Эффективные импульсно-периодические лазеры на парах меди тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

• АКАДЕМИЯ НАУК СС1Т

ФИЗИЧЕСКИ!) институт

ИЫГНН П.Н. ЛгБЕДГВА

На правах рукописи

ИСАЕВ Анатолий Александрович

УДК.621.375.378.626.826

ЭФФЕКТИВНЫЕ ИМПУЛЬСНО-ПЕРИОДИЧЕСКИЕ ЛАЗЕРЫ НА ПАРАХ ЩЦИ

(специальность 01.04.03 - радиофизика, включая квантовую

радиофизику)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени доктора физико-математических наук

МОСКВА 1989 г.

/ \

> / ■' ' }

Работа выполнена в лаборатории Оптики Оптического отдела ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции Физического института им.П.Н.Лебедева АН СССР

Официальные оппоненты: член корреспондент АН СССР

профессор Галанин М.Д.

доктор-физико-математических

наук, профессор Сэм М.Ф.

доктор технических наук Бужинский О.И.

Ведущая организация: указана в решении Учёного совета

Защита состоится "$0" /¿¿>с£с^_19а9 г., в час. в конференц-зале Физического института им.Г1.Н.Лебедева АН СССР на заседании специализированного совета Д 002.39.02 при физическом институте им.П.Н.Лебедева АН СССР

«дрес: П7924 Москва, Ленинский проспект, дом 53

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФИАН

Учёный серктарь Специализированного Совета Д 002.39.02

доктор физико-математических

наук, профессор Шотов А.П.

Автореферат разослан

года.

: ;; , Общая характеристика работы

Диссертационная работа посвящена исследованию, создании а развитию эффективных импульсно-периодических лазеров lía парах меди, излучающих в водимой области спектра. В качество работах, на которых осуществляется генерация, высланы пераходн с парик резонансных на метастабкльныа уроши эноргпи в атоме.Этот гнбор обусловлен возможностью получения генерации с еыоокегл прздол кнм квантовым КГЩ, так как используются переходы на 'относитзль-но 1шзко расположенный метастабялъный уровень. Практический 1ЩЦ и мощность генерации также могут бить балььлга, так ка- значительная часть энергии, вводимой в плазму разряда, мспэт бшъ "перехрачэна" глзонанснши уровнем.

Импульсные лазер на парах меди является тигтачнш продста-вителем этого класса лазеров и он в настоящее время получил большое распространенно для решения многпх научяюс :i прикладных задач. В диссертации на примере этого лазера рассмотрсп старониЯ круг вопросов, связанных с та пуль сними лазерами на парах металлов, и касащихся исследований характеристик генерации и условий возбуэдения, физических механизмов и процессов в шгазмо разряда, определяющих параметры генерац: Решается такао вопрос о доведении расходимости генерируемого излучения до. дифракционного предела. Создана новая э к с па ;:гм витальная техника для фнзп-чвск'.тх исследований, на базе которой впервые в мирово." практике выпущены промышленные лазеры на парах меди.

Актуальность пройль;.;ы

Эффокт^ваость лучших непрерывных газоразрядных лазеров в видимой области спектра не превышает 0,1%. Эю ограничивает перспективы многих их применений. Для решения рдгга задач необходимы импульсные лазеры с высокой частотой повторения импульсов и большими срслнтаи и пиковыми к. гостями. Импульсная гена-рация на пороходчх с зоначсного на метастабадъный уровень в ? томах металлов ( капрдоор ия атомах меди, бария, таллия, свинга и т.д.!1, полученная г* 1965-66 г.г., обещала эффективность

большую, чач у непрерывных лазеров, но практической реализации таких лазеров осуществлено но било.

Поэтому на этапа создания и разработки лазеров на парах металлов актуальными являются задачи по изучению характеристик генерации эффективных лазеров в зависимости от условий возбуждения; по выяснению возможностей повышения параметров лазеров; по поиску путей оптимизации этих лазоров. Актуальна таете разработка и создание новой экспериментальной техники на основе идей, существенно упрощающих работу с высокотемпературными газоразрядными трубками(ГРТ) лазеров на парах металлов. Такой, в частности, была предложенная нагл: вдея саморазогрева ГРТ в качество способа достккопия высоких рабочих температур активных элементов лазоров.

Импульсные лазоры на парах металлов обладают очень большим усилониом (400-600 дБ/м) и достаточно коротка временем существования инверсной населённости (Ю-9 - Ю-7 с), что является причиной генерирования выходных пучков с неудовлетворительной для многих задач расходимостью излучения при использовании обычных устойчивых резонаторов. Поэтому улучшение расходимости излучения этих лазеров и доведение ее до дифракционного предела является актуальной задачей для всего класса лазоров с высоким усилением и коротки! временам существования инверсии.

Б настоящее врамя эти лазеры нашли широкое применение в тс (а областях науки и техники как: лазерное разделение изотопов, системы с усилителями яркости изображений, перестраиваемые лазеры на красителях, сверхскоростная ^отогра^ия, возбуждение спектров комбинационного рассеяния свата, биология л медицина, технология изготовлония изделий микроэлектроники, зондирование атмосферы и многие другие. Хотя эти лазеры имеют практический КДЦ генерации около 1%, потребность в ещё более эффок'тивтвс лазерах остаётся.Для их создания необходимо установить Физические причины ограничения характеристик генерации. Экспериментальное и теоретическое изучение физических процессов в активных средах лазеров на парах металлов проводится во многих организациях как у нас в стране, так и за рубежом. Большое внимание уделяется численному моделированию активных сред лазоров. Но отсутствие точных количественных данных с характеристиках элемолтарных про-

цессов и параметрах плазмы в активных средах лазеров делают модельные расчёты сложными, а их результата часто неадекватно отражают экспериментальные зависимости характеристик генерации. В связи с этим весьма актуальна разработка методик диагностики плазмы, в частности, изучение пространственно-вромонной кинетики возбуждения и релаксации атомных состояний модп, населён, ста которых определяют характеристики генерация.

