Эффективность возбуждения активной среды и управление энергетическими характеристиками генерации лазера на парах меди тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ОПТИКИ АТМОСФЕРЫ

На правах рукописи

КЩИН Николай Александров

ЭВФЕКТИВНОСТБ^ОЗБУВДЕНИЯ АКТИВНОЙ СРЕДУ И УПРАВЛЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ГЕНЕРАЦИИ ЛАЗЕРА НА ПАРАХ МЕДИ, (специальность 01.04.05 - Оптика)

Автореферат диосертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Томск-1996

Работа выполнена в Томской государственном университете и Институте оптики атмосферы СО РАН.

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук

Солдатов Анатолий Николаевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Копылова Татьяна Николаевна

кандидат физико-математических наук Колбычев Геннадий Владимирович

Ведувдя организация: институт сильноточной электроники СО РАН

Зашита диссертации состоится " о'^' 1996г. в" час. на

заседании Специализированного совета К 063.53.03 в Томском государственном университете по адресу: 634050,г.Томск,пр.Ленина,36.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Томского государственного университета.

Автореферат разослан "¿О " ¿?у>/У 199бг.

У

Ученый секретарь Специализированного совета

к.ф.~ ы.н. Г.М.ДэЛкова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Лазеры на парах металлов, работающие на переходах с резонансного на метастайильный уровни, составляют в настоящее время один из важных классов газовых лазеров. Основная особенность таких лазеров - возможность генерации излучения от УФ до ИК области спектра при высоком КПД, недостижимом для лазеров на основе благородных газов. Одним из наиболее эффективных в этом классе лазеров является лазер на парах меди (ЛПМ) генерирующий на самоограниченных переходах излучение с длинами волн 510,6 нм и 578,2 нм. Наибольшее количество работ посвящено исследованию именно ЛПМ, полагая, что существенное улучшение энергетических характеристик ЛПМ позволит улучшить их и для лазеров на других активных средах.

Генерация на самоограниченных переходах атома меди впервые была получена в 1966 году [1], однако бурное развитие этих лазеров началось с 1972 года, когда был предложен саморазогревной рехим работы ЛПМ С2]. Высокие прогнозируемые энергетические характеристики плюс простой способ получения паров рабочего вещества при одновременном их возбуждении дали мощный импульс дальнейшего развития ЛПМ.

Высокие значения средней мощности генерации (>200 Вт), частоты следования импульсов генерации (>230 кГц)', КПД (1-ЗХ), коэффициентов усиления (>100 Дб/м), достигнутые к настоящему времени, привели к широкому применению ЛПМ в различных областях науки и техники. Одно из самых масштабных применений ЛПМ нашли в лазерной программе разделения изотопов в атомарных парах, осуществляемой в Ливерморской Национальной Лаборатории в США. ЛПМ - единственный среди лазеров используется в качестве проекционного микроскопа с усилением яркости изображения. Проекционные микроскопы нашли широкое применение в микротехнологиях и устройствах для внутререзона-торной проекционной обработки объектов. Кроме этого, ЛПМ широко применяются в зондировании атмосферы, навигационных устройствах, медицине, криминалистике и т.д. Широкая область применений определяет интерес в исследовании ЛПМ как с большим рабочим объемом о целью повышения средней мощности генерации, так и о малым рабочим объемом с целью повышения их эффективности и расширения функциональных возможностей.

Несмотря на существенный прогресс в развитии за последнее десятилетие ЛПМ, а также большое количество работ посвященных исследованию оптимальных режимов работы саморазогревных ЛПМ и процессов, ограничивающих энергетические характеристики лазера, не выработано общего подхода к оценке оптимальных условий создания инверсной населенности. Повышение практической значимости этого класса лазеров делает актуальным уточнение общего подхода к оптимизации условий возбуждения ЛПМ, улучшение эксплуатационных характеристик (повышение срока службы, уменьшение весо-габаритных параметров лазера), а также расширение функциональных возможностей ла-аера (ускоренный выход на рабочий режим, наличие дежурного режима, стабилизация теплового режима работы ЛПМ, управление энергетическими характеристиками генерации). Решение этих задач является актуальным и имеет вакное научное и прикладное значение, поскольку улучшает энергетические и эксплуатационные характеристики лазера в целом.

В связи с этим целью настоящей работы является исследование и оптимизация энергетических характеристик активной среди лазера на парах меди.

Ее конкретная реализация заключается в решении следующих принципиальных задач:

1. Исследование критериев повышения эффективности работы ЛПК!.

2. Исследование физических процессов в плазме позволяющих управлять выходными параметрами лазерного излучения (частота следо-дования импульсов генерации, анергия импульса генерации) без нарушения теплового режима работы Ж.!

