic molecules // Review of Modern Physics, V. 45, № 3, P.423,1973.

146. Sharma R.D., Brau C.A. Energy transfer in near resonant molecular collisions due to long-range forces with application to transfer of vibrational energy from vj mode of C02 to N2 // J. Chem.Phys. V. 50, № 2, P.924. 1969.

147. Smith I.W.M., Wittig C. Vibrational energy transfer in carbon monoxide at low temperatures, // Chem.

148. Soc. Faraday Trans.II. V. 69. P. 939.1973. Smith N.S., Hassan H.A., Power Calculations for High-Flow CO Electric Discharge Laser Systems, //

149. AIAA Journal, 14, №3, p. 374,1976. Stanton A.C., Hanson R.K., Mitchner M. Vibrational kinetics in CO electric discharge lasers:

150. Modeling and experiments, II J. Appl. Phys. V.51. №3. P. 1360. 1980. Stephenson J.C., Mosburg E.R. Vibrational energy transfer in CO from 100 to 300K, II J. Chem. Phys. V. 60. №9. P. 3562. 1974.

151. CO laser excitation", II Chem. Phys. V. 130. P. 389. 1989. Urban W. The carbon monoxide laser as Spectroscopic source I I Laser und Optoelektronik, 23, № 1, 56(1991)

152. Yardley J.T. Population inversion and energy transfer in CO lasers, // Appl. Opt. V. 10. №8. P. 1760.1971.

153. Zeyfang E., Mayerhofwer W., Walther S., Room-temperature repetitively pulsed CO overtone laser // hit. Symp. GCL/HPL'2000,18-22 Sept 2000, Florence, Italy, Proc. SPIE, V. 4184 p. 230, 2001.

154. СПИКОК ПУБЛИКАЦИЙ С УЧАСТИЕМ АВТОРА, в которых содержатся основные результаты диссертации1* Ионин А.А., Климачев Ю.М., Кобза Г., Синицын Д.В.

155. CO laser: Advances in theory and experiment, Proc. SPIE, 5777, 408, (2005). 16* Seleznev L., Ionin A., Klimachev Yu., Kochetov I., Kotkov A., Kozlov A., Kurnosov A., Napartovich A., Sinitsyn D., Vetoshkin S;

156. Электронное периодическое издание Журнал "ЭЛЛФИ" (http://ellphi.lebedev.ru)