Цель работы:

1. Исследование характеристик гонэрацип лазера на парал меди, установлений га связи с условиями возбуждения и поиск на этой основе режимов работы импульсно-перис^нческих лазерот? на парах меди с высокими практической эффективностью и средней мощностью генерации.

2. Комплексное изучение пространственно-временной кинотики населённостеЯ основного, мотастабилщыг, резонанс!шх и некоторых высоковозбуждённых состояний атома меди как в импульсо возбуждения, так и в нежимпульсном интервале времени. На основе этих данных и их связи с характеристиками генерации и условиями возбуждения провести анализ физических механизмов я процессов, ответственных за параметры генерации.

3. Исследование возможности реализации дифракционного предела расходимости генерируемого излучения от лазеров с коротки* временем существования инверсии, но с внсоктзи значениями усиления. Изучение энергетических, яркостных, временных и спектральных характеристик лазера на парах меди с неустойчивым резонатором .

4. Разработка физических основ и создание новой экспериментальной техники для физического эксперимента с эффективными импульсно-периодическими лазерами на парах металлов, требущих рабочую температуру разрядных камер, превншащую 1400°С. Для этого исследовать так называемый саморазогравной режим работы разрядных трубок, который исключает присутствие высокотемпературного нагревательного элемента, и за счет этого существенно упрощается конструкция лазера и повышается практическая эффективность генерации.

Научная новизна и практическая ценность диссертации заключается в том, что:

1. Впервые экспериментально осущестатён импульсно-периоди-ческий ражим работы лазеров на парах меди с высокими частотами следования импульсов (до 20 кГц), что позволяет сдолать швод ой объёмном характера релаксации населённости мотастабильного уровня атома меди. Показана возможность достижения частот следования свыше 100 кГц.

2. Проведены перше комплексные исследования свойств и характеристик импульсно-периодкческих сачоразогревннх лазоров на парах меди. Впервые экспериментально обоснованы большие перспектива этих лазеров, в частности получены: средняя мощность генерации. свыше 40 Вт, при практическом КПД 156 и частотах следования импульсов до 20 кГц. Показана возможность достижения существенно больших средних мощностей генерации.

3. Впервые получены комплексные экспериментальные данные по пространственно-временной кинетике населённостой основного, иетастабильных, резонансных и некоторых высоковозбуждённых состояний атома меди. Исследования проведены во время импульса возбуждения и в межимпульсном интервале времени при повышения плотности рабочих атомов меди, повышении мощности возбуждения и в режиме сдвоенных импульсов.

4. Впервые дан анализ переходного процесса установления генерации с дифракционной направленностью пучка излучения в неустойчивом резонаторе. Анализ сделан на основе подсчёта времени, необходимого для ввделения из спонтанного излучения дифракционно направленного пучка с помощью неустойчивого резонатора.

5. Впервые экспериментально изучался неустойчивый резонатор с коэффициентом увеличения вплоть до М = 370. Экспериментально обосновано, что для лазеров с коротким временем существования инверсии для достижения дифракционного продала расходимости генерируемого излучения, необходимо использовать резонаторы с величинами М = 100 + 300.

6. Впервые создала новая экспериментальная техника на принципах саморазогрева разрядных трубок, существенно опростившая конструкцию и повысившая практический КГЩ лазеров на парах металлов. Разработаны источники питания этих лазеров на основе

импульсных водородных тиратронов в качестве коммутируацих вле-ментов. Эти газоразрядные трубки и источники питания были использованы в дальнейшем для создания промышленных лазеров, вылущенных впервые в мировой практике.

На защиту выносится:

1. В активной среде лазера на парах меди релаксация насо-лёшости нижнего рабочего метастабильного уровня происходит в объёме газоразрядной камеры, а не на её стенках, что позволяэт осуществлять эффективную генерацию видимого излучения с высокой частотой следования импульсов.

2. Феноменологическое описание характеристик генерации са-моразогревних лазеров на парах меди в зависимости от условий возбуждения в импульсно-периодическом режиме. Первое экспериментальное осуществление работы саморазогревдых лазеров на парах меди с практической эффективностью 1%; со оредней мощностью генерации 43,5 Вт; с частотой следования импульсов 2-20 кГц; удельными средней 0,4 Вт/см^, пиковой 7,5 кВт/см^ мощностями; удельной энергией генерации 3? мкДд/см? Предельная частота следования импульсов генерации для этого лазера.может превышать 100 кГц.

3. Результаты экспериментальных исследований пространственно-временной кинетики населённостей основного, матастабилышх и резонансных состояний атома меди, позволивших установить, что:

- основными факторами, определяющими степень возбуждения атомов меди, являются длительность импульсов возбуждения и плотность электронов в плазме разряда

- высокая эффективность заселения резонансных уровней (до 50%) осуществляется только в самом начале импульса возбуждения до тех пор, пока населённость этих уровней не достигнет квазистационарных значений, после чего эффективность падает, что и приводит к относительно низким значениям практического КВД генерации.

- с увеличением плотности атомов меди в плазме разряда эффек -тивность заселения резонансных уровней возрастает, но при этом преднмпульсная населённость и подзасолениа в импульсе возбуждения нижних рабочих метастабильных уровней возрастает в большей

степени, чем населённость резонансных уровней, что и приводит к тому, что инверсия не образуется и генерация отсутствует

- к концу импульса возбуждения достигается перазаселение мета-стабильных состояний, которое снимается в виде быстрого экспоненциального распада их населённости в столкновениях с электронами

- основнш фактором, ограничивающим предельную частоту следования импульсов, является предымпульсная населённость метаста-бильных состояний, величина которой увеличивается при сокращении времени между импульсами возбуждения.