3. На основании проведенный исследований - создание малогабаритных образцов ЛПМ для широкого круга применений.

Научная новизна работы определяется тем, что в ней впервые:

1. Установлены критерии достижения высокого КПД ЛПМ. Показано, что для эффективной накачки рабочих переходов активной среды необходимо формировать импульс возбуждения с крутым фронтом напряжения на ГРТ, длительность которого обрывается в момент окончания импульса генерации при соблюдении условия апериодического характера развития тока за время действия импульса возбуждения. При таких условиях возбуждения' экспериментально получен КПД ЛПМ относительно энерговклада в ГРТ 3%.

2. Предложены способы сохранения теплового режима работы ЛПМ неаа-

висимо от параметров импульса возбуддения активной среды как для сачоразогревных газоразрядных трубок (ГРТ), так и со встроенным омическим нагревателем подключенным к электродам ГРТ.

3. Разработаны методы 100Х управления энергетическими характеристиками генерации ЛПМ без нарушения теплового режима работы лазера.

4. Новизна разработанных способов и методов подтверждается полученными авторскими свидетельствами и патентами.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

- разработанные способы и методы, а также выработанные в процессе исследований критерии оптимальных условий возбуждения ЛПМ позволяют разрабатывать новые высокоэффективные лазеры на пграх меди о высокими эксплуатационными характеристиками.

На основе разработанных способов и методов созданы:

- серия малогабаритных лазеров на парах меди со встроенным нагревателем в ГРТ "Милан-М", работающих в широком диапазоне частот следования импульсов генерации со стабилизацией теплового режима работы и возможностью работы лазера в дежурном режиме.

- лазер на парах меди "Малахит" со 100Z глубиной управления выходными характеристиками лазерного излучения.

- лазер на парах меди "Милан-5/01" со стабилизацией выходных характеристик лазерного излучения. Лазер "Милан-Б/01" передан по контракту на лицензионной основе в Болгарию для серийного производства.

Вышеперечисленные лазеры неоднократно демонстрировались на Всесоюзных, Российских и международных выставках. Лазер "Милан-М" награжден золотой медалью ВДНХ СССР.

На защиту выносятся следующие положения и результаты;

1. Одним из критериев эффективной накачки активной среды лазера на парах меди является условие апериодического характера развития разряда до окончания импульса генерации (т.е. когда R > 2(L/C)1/Z, где R - активное сопротивление плазмы, L - индуктивность разрядного контура, С - накопительная емкость).

2. Экспериментально полученный КПД лазера на парах цеди относительно энерговклада в газоразрядную трубку 9% достигнут за счет селективности накачки верхних лазерных уровней.

3. Управление населенностью нижнего лазерного уровня при импуль-сно-периодическом режиме работы лазера на парах поди в оптимальных условиях достигается путем наложения перед импульсом возбуждения

- б -

дополнительного импульса, не вызывающего генерации. 4. Увеличение проводимости плазмы после импульса возбуждения обусловлено энерговкладом в плазму энергии запасаемой индуктивностью, подключенной параллельно ГРТ, во время наложения импульса возбуждения.

Апробация работы. Основные результаты, приведенные в диссертации обсуждались на Всесоюзных симпозиумах по лазерному и акустическому зондированию атмосферы,г.Томск,1982г.,1984г.; Всесоюзных семинарах "Лазеры на парах металлов и их применение",г.Новоро-сийск,1982г.,1991-1993гг.: Межотраслевой научно-технической конференции "Импульсные газоразрядные лазеры",Москва,1986г.; рабочем совещании "Активные среды плазменных и газоразрядных лазеров", Гродно,1987г.; Национальной конференции "Лазеры и их применение",Пловдив,Болгария,1988г. ; Международной конференции "Импульсные лазеры на переходах атомов и молекул",Томск,1992г,1995г.

Основные результаты работы изложены в 1Б печатных работах и 9 полученных авторских свидетельствах и положительных решениях.

Объём и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений. Работа изложена на 160 страницах, включая 49 рисунков и список литературы из 109 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность диссертационной работы, сформулированы ее основные цели. Кратко охарактеризованы научная новизна и практическая значимость полученных результатов, перечислены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проводится обзор литературных источников по лазеру на парах меди. Показаны основные закономерности энергетических характеристик генерации от параметров активной среды лазера, разрядного контура и конструктивных особенностей газоразрядных трубок. Проводится анализ причин, ограничивающих энергетические характеристики генерации, а также анализируются известные способы контроля и стабилизации генерационных характеристик ЛПМ.

На основании проведенного анализа известных литературных источников формулируются основные цели работы и конкретные задачи, которые необходимо было решить для их достижения.