4. Для формирования пучков с предельной дифракционной направленностью излучения от лазеров с коротким временем существования инверсии необходимо использовать неустойчивые резонаторы с такши значениями коэффициента увеличения М, которые позволяют ввделить дифракционный пучок за время,сравнимое с временем

. существования инверсии. Причём, для достижения максимальной мощности дифракционного пучка надо так подобрать условия возбуждения н геометрические размеры активной среды, чтобы время её насыщения было сравнимо с временем формирования дифракционного пучка.

5. Результаты экспериментального исследования лазера на парах меди с неустойчивыми резонаторами при М = 6-370, позволившие получить дифракционную направленность генерируемого излучения без существенного снижения мощности генерации по сравнению с мощностью с плоским резонатором.

6. Создание новой экспериментальной техники для изучения ащульсно-периодических лазеров на трах металлов, работающих на принципах саморазогрева газоразрядных трубок при температурах, превышающих 1400°С, применение которой существенно упрощает конструкции и повышает практический КПД лазеров.

Совокупность этих положений и научных результатов закладывает. основы нового перспективного направления в квантовой электронике: "Эффективные импульсно-периодичэские лазеры на парах металлов", ааключащегося в изучении и поиске новых активных сред для лазеров и в получении на этой основе информации в области физики лазеров и физики наносекуццного газового разряда с большими средними мощностями и частотами следования импульсов,

а также позволяет развивать ряд новых применений лазеров в науке и технике.

Апробапия работы.

Основные результаты диссертации опубликованы в 39 работах и докладывались на Международной конференции по квантовой электронике (США, 1973 г.), на II Всесоюзном симпозиуме по физике газовых лазеров (Новосибирск, 1975 г.), Всесоюзной конференции "Лазеры на основе сложных органических соединений" (Минск,1975 г.), на УН Всесоюзной и XIII Международной конференциях по когерентной и нелинейной оптике (Тбилиси,1976 г.,Минск,1988 г.), ка I Всесоюзной конференции "Оптика лазеров"(Ленинград,1977 г.), на Международной конференции "Лазеры и их применения" (Лейпциг, 1982 г.), на Всесоюзных семинарах "Лазеры на парах металлов и их применения" (Ростов на Дону, 1978 г.,1980 г.,1981 г.,1982 г., 1985 г.), на Всесоюзном совещании "Инверсная заселённость и генерация на переходах в атомах и молекулах" (Томск, 1986 г.), на Всесоюзном семинаре "Физика быстропротекапцих процессов" (Гродно, 1986 г.), на УН Всесоюзной конференции по физике низкотемпературной плазмы (Ташкент, 1987 г.), на С Всесоюзном семинаре "Динамика элементарных процессов атомно-молекулярных" (Черноголовка, 1987 г.), на I рабочем совещании "Активные среда плазменных и газоразрядных лазеров" (Гродно, 1987 г.), на IX н 1 рабочих совещаниях по лазерной технике (Таллинн, 1986 г.,1987 г.), на Международной конференции по квантовой электроника (ФРГ, Ганновер, 1988 г.).

Автору диссертации в составе авторского коллектива присуждена Государственная премия СССР за 1980 г. за "Разработку физических принципов, создание и исследование импульсных лазеров на парах металлов и на их основе оптических систем о усилителями яркости".

Объём и структура работа. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы из 314 наименований. Общий объём работы 339 стр, в том числе 80 рисунков, 14 таблиц.

Содержание работы.

Во введении обосновано направление исследований, показана его актуальность, сформулированы основные задачи диссертацион-

н'Ч работы. Кратко описаны научная новизна и практическая ценность полученных результатов. Дан краткий обзор состояния разлития лазеров на парах металлов на момент начала работ по теме диссертации. Излоаены содержание и защищаемые положения диссертации, сформулировано новое перспективное направление в квантовой электроника, представленное в диссертации.

Порвал глава диссертации посвящена феноменологическому описанив впервые созданных эффективных импульсно-периодических лазеров на парах ыодн, работай;; их в режиме саморазогрева газоразрядных трубок. На примере этих лазеров дана общая характеристика саморазогреваого ракша работы, в котором разогрев разрядных трубок до высоких температур происходил за счёт энергии плтулъсно-пориодпчаского разряда, возбуждающего генерацию.

Кратко описаны: устройство лазеров; схема возбуадения разряда; методика проведения исследований. Установлен температурный диапазон генерации для линий 510,6 нм и 578,2 им, который на превышает 1650°С для зелёной и 1700°С для жёлтой линий. Проведены' исследования зависимости суммарной средней мощности генерации (Рг) от сродней мощности, отбираемой от высоковольтного выпрямителя системы питания ( * ). Установлены ограничения на величину Я , вше которой средняя мощность генерации уменьшается. Из осциллограмм импульсов тока и напряжения вычислялись: падение напряжения на активном сопротивлении плазмы разряда, имлульо олактрпческой мощности возбуждения, изменение сопротивления плазмы разряда во враия импульса возбуждения. Изучено поведение электрических характеристик импульсов возбуждения при изменении ёмкости рабочего конденсатора С0 и воличшш к . Цро-водено сопоставление изпеноний характеристик генерации с изменениями электрических характеристик импульсов возбуждения. Показано, что согласование длительности возбуждения с длительностью существования инверсии приводит к уЕЗличению эффективности генерации. Изучено кзмонениа длительности и формы типульсов генерации, а талие пиковой мощности генерации в зависимости от геометрических размеров ГРТ лазеров, от температуры стенок ГРГ (плотности меди), от мощности возбуждения. Минимальная длительность импульсов генерации составила 5 не. Исследована зависимость средней мощности генерации от давления буферного газа.