Во второй главе описана техника эксперимента и методики измерений. Описаны конструкции, технология сборки, обезгакиваяия и

тренировки как сачеоазогрэвных ГРТ, таг: и со встроенным нагревателем, выполненным в виде спирали из молибденового провода на разрядном канале и подключенный к электродам ГРТ. Приведена струотур-ная схема экспериментальной установки модернизированной под условия экспериментов и описана ее работа. Опнса!Ш конструкции делителей напряжения и тогавого шунта, используеше в эюзпериментальной работе, приводятся их основные параметры. Описаны методики измерения электрических параметров разрядного контура и оптичесгах параметров лазерного излучения.

В третьей глазе приведены результаты исследования зависимости энергетических характеристик ЛПМ от формы и длительности импульса возбуждения. На основе анализа получении;: результатов, кслкретпзи-рованы критерии выбора оптимальных параметров импульса возбугдо-пия и приведены результаты экспериментальной проверю! зффэютшнос-тп выбраннних критериев.

Использование е качестве верхних лазерных уровней - резонансных уровне!! атома предполагает на только шеогскй квантовый КПД, но и 1ШД лазера в целом, который для лазера на парях неди оценигч-ется а 10%. Первоначально предполагалось, что для эффектиптой накачки активной среды ЛПМ необходимо формировать импульсы нозбуто-иия с крутым фронтом длительностью порядка зремзнк еглцоствовочкя тшорсии в активной среде £3]. Позднее было по:сазака, что огр^чи-чивсюздш фактором увеличения фронта импульса возбуждения является индуктивность разрядного контура, а КПД ЛИ?,! возрастает с уменьшением волнового сопротивления разрядного контура [43. Поокзлысу вовиаяности уменьшения индуктивности разрядного контура в реальном лазере ограничины, то КПД ЛП?Л 32, полученный для лазерной трубки с индуктизнс-стью ¡соитура порядка 100 пГн м«шо считать предельным для этого класса лазеров [53. С другой стороны, уменьшать волновое сопротивление разрядного контура могло за счет увеличения накопительной емкости.

Проведенные нал! исследования эффективности работы ЛПМ от формы и длительности импульса возбуждения на ГРТ, рабочий 1санал которой изготовлен из ВеО - керачичесгой трубки длшгой 200 мм и диаметром 11 ш показали, что увеличение накопительной емкости С приводит к увеличение ¡сак времени ввода энергии, так л иозрастанга энергосклада в ГРТ. При неизменном переднем фронте га.гпульса напряжения на ГРТ затягивается фронт импульса тега. Такая зависимость объясни-

- о -

ется тем, что в процессе развития разряда значительно изменяется величина активного сопротивления разряда 1?, и принимать разрядный контур за колебательный можно лишь при условии, когда Ь > С1?2/4 (3.1), где Ь -индуктивность разрядного контура. В начальный момент возбуждения активное сопротивление велико, и разряд имеет апериодический характер с постоянной времени ~ Г?С. По мере развития разряда активное сопротивление плазмы быстро уменьшается, и при выполнении условия (3.1) разряд принимает колебательный характер с постоянной времени ~ (ЬС)1/2. При изменении накопительной емкости изменяется задержка между моментом наложения напряжения на ГРТ и началом импульса генерации, например, при С - 60 нФ генерация на-

пульсов генерации на уровне 0,1 от энерговклада в ГРТ до ганца величины накопительной емкости. импульса генерации,

чинается через 300 но. С увеличением С возрастают длительность импульса генерации (Рис.1), его энергия и уменьшается энергсвклад в ГРТ до окончания импульса генерации (Рис.2), возрастает физический КПД ЛПМ. Для понимания механизма возрастания физического КПД ЛШ проанализируем работу разрядного контура лазера. Контур включает в себя активное сопротивление разряда К, индуктивность разрядного контура Ь, идеальный ключ К и накопительную емкость С. Предположим, что замыкание и размыкание ключа происходит за время, много меньшее длительности импульса возбуждения, равной времени пребывания ключа в замкнутом состоянии. Влияние индуктивности Ь незначительно ва время действия импульса возбуждения. Такое предположение молодо ввести, если за время действия импульса возбуждения разряд имеет апериодический характер, т.е. если Н > 2(Ь/С)1/2 (3.2). Поэтому будем считать, что С достаточно велика, ¿следствии чего, ео

время импульса возбуждения напряжение на С остается постоянным, а на Ь и I? формируется прямоугольный импульс возбуждения с амплитудой и. При апериодическом характере развития разряда можно пренебречь напряжением на Ь и считать, что напряжение на I? равно по величине напряжению на С. В предположении, что параметры плазмы по сечению рабочего канала ГРТ распределены однородно и частота ионизации в разряде не зависит от средней энергии электронов, можно записать систему уравнений и оценить концентрацию электронов, при которой выполняется условие апериодического разряда:

и - Ш, Г? - 1/бхлхг2, б = пехе2/тхи,

(1пв/<31 => \)1><П9, I? > 2(1./С)1/2, 1> - «е1+иеСи+«ь^и+»еЫо; где 1, г - длина и радиус рабочего.канала ГРТ; е, т - заряд и масса электрона; па - концентрация электронов; и01 - частота столкновений электронов с ионами; иеси. иеСи - частота упругих и неупругих соударений электронов с атомами меди; иеы<э - частота столкновений электронов с атомами неона. Условие апериодического характера развития разряда будет выполняться при концентрации электрогов, не превышающей значение:

ши 1

п0 <--(3.3)

2хе2(1/С)1/г лхг2 Типичное значение сопротивления плазмы в момент импульса генерации порядка 10 Ом, а значение индуктивности контура оценивается в пределах 10~б - ИГ7 Гн. В этом случае апериодический характер развития разряда будет при С > 4ЬД2 > 4хЮ~8 - 4*10~9 Ф, что согласуется с полученными экспериментальными результатами. Для параметров разрядного контура I. - 10~6 Гн; С - 10"а Ф; 1 - 0,4 м; г - 5 мм; и - Ю10 с"1 , концентрат« электронов в момент импульса генерации, при которых накачка рабочих уровней ЛПМ определяется апериодическим характером разряда, может достигать 1014 см"3, что согласуется со значением п0, при которой реализуется генерация в ЛПМ.

Вышеприведенный анализ механизма увеличения физического КПД ЛПМ показал, что для эффективной накачки рабочих переходов необходимо формировать импульс возбуждения с крутым фронтом импульса напряжения на ГРТ, длительность которого обрывается в момент окончания импульса генерации при соблюдении уоловия апериодического характера развития тока за вр°ыя действия импульса возбуждения, т.е. за время действия импульса возбуждения должно выполняться ус-

ловие: й > 2(1/С)иг.

Экспериментальная проверю проводилась на ГРТ, рабочий канал 1соторой изготовлен из ВеО-кера\жческой трубки длиной 170 мм и диаметром 6 мм. Давление буферного газа-неона составляло 6,6 кПа. В качестве коммутатора использовался составной газоразрядный коммутатор. позволявши осуществлять обрыв тока на уровне до 20-25 Л. Коммутатор состоял из двух последовательно включенных тиратрона ТГИ1-270/12 и таситрона ТГУ1-27/7. В исходном состоянии таси.трон открыт. При запуске тиратрона, на таситрон, через регулируемую линию задержки подавался запирающий импульс. Это позволило регулировать длительность импульса возбуждения и осуществлять обрыв экер-говклада в ГРТ после импульса генерации. Данная схема также позволяла осуществлять "рассечку" энерговклада, когда после обрыва тока осуществлялся дополнительный энерговклад в ГРТ энергии, оставшейся в накопительной емкости, для поддеркания теплового режима работы ЛПМ. Это позволило в режиме саыоразогрева оптимизировать условия возбуждения аотивной среди .ЧТО,). На Рис.3 приведены осциллограммы шпуль сов тота, напряжения и генерации, соответствующие трем режимам работы лазера: а) обычный с&моразогревпой режим; б) режим с "рассечкой" энерговклада;' в) ре;.шм полного обрыва энерговклада в ГРТ после импульса генерации на вреыл, пока не нарушался тепловой ретш работы ЛШ.

Как видно из осциллограмм, не происходило изменение энергетп-

Рио.З. Импульсы тока, напряжения и генерации, соответствующие трем режимам работы ЛПМ.

ческих параметров импульса генерации при существенном уменьшении энергозклада в активную среду. Максимальное значение эффективности работы ЛШ составило 9%.

В режиме (в) не наблюдалось характерное свечение буферного газа а холодных частях ГРТ. Более детальное исследование спектра излучения плагш ЛШ показало (Рис.4), что существенно снижается степень возбуядениия уровней, лежащих выше первых -резонансных, а также степень ионизации меди без изменения характера сЕечения спектральных линий, начинающихся с первых резонансных уровней меди. Наблюдается изменение радиального распределения энергии импульса генерации, что указывает на'снижение радиальных неоднсродностей в плазме разряда при переходе в режим (в).

Расчет концентрации электронов, проведенный по проводимости плазмы показал, что в режиме (в) реализуется концентрация электронов порядка 1013см"3 к концу импульса возбуждения. ' Это почти на порядок меньше концентрации рлектронов в 'момент импульса генерации и на два порядка к концу импульса возбуждения- в ЛШ с полным разрядом накопительной емкости.

Из условия (3.2) следует, что ед'.тствеитп пучь повышения зфт фективности работы cxei.ii возбуждения с полным разрядом С является уменьшение индуктивности разрядного контура ЛШ.'Действительно,при заданной величине L разрядного контура ЛШ можно изменять только величину С. Уменьшение С в схеме с поляш ео разрядом .приводит х более быстрому переходу разряда в периодический режим, что снижает энергию генерации из-за влияния индуктивности разрядного гонтура. Увеличение С приводит к возрастанию энерговклада в ГРТ в основном после импульса генерации. Например,.для разрядного контура е малой индуктивностью порядка 100 яГн и сопротивлением разряда к ¡юнцу импульса возбуждения - 10-15 Ом величина оптимальной С должна быть ~ 2-3 нФ. Это значение совпадает с величиной оптимальной С ~ 2,35 нФ, полученной экспериментально для таких ГРГ с эффективностью преобразования 3% СБ]. Учитывая, что скорость: изменения сопротивления разряда R зависит от приложенного к ГРТ напряжения, для анализируемой схемы возбуждения с полным разрядом С имеется оптимальное значение напряжения, при котором наблюдается максимальный КПД [51, хотя энергосъеи возрастает с увеличением напряжение [4].Известно, что эффективность ЛГ2.1 возрастает пропорционально диаметру разрядного канала [63, поскольку индуктивность коаксиальной

I I

Рис.4. Поведение интенсивности ряда характерных спектральных линий меди соответствующее трем режимам работы ЛПМ.

кострукции ГРТ возрастает пропорционально 1п(Р2/Г?а), где Я^ и Иг-рад иусы обратного токопровода и разрядного канала, а накопительную емкость необходимо увеличивать пропорционально рабочему объему ГРТ, чтобы обеспечить постоянство энерговклада в единицу объема для сохранения теплового режима ГРТ. Это приводит к уменьшению соотношения (Ь/С)1/2 и к увеличению КВД ЛПМ.

Проведенный анализ работы ЛПМ показал, что:

1) критерии выбора оптимальных условий возбуждения ЛПМ не противоречат ранее полученным экспериментальным и теоретическим результатам;

2) при апериодическом харакгерё развития разряда, до окончания импульса генерации, КПД ЛПМ возрастает не за счет уменьшения энерговклада в ГРТ, а за счет селективности накачки верхних лазерных уровней пои уменьшении энергозатрат на ионизацию активней среды и возбуждение высокорасположенных уровней атома меди. .

В четвертой главе описаны способы сохранения теплового режима работы ЛПМ и разработанные на их основе методы управления энергетическими характеристиками генерации.

В настоящее время наиболее изученным К широко применяемым при разработке ЛПМ является саморазогревной способ получения паров рабочего вещества. Для накачки активной среды в основном попользуют прямую схему возбуждения с полнил разрядом накопительной емкости. При такой схеме возбуждения для саиораэогрева ЛПМ необходимо выполнение условия: ■

(Си2/2){ - Р , где С-накопительная емкость, и-напряжение иа накопительной емкости, Г- частота следования импульсов возбуждения, Р- мощность, необходимая для разогрева ГРТ до рабочей'температуры. Управление энергией импульса генерации и средней мощностью генерации Ж,) возможно за счет изменения таких параметров как и и I, поскольку энергетические характеристики генерации . ЛПМ непосредственно зависят от этих параметров . Однако, при этом в саморазог-ревном ЛПМ нарушается тепловой режим работы лазера. Сохранение теплового режима возмогло при введении дополнительного источника подогрева. Для обеспечения возможности управления энергетичесгаш характеристиками генерации, дополнительный источник подогрева должен удовлетворять следующим условиям:

а) (Р1 + Рг) - Р.где Рх-ыопщость, вводимая в ГРТ от источника во.з-булдения.Рг-мощность, вводима в ГРТ от дополнительного источника.

Учитывая, что источник возбуждения активной среды ЛПМ шкет быть только импульсным, это условие южно записать в виде:

. t(CU2/2)f + Р2З - Р - const для конкретной ГРТ (4.1) 0) Не должен вызывать генерацию (4.2)

Наиболее полно этим условиям удовлетворяют ЛПМ с ГРТ помещенной в нагревательную печь. Однако ташге конструкции ГРТ не получили развития ввиду более сложной технологии их изготовления во сравнению с саыоразогревной ГРТ. В CV.8] предложены" конструкции ГРТ со встроенным нагревателем, подключенным к электродам и выполненным в виде спирали, помещенной в газоразрядном канале или намотанной на керамическую трубку, образующую газоразрядный канал ГРТ. Такая ГРТ позволяет использовать для ее изготовления технологию сборки, обезгатавания и конструктив саыоравогревных ГРТ. Сложность создания на базе этой ГРТ ЛПМ обусловлена тем, что источник подогрева в таком лазере оказывается под потенциалом источника возбуждения. Для разпяз!Ш источников возбуждения и подогрева ■ была использована система фильтров, работа которых и методика расчета подробно описала в днссертащш. Введение дополнительного источника подогрева значительно расииряет функциональные возможности ЛПМ и позволяет упразлять энергетически:»«! характеристиками генерации в . цирошл диапазоне (частотой следования и,(пульсов от одиночны/; импульсов до максимальной частоты, энергией импульса генерации за счет изменения амплитуды напряжения импульса возбуждения).