Приводона сводка характеристик генерации саморазогрэвннх кмпульсно-периодических лазеров на парах меди, изученных в работе. Получены максимальные величины: средняя мощность генерации 43,5 Вт, практический КПД - 1%, частота слодоадния шпуль-сов - 20 кГц, удельная средняя мощность генерации - 0,4 Вт/см^, удельная пиковая мощность - 7,5 кВт/см^.

Изучено влияние частоты следования импульсов возбуждения на характеристики генерации (сроднюга мощность и КВД) в двух режимах работы: с постоянной мощностью w и постоянной энергией в импульсе возбуждения. Диапазон изменения частоты следования импульсов 3-20 кГц. Найдено, что при определенной средней мощности, введённой в гиазму разряда, средняя мощность генерации и КВД не зависят от частоты следования импульсов.

Для выяснения перспектив повышения частоты следования га-пульсов исследованы характеристики генерации в рахиме сдвоенных импульсов возбуждения. Изучена зависимость пиковой мощности генерации во втором импульсе от времени задержки между первым и вторым импульсами возбуждения для трёх буферных газов: неона, аргона, ксенона. Показало, что предельная частота следования шпуль сов генерации может превышать в определённых условиях 100 кГц. Сделан вывод об объёмном характера механизмов релаксации матастабшгьных состояний атома меди, которые являются нижними для генерационных переходов.

KpavKO описаны экспериментальные результаты по исследования временной эволюции спектральных контуров линий генерации в шпульсе излучения в режимах свэрхсв8тимости ( в отсутствие зеркал резонатора или с одним зеркалом) и генерации. Эти контуры сравнены с контурами спонтанного излучения. Найдено,что конуур" линий сверхсватимости сначала сужаются, а затем расширяются. Контуры линий генерации расширяются с самого начала п,!пульса излучения. Обсуждён вопрос формирования спектральных контуров генерации из спектральных конууров спонтанного излучения зз зависимости от степени насыщения активной среды. Оценено иамзна-нка величины ненасыщенного усиления в течение шпуль са иачучо-нпя, максимальная воличика которого на превышает 15.

Обсуждён вопрос о возможности получения больших срядншс мощностей генерации с лазера;,ш на парах металлов с точки зрения ограничения генерации тепловым перегревом актиачой среди лазера.

Рассмотрен тепловой pesiat цилиндрической трубки с равномерным распределением внутренних источников теша. Рассчитаны профили теуазратупи .газа по сечению ГРТ в предположении, что на нагрев газа идёт половика мощности, введённой |) плазму лазера. Бводени понятна предельной температуры к предельной мощности возбувдо-ния. Предельная мощность возбуждения оценивалась при выполнении условия: .средняя по сечашш температура газа равна предельной температуре. Проведён расчёт предельных мощностей возбувде-НШ1 дал лазеров ¡a парах ыэди, бария, свища ц некоторых, других о буЗарнши газами нооноы и г ал к av.. Показало, что предо-тьныз мощности Ейьися-г or сорта буферного газа и от энергии нижнего рабочего урошя.

Провздон анализ тепяоотЕода от внутренней и ачешней стенок ГРТ лазера, показано, что продольные мощности возбуждения мояно сводить в ГРТ разумных размеров без пэрогрзва её стенок.Обоснована возможность получопия срэднзй ыощносги гзнэрации с лазэрсм на парах надо при ШЩ 1% до 140 Вт/и с буферным газам неолоы и до 540'Бт/м с гелием.

Кратко описаны вкспершентальные результаты по изучению споктров спонтанного излучения плазмы активной среди лазера на •парах меди с шсокиа временнвд разрешением как вдоль, так к поперёк оси ГРТ. Обкаруаано, что уширонне спектральных линик, кз-лучаамих олазмой, происходит, гдавцш образом, за счот эффектов самопоглодания. Обоснована цетодика измерений усреднённой таы-пэратурц rasa по измерениям догиоровского уширенил некоторых линий каона. Изучена зависимость средней температуры газа ог поплюет возбуждения, которая не превышала 2,5 кК при погонной мощности 3,6 кВт/и.

В конце главы сформулированы результаты и выводы.

Втосад глащ посьящена комплексна исследованием простраы-. отвандо-времонноА кшгашки касалённостай основного, резонансных;, ывтаотабкльных и некоторых высоковозбуадзнных уровней атома меди как в пуль со возбувдония, так к в некимпульсном интервале времени. Исследования проведены для типичного промышленного лазера тала УЛ-101, давление буферного газа неона з ГРТ около 300 рт.ст.

Изложена матодша измерший шселёшюстой атемных состояний по измерзшим характапиотика;« поглощения зоидиру^сго «злу-

чания. В качества зондирующего использовалось излученна от дополнительного импульсного лазера на парах меди и от перестраиваемого лазера на красителях, который накачивался эксшвршм ХеС1 лазером. Использование перестраиваемого лазера на красителях позволяло проводить измерения поглощения в.крияьях спектральных линий, что существенно расширяло динамический диапазон измеряемых населённостей.

Кратко описаны эксперименталыше установки и методика по-рехода от изморенных характеристик поглощения к абсолютный иа-соланностям атомных урошей. Излсяел процесс калибровки поглощения для измерения концентрации атс.мов меди в основной! и мота-стабильных состояниях. Для резонансных и гысоковоэбугдешцк уровней иеди калибровочные гависилости рассчитывались.

Проведено исследование обзорных спектров поглощения активной средой лазера на парах моди в спектральных областях 500-5-10 км, 440-480 нм, 310-340 нм с Бременим разрзиенисм - 5 не, пространственным - 3 мм, спектральный - 0,6-1,0 Выбраны спектральные линии, по характеристикам поглощения которое проездило съ изучение кинетики насалзнностей атом.'мс состояний.