Управление энергетическими характеристиками саморазогревнш: ЛПМ возможно при введении дополнительного импульса подогрева. Диализ известных способов наложения дополнительных импульсов на ГРТ ЛПМ t9) показал, что они не удовлетворяют в полной мере требованиям (4.1-2), приведенным выше. На основе принципа создания инверсной населенности а ЛГО.1, был разработан способ поддержания теплового режима работы лазера: с каждым импульсом возбуждения формируется дополнителышй импульс подогрева в интервале между началом импульса генерации и окончанием импульса возбуждения. Он наиболее полно удовлетворяет требованиям (4.1-4.2), поскольку: не оказывает влияние на создание инверсной населоности в активной среде (формируется, когда инверсная населенность создана) и не может вызывать генерации, поасольку формируется после импульса генерации при высотой населенности нижнего лазерного уровня. На основе зтого способа был разработан метод управления энергетическими характеристи-

ками генерации. Управление энергией импульса генерации возможно за счет изменения напряжения импульса возбуждения с соответствующим изменением импульса подогрева, чтобы выполнялось условие (4.1). В этом случае,уменьшая амплитуду напряжения импульса возбуждения при соответствующем увеличении амплитуды напряжения дополнительного импульса, последний может вызывать генерацию. Для вйяснения глубины управления энергией импульса генерации была проведена 'экспериментальная проверю на ГРТ рабочий канал которой изготовлен из ВеО трубки длиной КЗ см и диаметром 10 мм.Буферный газ-неон.. ЛПМ оптимизировался в саморазогревном режиме при Рг=0. Затем производилось уменьшение амплитуды напряжения импульса возбукде.шя при соответствующем увеличении амплитуды дополнительного импульса, чтобы сохранялся саморазогревной режим. Генерация полностью -исчезает при напряжении 750-850 В- на выпрямителе источника возбуждения.

Известно, что в ЛПМ инверсная населенность создается 8а счет большей осорости заселения резонансных уровней прямым электронным ударом из основного состояния. Важную роль в этом процессе играет электронная температура Та04*5, гсэторая пропорциональна приложенному напряжению к ГРТ. Уменьшение амплитуды напряжения на ГРТ приво-■ дит к снижению Твэфф-и как следствие, скорости заселения лазерных уровней становятся сравнил!, что приводит к срыву инерсной населенности.

На основе проведенных исследований бил предложен другой метод управления энергетическими характеристики! генерации ЛПМ: ...

с каждым импульсом возбуждения формируется дополнительный импульс, не вызывающий генерации, а управляющее воздействие осуществляется за счет изменения задержки между дополнительным и возбуждающим импульсами. Исследоваши проводились на вышеописанной ГРТ. Потребляемая мощность от выпрямителей составила 870 Вт, при 60 Вт от дополнительного источника. При частоте следования импульсов 8,6 кГц средняя мощность генерации составляла 1,8 Вт. Напряжение на выпрямителях источника возбуждения - 3 кВ и дополнительного источника - ьОО В. При сближении импульсоз средняя мощность генерации изменялась от максимального значения до нуля И' затем возрао- . тала от нуля до максимального значения. На Рис.5 приведена зависимость средней мощности генерации от величины задержки между имп/-льсами, а на Рис.6 приведены осциллограммы дополнительного и возбуждающего импульсоз при различных задержках между импульсами.

Рис.б. зависимость средней мощности Рис.6а. Режим полной мощности генерации от величины задержки меж- генерации: дополнительный им-ду импульсами. пульс-2 помещен за основным-1

Рис.66.Максимальная аадежка между импульсами когда исчезает генерация.

Рис.бв.Минимальная задержка между импульсами когда вновь появляется генерация.

Анализ полученных результатов показал, что такой дополнительный импульо не вызывает дополнительной ионизации, а подогревает остаточную концентрацию электронов и осуществляет заселение нижнего лазерного уровня. В период между дополнительным и основным импульсами происходит оасселение нижнего лазерного уровня. Инверсная населенность в югульсе возбуждения создается за счет разности на-селенностей верхнего лазерного уровня и остаточной населенностью на нижнем уровне. Изменением задержки ыеаду импульсами осуществля-

ется изменение населенности нижнего лазерного уровня и управление энергии шпульса генерации. Управление частотой следования импульсов в данном методе может осуществляться по программе от компьютера за счет гашения соответствующих импульсов генерации. В отличие от вышеописанных методов данный метод имеет наибольшее быстродействие, поскольку позволяет управлять каждым импульсом генерации.

В пятой главе приведены структурные схемы и описана работа ЛПМ, разработанных на основе вышеописанных способов и методов..

1. ЛПМ "Милан-5-01" со стабилизацией, энергии генерации на заданном уровне (А.С.СССР N1101130, 1982Г.).

2. ЛПМ со стабилизацией средней мощности генерации на'заданном уровне (А.с.СССР N1676410, 1939г.).

3. ЛПМ "Милан-М" с независимы)! подогревом активной среды нагревателем, встроенным в ГРТ (А. с. СССР 111253397, 1984г.).

4. ЛПМ "Малахит" со 100Х глубиной управления энергетичеаазли характеристиками генерации (Заявка па изобретение N5035182, 1992г.).

Наиболее распространенной схемой возбуждения активной срэды ЛШ, является схема возбуждения с резонансной зарядкой накопительной емкости и полню,( ее разрядом на ГРТ с помощью тиратронного гаэммутатора. Как правило, для аэряда накопительной емкости используют индуктивность - 100-200 мкГн, подключенную параллельно ГРТ. На основе этой схемы были разработаны и вьшз перечисленные лазеры. В процессе проводт&к исследований и разработка ЛПМ. были выяснены некоторые особенности работы этой схемы, гаэторые необходимо учитывать как.при разработке ЛПМ, та!: и при оптимизации энергетических характеристик лазера.

Исследования проводились на ГРТ, рабочий канал которой, изготовлен из ВеО-керамичеасой трубки длиной 40 см и диаметром 10 мм. В процессе эксперимента юэнтролироваллсь токи через ГРТ и Ц, а та'ета напряжение на этих элементах, при изменении Ц в интервале 100-260 мкГн. Проведенные исследования псгкзали, что при таких значениях индуктивности, через ГРТ не протекают тога: заряда накопительной емгасти, т.е. 1г полностью пуктирует ГРТ во Бремя заряда накопительной емкости. Одна'со, во время разряда накопительной см-' 1юсти, часть энергии запасается в 11. Величина запасаемой зкерлш в 1-1 зависит от параметров активной среды, величины и условий возбуждения. Энергия, запасаема! в шщуктшзности, возрастает о

-l

увеличением давления буферного газа и уменьшением напряжения на ГРТ, что объясняется увеличением времени пробоя разрядного промежутка ГРТ. Так как Ьх много больше индуктивности ГРТ, мож-6x1о~2(Ом-м)

10

8

6

4 _

4

2-1 ----- 3

т

-г

т

~г

1—I—I-

7 8 t,MKC плазмы после импульса

1в=160гпА 1в-210шА IB-210mA I в»280mA

т—i—т—I—1—I—г 1 2 3 4 5 6 Рис.7. Зависимость изменения проводимости

возбуждения при следующих параметрах:

1.Рые-27,7кПа; Li-260mkTh; f-ЮкГц; Ub«4kB;

2.Рцв*27,7кПа; Li-260mkTh; f-ЮкГц; Ub-5kB;

3.Рые-13,2кПа; Li»260mkTh;' f-ЮкГц; Ub«4kB;

4.Рыв-13,2кПа; Li-260mkTh; f-ЮкГц; Ub=5kB; но пренебречь падением напряжения на индуктивности ГРТ и считать, что энергия, запасенная в индуктивности выделяется на активной составляющей плазмы. На Рис.7 приведены зависимости изменения проводимости плазмы после импульса возбуждения. Как видно, дополнительный энерговклад после импульса накачки приводит к росту прово-водимости плазмы после импульса возбуждения. .

В заключении кратко сформулированы основные результаты, полученные в диссертации.

Список цитированной литературы

1. Walter W.T..Sollmene N..Plltch G. Effcient pulsed gas discharge laser.// IEEE J.Quant.Electron., 1966, QE-9, pp.474-479.

2.' Исаев А.А. 1Казарян M.A. .Петраш Г.Г. Эффективный импульсный лазер на парах меди с высокой средней мощностью генерации.// Письма в ЖЭТФ, 1972. Т.16. ВЫП.1, С.40-42.

3. Петраш Г.Г. Импульсные газовые лазеры. // УФН, 1971, Т.105,

С. 645-676.

4. Бохан П.А. .Герасимов В. А. .Соломонов В.И. .Щеглов В.В. О механизме генерации лазера на парах меди.// Квантовая электроника, 1978, TJ5, С.2162-2173.

5. Бохан П.А..Герасимов В.А. Оптимизация условий возбуждения в лазере на парах меди.// Квантовая электроника, 1979, Т.6, С.451-455.