Изучена кинетика населённости основного состояния атома моди на оси разряда при постоянной мощности возбуждения V? «2,0 кВт б диапазона температур стенок ГРТ 1350-1650°С. Измерены: скорости опустоаения основного состояния в импульсе возбуздвИЕЯ (до 1,1-Ю^ см^.с-"1) и скорости возврата атомов з основное состояние поело импульса возбуждения (максимальная скорость составила 2-10^ с-"'"); врача релаксации населённости основного состояния к прадымпульсному значении (25-35 икс); радиальные по сочонее ГРТ распределения плотностзй атомов меда в основной состоянии в предымпульсныо моменты времени ( (й) ) а в мсывн-ты времени, соответствующие макешальному опустошению основного состояния (примерно через 200 не после начата возбуздэнля) й"ла. Эти радиальные профили шали глубокий минимум на оси разряда.Радиальные профили разности этих распределений были претеряо равномерными по сечению ГРТ.

На осноеэ экспериментальных дакных получены завЕСЕЮст*; от температуры стенок ГРТ (Тст) абсолютного ( АН*.) ц сиюси-гспио-го ( лп*/ ) опустошения (степени Еозбувденкя) осиогяоуа состояния меди за шпуль с возбувдзния; абсоястной ( ) в

относительной (AHpi/ Hw ) величины плазменного дефицита (дополнительного к твплоЕсыу) концентрации атомов меди на оси разряда. Бри Tcr=I570-I590°C (оптимальной для средней мощности генерации) Het(0)»(I,2tI.4)-I015 ал-3; ЛН*(0)-(7*9).Ю14 см"3; АН р1(0) —4.10 см . Анализируется функциональная зависи -uocra ûHpl от условий возбуждения: давления буферного газа (р ), диаметра ГРТ (е ), плотности ионов в юл пуль с о возбуждения ( и+), частота следования импульсов ( f ). Показано, что имеет

ыакошум при р-а =»100 мм рт.ст.-см, когда происходит смена механизмов охлаждения электронов с диффузионного на столкно витальный.

Обсуздйн míese вопрос о парораспределении энергозатрат с буферного газа на атомы ыади, которое происходит по море увеличения плотности мэди в активной ерэде, при этой существенно увеличивается относительная стопень возбуждения атомов меди. Сделан шбод, что основными факторами, определяющими степень воз-.буЕдания, являэтея длительность импульса возбуждения и плотность электронов в плазма.

Такие при постоянной мощности возбуждения, но при разных Tqt экспериментально изучена кинетика населённостей резонансных, мэтастабшьных, шеоковозбувдёняых из электронной конфигурации 3 d94 с4р уровней и кинетика инверсной населённости. Исследованы радиальные распределения населённостей этих уровней. Обнаружена трансформация радиальных профилей населённостей резонансных: и высокоЕозбувдёншх уровней по мере увеличения плотности мзда из профиля с минимумом на оси разряда в профиль с максимумом на осп. Для метастабилькых состояний радиальный профиль населённостей имел в шпуль со возбуждения минимум на оси; в послесвечении этот профиль трансформировался в профиль с максимумом на оси. Из этих дашшх получанн зависимости от Т„„ для населён-ностей резонансных ( иг ) и матастабильных ( ни ) уровней на осп разряда в моменты времени, когда усиление ка переходе 510,6 нм ы ак с ж аяъ н о (tf3 5 не после начала возбуждения), когда нги Нд максимальны, и для предымпульскых значений . Ток при Т = 1570-1590°С Ег( *-, ) *(2,5t4)-I013 см"3, í», ( t, ) » (I«3)-I013 сы-3, fif^(3i6)-I013 ou-3, см-3, «(0,8*

?)'I0 cr,¡ ■ . Оценена такие степень ионизации и плотность ионов ыади в концэ ем пульса возбуждения. Максимальная ионизация меди

достигается на оси разряда (до 40$), в периферийных областях она существенно меньше. Измерены времена релаксации нотастабильиых состояний. Обнаружен быстрый распад Мт с с и медленный

с Т^Ю-4 с.

Кинетика населённости атомных уровней сопоставлена о временным поведением электрического шпуль с а мощности возбуждения. Различия в кинетика объяснены с точки зрения различия во временах релаксации для разных атомных состояний. Рассмотрен вопрос о ива-зистационарности населённостой резонансных и других шеоковозбу-здёшшх уровней по отношению к пм пуль су мощности -возбуждения. Проведены оценки температуры электронов (Т0) в зависимости: от Тст для оси разряда в моменты времени максимума ил пульса возбуа-дения (Тд падает с 7 эВ до 3 эВ прл увеличении Тс1, от 1400°С до 1650°С); от времени в импульсе возбуждения; от радиуса по сечению ГРТ (имеется слабый максимум на оси).. Трансформация радиальных профилей населённостей резонансных состояний объясняется падением Т0 с ростом Тст, а трансформация профилей метастабильных состояний - подогревом электронов в поело свечении разряда. Быстрый экспоненциальный распад метастабильных состояний сразу посла импульса возбуждения объясняется снятием перезаселения метастабильных состояний в столкновениях с электронами. Оценены константы скоростей возбуждения ( (0,8-1,6)40 с?.!3*с-1) и де-возбуждения ( (1,4-2,5)-Ю-9 ш^-с-*) нотаотабчльных уровней электронами при Тд около 0,5 эВ.

Проведено сравнение кинетики энерговвода в плазму активной среды с кинетикой энергозатрат на создание населённостай рззо -нансных и метастабильных уровней. Найдено, что высокая эффективность заселения резонансных уровней осуществляется только в начале импульса возбуждения, пока их населённость не достигнет квазистационарных значений. В дальнейшем эффективность заседания этих уровней существенно падает, что и является причиной относительно низкой практической эффективности генерации, Пра увеличении плотности меди в разряде энергозатраты на создание населённости резонансных а метастабильных уровней возрастают,ко населённость метастабильных уровней возрастает в большей отзпе-ни, чем населённость резонансных уровней, га счёт увеличения предымпульсной населенности и подзасаления в импульсе возбуадо-ния, что и определяет температурный диапазон генерации.

-16 -

Изучена кинетика населённостей резонансных и метастабиль-1гых уровней при фиксированных Тст, но при различных мощностях возбуждения. Обнаружено увеличение скорости роста нг на фронте импульса возбуждения и насыщение роста и^11 при увеличении мощности в . Кинетика »г я ^ сопоставлена с изменением мощности генерации, которая имеет также тенденцию к насыщению при увеличении в. . Насыщение роста связывается со слабой

зависшостью квазистационарных значений нг от Т0. На основе экспериментальных данных обсуждены пути оптимизации саморазогре-вншс лазеров на дарах меди.

Исследована кинетика населённостей верхнего и нижнего для генерационного перехода 510,6 нм уровней в режиме сдвоенных ид-пульсов возбувдения. Прямыми намерениями показано, что увеличение предымпульсной плотности метастабильных состояний играет основную роль в ограничении характеристик генерации при сближении шпуль сов возбуждения.

В конца глава приведены результаты и выводы.

В' третьей глдвэ излагаются результаты исследований импульсного лазера на парах меди с неустойчивым резонатором (НР) с коэффициентом увеличения М = 6-370.

Рассмотрен переходной режим установления генерации с ди£>-ракционной направленностью в НР для лазеров с длительностью инверсии соизмеримой с временем развития импульса генерации. Анализ сделан на основа подсчёта времени формирования пучка с дифракционной направленностью, который на стадии своего формирования оовершает наибольшее число проходов в резонаторе не испытывая;, потерь. Обсуадена роль спонтанной "затравки" излучения, испущенной внутрь резонатора в сжимаицийся пучок. Рассмотрено влияние насыщения активной среды на расходимость генерируемого излучения от лазеров о НР. Обосновывается применение НР с большим значением 14 дая достижения дифракционного предела направленности излучения от лазеров с короткой длительностью инверсии и с высоким усилением.

Описана методика проведения исследований, условия экспериментов и параметры резонаторов. Приведена картина распределения интенсивности' пучка излучения от лазера на парах меди о НР в ближней и дальней зонах. Изучены угловые, энергетические и яр-костные характеристики импульсного лазера на парах меди с НР

телескопического типа в зависимости от увеличения М и мощности возбуждения. Получено, что средняя мощность пучка с дифракционной направленностью составляет 0,65-0,5 от мощности пучка с плоским резонатором. Достигнута пиковая яркость 4-10"^ Вт-см^/отер. Проведено обсуждение экспериментальных результатов с точки.зрения анализа переходного процесса установления генерации.

Изучены временные характеристики импульсов генерации лазера на парах меди с НР при разных М и мощностях возбуждения, которые сравнены с временным поведением импульсов генерации от лазера с плоским резонатором. Обнаружена характерная хаотическая временная пичковая структура импульса генерации с НР.

Исследованы неталескопические НР. Проверялась зависимость положения точки фокусировки выходного пучка НР от смещения зеркал из конфокального положения. Показано, что активная среда лазера на вносит заметных искажений в распространение пучков света в резонаторе. Экспериментально изучена зависимость временной задержки в появлении дифракционного пучка на выходе НР от параметров резонатора.

Проведено изучение спектральных контуров (усреднённых за много импульсов и с временным разрешением) линий генерации лазера на парах меди с НР. Результаты сравниваются с поведением спектральных контуров генерации с плоским резонатором. Обсуждена природа фяуктуаций в спектре генерации, связанная с шумами спонтанной "затравки" излучения.

Приведены основные результаты и выводы главы.

Четвёртая глава посвящена разработке физических основ и созданию новой экспериментальной техники для эффективных импуль-сно-периодических лазеров на парах металлов. Основой для этого служил принцип саморазогрева ГРТ лазеров, т.е. нагрев ГРТ до рабочих температур (свыше 1400°С) за счёт энергии импульсно-пе-риодического разряда, возбуждающего генерацию.

На примере типичного лазера с шешним подогревом рассмотрены недостатки и трудности создания высокотемпературных ГРТ с вношними или внутренними нагревателями, а также факторы, ограничивайте их срок службы. Описана базовая конструкция продольных ГРТ лазеров на парах металлов на основе саморазогрева, окна и электроды которой находятся в холодной зоне. Эта ГРТ была использована в экспериментальных исследованиях, представленных

ь ласгоящей диссертации. Обсуждены преимущества внутренней теплоизоляции таких лазеров. Отмечено, что способность работы лазеров на переходах с резонансного на метастабилышй уровень с высокой частотой следования импульсов возбуждения - основной фактор, позволивший создать эффективные кмпульсно-нериодические лазеры на парах металлов.

Описаны предварительные эксперименты по выяснению срока службы разработанных лазеров, который определяется диффузией атомов меди из горячей активной зоны в холодные части ГРТ.

Проведён анализ работы схемы питания саморазогревлнх лаза-ров с разрядом накопительной ёмкости через коммутирующий тиратрон. Описана электрическая схема источника питания, рассмотрены процессы зарядки рабочего конденсатора и его разрядка на газоразрядную трубку, обсуждены специфичность ГРТ, как нагрузки, и тиратрона, как коммутатора, в схеме возбуждения и.шульено-пери-одических лазеров. Рассмотрена роль тиратрона как коммутирующего элемента импульсного разряда в ограничении частоты следования импульсов и величины средней мощности возбуждения. Экспериментально изучались факторы, определяющие энерговвод в алазму разряда. Описана схема возбуждения со средней мощностью до 5 кВт и частотой следования импульсов до 20 кГц на основе трёх параллельно включённых тиратронов ТГИ 1-1000/25.