6. Kushner M.J..Werner V.E. Large-bore copper vapor laser: cene-tlcs and scaling Issus.// J.Appl.Phys., 1984, Vol.64, pp.2970-2982.

7. Солдатов A.H..Кухарев В.H. ГРТ на парах металлов.// А. с. СССР N640221, 1978.

8. Бохан П.А..Герасимов В.А. Импульсный лазер на парах химических элементов.// А.с.СССР N755136,, 1979.'

9. Солдатов А.Н..Соломонов В.И.// Газоразрядные лазеры на самосг-раниченных переходах в парах металлов. Новосибирск: "Наука", 1985, С.151.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах.

1. Воронов В.И..Солдатов А.Н..Федоров В.Ф..Юдин H.A. Исследование энергетических параметров лазера на самоограниченных переходах при изменении частоты следования.// Измерение оптика-метеорологических параметров атмосферы о использованием лазерного излучения. Томск: Изд-во ИОА СО АН СССР. 1980, С.88-91.

2. Герасимов В.А..Полунин Ю.П..Райнин П.П..Солдатов А.Н.,Юдин H.A. Импульсный малогабаритный лазер на парах меди "Милан-М". // 7 Всесоюзный симпозиум по лазерному и акустическому зондированию атмосфера (тезисы докладов). Томск:Изд-ао ИОА СО АН СССР. 1982, 4.2, С.282-284.

3. Солдатов А.Н..Юдин H.A. Способ возбуждения шпульскых лазеров на самоограниченных переходах.// А.с.СССР N1101130, 1982.

4. Воронов В.И..Юдин H.A. Импульсный лазер на парах веществ.// А.с.СССР N1253397, 1984.

5. Воронов В.И..Евтушенко Г.С..Егоров А.Л. .Елаев В.Ф. .Карманов Г.А. .Мальцев А.Н.,.Мирза С.Ю. .Суханов В.Б. .Солдатов А.Н. .Федо- 1 ров В.Ф.Филонов А.Г.,Юдин H.A. Лазер на красителях с распределенной, обратной связью и накачкой лазером на парах меди о стабилизацией выходных характеристик.// On тика атмосферы,1988,

- ЕО -

N1, С.86-91.

6. Гарагатый С.Н. .Горохов A.M..Евтушенко Г.С..Егоров А.Л..Карманов Г.А..Мальцев А.Н..Пеленков В.П..Полунин Ю.П..Федоров В.Ф., Федоров С.Е..Юдин Н.А. Лазеры на парах металлов для навигационных устройств.// Журнал прикладной спектроскопии. 1988,Т.4и, С.687. (Рукопись депонирована в ВИНИТИ, per.N4847-В88).

7. Гарагатый С.Н. .Пеленков В.П..Юдин Н.А. Лазер на парах меди о независимым подогревом "Милан-М/2Е".// Квантовая электроника. 1988. ТЛ5, С. 1974-1975.

8. Воронов.В.И..Юдин Н.А. Импульсный лазер на парах химических элементов.// А.с.СССР Ni676410, 1989.

9. Скршшиченко А,С..Солдатрв А.Н..Юдин Н.А. Способ возбуждения импульсных лазеров.// Заявка на изобретение N5035482, 1992.

10. Демкин В.П..Солдатов А.Н..Юдин Н.А. Эффективность лазера на парах меди.// Оптика атмосферы и океана. 1093, Т.16. С.659-665

11. Солдатов А.Н., Федоров В.Ф., Юдин Н.А. Эффективность лазера на парах меди с частичным раарядом накопительной емкости.// Квантовая электроника. 1994. Т.21(8), С.733-734.

12. Soldatov A.N. and Yudin N.A. Excitation Efficiency of Working . Transitions In Copper-Vapor Lasers.// Journal of Rasslan Laser

Research. New York. 199Б. Vol.16. No2, pp.128-133.

13. Skripnltenko A.S., Soldatov A.N. and Yudin N.A. Method of Two-Pulse Frequency Regulation of Copper-Vapor Laser Parameters.// Journal of Rasslan Laser Research. New York. 1995, Vol.16, No2, pp.134-137.

14. Солдатов А.Н..Суханов В.Б.,Федоров В.Ф..Юдин Н.А. Исследование лазера на парах меди с повышенным КПД.// Оптика атмосферы и океана. 1996, Т.8. С.1626-1636.

16. ЕлаевВ.Ф., Солдатов А.Н., Юдин Н.А. Исследование поведения проводимости плазмы лазера на парах меди.// Оптика атмосферы и океана. 1996, Т.9, N2, С.169-173.

Заказ 286 Тираж 100

Томск, пр. Ленина, 40. ТАСУР