Обсуждены некоторые другие варианты саморазогровных ГРТ на парах металлов и системы их питания.

Приведены результаты и выводы к главе.

В'заключении сформулированы основные результаты работы.

1. Впервые созданы эффективные импульсно-периодические лазеры видимого диапазона на переходах с резонансного на метаста-бильный уровень в атомах металлов в саморазогревном режиме работы. Изучены характеристики генерации в зависшости от условий возбуждения. Установлены основные свойства саморазогревного режима .работы лазеров. Показана возможность получения больших средних мощностей генерации с этими лазерами.

2. Выполнен комплекс экспериментальных исследований прост-ранственно-Еременной кинетики населённостей атомных уровней меди (основного, резонансных, метастабильных) в плазме импульсно-периодического лазора на парах меди как в импульсе возбуждения,

так и в межкмпульсном интервале времени. На основа анализа этих данных изучены физические механизмы и процессы в плазме разряда, определяет™ характеристики генерации, а такяе оценены параметры плазмы разряда. Установлены основные закономерности изменения насалённостей рабочих уровней при повшеник плотности атомов меди, мощности возбуждения и частоты следования и,?пульсов.

3. Проводин комплекс эксперимвитальных работ по изучении характеристик генерации лазера на парах меди с неустойчивым резонатором с .'.1=6-370. Впервые достигнута дифракционная ranpai -лонность генерируемого излучения с мощностью, составляющей около 50-60;» от мощности с плоским резонатором. Выяснены оснояныо закономерности ¡¡> формировании пучков с дифр^сционной на^авлон-ностью в системах с длительностью инверсии 10-100 не.

4. Разработана новая экспериментальная техника для высокотемпературных газоразрядных камер, на основе которой выпускаются промышленные лазеры на парах металлов.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Исаев A.A., Казарян !Л.А., Петрам Г.Г. Эффективный импульсный лазер на парах моди с высокой средней мощностью,- ЖЭТФ, письма, 1972, т. 16, с.40-42.

2. Petrash G.G., Xsaev A.A., Kazaryan Ь'.А. Fulsed metal тарог lesera.- TES¿ J.Cuant.Electr., 1973, v.QE-9, p.644.

3. Исаев A.A., Казарян „I.A., Петраш Г.Г. Импульсный лазер с частотой повторения 10 кГц на парах меди.- Оптика и спектроскопия, 1973, т.35, с. 528-530.

4. Исаов A.A., Хазарян А., Петраш Г.Г. Импульсные газовые лазеры на парах труднолетучих веществ.-ПТЭ, 1973, Ж,с. 188-189.

5. Исаев A.A., Казарян М.А., Петраш Г.Г. О возможности получения больших средних мощностей генерации в видимой области спектра.- сб. Квантовая электроника, род. Н.Г.Басов, 1973, £6(18), с. II2-II5.

6. Исаов A.A., Хазарян М.А., Петраш Г.Г. О параметрах генерации достижимых с лазером на парах меди.-Краткие сообщения по физике,. СИАН, 1973, :¿2. с.27-29.

7. Земсков К.И., Исаев A.A., Казарян М.А., Петраш Г-.Г., Раутиан С.Г. Применение неустойчивых резонаторов для получения диф-

ракционной расходимости излучения импульсных газовых лазеров с больший усилением.- Квантовая электроника, 1У74,т.1,с.863-860.

8. Исаев A.A., Казарян М.А., Петраш Г.Г., Раутиан С.Г. Сжимающиеся пучки в телескопических резонаторах.- Квантовая электрокика, 1974, т.1, с.1379-1383.

9. Исаев A.A., Казарян М.А., Маркова C.B., Петраш Г.Г., Черезов В.П. Импульсные газоразрядные лазеры на парах металлов. Тезисы доклада на II Всесоюзном симпозиуме по физике газовых лазеров.- Новосибирск, 1975 г., с.142.

10. Зеысков К.И., Исаев A.A., Казарян М.А., Петрам Г.Г., Раутиан С.Г., Шалагин A.M. Получение дифракционной расходимости с импульсными лазерами, обладающими малым временем существования инверсии. Тезисы 2-го Всесоюзного симпозиума по физике газовых лазеров,- Новосибирск, 1975 г., с.141.

II., Исаев A.A., Казарян М.А., Петраш Г.Г., Раутиан С.Г., Шалагин A.M. Эволюция гауссовых пучков и импульсная генерация в лазерах с неустойчивыми резонаторами.- Квантовая электроника, 1975, т.2, Кб, C.II25-II37.

12. Исаев A.A., Казарян М.А., Петраш Г.Г., Раутиан С.Г., Шалагин A.M. Процессы "формирования выходного пучка в импульсных лазерах с неустойчивым резонатором. Тезисы УН Всесоюзной кон-^эренции по когерентной и нелинейной оптике.- Тбилиси, 1976, т.2, с.21.

13. Исаев A.A., Леммерман Г.Ю., Казарян М.А., Маркова C.B., Петраш Г.Г., Черезов В.М. Импульсные лазеры на парах металлов. Тезисы УП Всесоюзной конференции по когерентной и нелинейной оптике.- Тбилиси, 1976, т.2, с.19.

14. Исаев A.A., Леммерман Г.Ю. Исследование импульсного лазера на парах меди при повышенных мощностях.- Квантовая электроника, 1977, т.4, с.1413-1417.

15. Исаев A.A., Казарян М.А., Мовсесян М.Е., Петраш Г.Г., Саакян A.M., Ханбекян A.M. Некоторые характеристики лазера на парах меди при возбуждении мощным одиночным импульсом.Краткие сообщения по физике. Ф'ЛАН, 1977 г., Ш, с.14-17.

16. Исаев A.A., Казарян М.А. Исследование импульсного лазера на

парах мэди.- Квантовая электроника, 1977, т.4, с.451-453. [7. Исаев A.A., Леммерман Г.Ю. Исследование импульсного лазера на парах меди при повышенных мощностях. Тезисы докладоо га 1-й Всесоюзной конференции "Оптика лазеров". - Ленинград,

1977 г., с.85.

[8. Исаев A.A., Капарян М.А., Петраш Г.Г., Реутиан С.Г., Шалагин

A.M. Процесс формирования выходного гг/чка d кштульсном газовом лазере с неустойчивым резонатором,- Квантовая электроника, 1977, т.4, с.1325-1335.

'9. Исаев A.A. Спектральный состав индуцированного Излучения -зера на парах меди,- Квантовая электроника, 1980,т.7,с.599-607.

!0. Земсков К.iL, Исаев A.A., Казарлн М.А., Летршл Г.Г . Скрип-ниченко A.C., Онухов H.A., Савин В.В., Евдокимов В.А., Грэо-цев К.В., ^орбаренко В.А., Гликин Л.С., Бурыакин В.А., Былиин

B.й., Дорошкин A.A., Матвеев В.М. Me,тдународил заявка: "Способ обработки, регистрации и наблюдения объектов с помощью сверхизлучающей лазерной среды и устройство для его осуществления" .- Изобретения в СССР и за рубежом,1982,выл,112, Jf5, с.3-7.

1. Исаев A.A., Кнайпп X., Ренч М. О роли частоты следования импульсов возбуждения в лазере на парах неди.- Квантовал элег троника, Г 13, т.10, с.П83-П0Э.

2. Исаев A.A., Кнайпп X., Ренч М. Спонтанное излучение и температура газа в импульсном ла ре на парах меди.- Квантовая электроника, I9a'J, т. 10, с.967-973.

3. Исаев A.A., Петрам Г.Г., Пономарёв И.В. Релаксация ыетаста-бильных атомов в послесвечении лазера на парах меди.-Пре-принт ФИЛИ, 1985 г., »271, 31 с.

4. Исаев A.A., Леммерман Г.Ю. Спектральный состав излучения импульсного лазера на парах меди с нзустоГСчиЕым резонатором. Краткие сообщения по физике, ФИАН, 1985 г., £6, с.14-17.

5. Исаев A.A., Леммерман Г.Ю., Петраш Г.Г. Тепловой режим и характеристики генерации саморазогревного лазера на парах мэди. -" Квантовая электроника, 1986, т.13, ?f5, с.1034-1037.

£>. Исаев A.A., Казаков З.В., Лесной М.А., Маркова C.B., Петраш Г.Г. Распад метастабильных состояний и его влишше на харак-

теристики генерации лазера на парах меди.-Квантовая электроника, 1986, т.13, с.2302-2309.

27. Берик Е.Б., Исаев A.A., Михкельсоо В.Т., Петраш Г.Г., Пеэт В.Э., Пономарёв И.В., Трещалов A.B. Спектроскопия активно( среды лазера на парах меди.- Препринт ФИАН.1986 г.,.$251,43 с.

28. Исаев A.A., Петраш Г.Г., Пономарёв И.В. Релаксация метастабильных атомов в послесвечении лазера на парах меди.-Квантовая электроника, 1986, т.13, с.2295-2301.

29. Берик Е.Б., Исаев A.A., Михкельсоо В.Т., Петраш Г.Г., Пеэт В.Э,. Пономарёв И.В., Трещалов A.B. Исследование кинетики возбуждения атомарных уровней в лазере на парах меди. Тезисы Всесоюзной конференции "Инверсная населённость и генерация на переходах в атомах и молекулах".- Томск, 1986, ч.1,с.87.

30. Берик Е.Б., Исаев A.A., Михкельсоо В.Т., Петраш Р.Г., Пеэт В.Э., Пономарёв И.В., Трещалов A.B. Экспериментальное исследование кинетики заселённости возбуждённых состояний в импульсном разряде в лазере на парах меди. Тезисы Всесоюзного семинара "Физика быстропротекаянцих процессов". - Гродно, 1986, с.20.

31. Исаев A.A., Леммерман Г.к). Система импульсного питания лазе ров на парах металлов.- 'Груды ФИАН, 1987 г.,т. 181,с.164-179.

32. Исаев A.A., Михкельсоо В.Т., Петраш Г.Г., Пеэт В.Э.,. Понома-1ёв И.В., Трещалов А.Б. Диагностика плазмы в лшзере на парах меди. Тезисы Всесоюзной конференции по физике ниэкотемпера-туроной плазмы.- Ташкент, 1987 г., ч.2, с.164-185.

3.4. Астаддов Д.Н., Вучков Н.К., Исаев A.A., Петраш Г.Г., Пономарёв И.В., Саботинов Н.В. Релаксация метастабильных атомов меди в лазере на парах бромида меди в режиме регулярных импульсов.- Квантовая электроника, 1967, т.14, с.396-399.

34. Исаев A.A., Михкельсоо В.Т., Петраи Г.Г., Пеэт Н.Э., Пономарёв И.В., Трещалов A.B. Пространственно-временная кинетика возбувдения и релаксации атомных уровней в плазме импульсного лазера на парах меди.- Препринт ФИАН, 1987 г., П71. 44 с,

35. Исаев A.A., Михкельсоо В.Т., Нсграш Г.Г., Пеэт . 0., Пономарёв И.В., Трещалов A.B. Экспериментальное иссл^г^ряние кинетики атомных уровней в лазере на парах меди,- ¡руды ИФ АН ЭССР, 1987 г., т.60. с.21-38.