Генерация в низкопороговых активных средах на переходах Cd + , Ne и Хе при накачке пучком электронов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

РГДосударственный университет им.В.В.Куйбышева 7 и'лч

На правах рукописи УДК.621.373.826.038.823.

ФЕДЕНЕВ Андрей Валентинович ^ ^

ГЕНЕРАЦИЯ В НИЗКОПОРОГОВЫХ АКТИВНЫХ СРЕДАХ НА ПЕРЕХОДАХ С1+,Ме И Хе ПРИ НАКАЧКЕ ПУЧКОМ ЭЛЕКТРОНОВ

01.04.05.-оптика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на .соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Томск-93

Работа выполнена в Институте СО РАН (г. Томск)

Научный руководитель: Официальные'оппоненты:

шой электроники

доктор физико-математических наук В.Ф.Тарасенко

доктор физико-математических наук А.И.Миськешч (МИФИ)

кандидат физико-математических наук В.М.Климкин (ИОА СО РАН, г.Томск)

Ведущая организация: Институт общей физики РАН

г. Москва

Защита состоится " ^ " 1993г. в " час,

на заседают специализированного совета К.063.53.03 в Томском государственном университете (634050, г.Томск, пр.Ленина, 38)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ТГУ Автореферат разослан ^¿¿М' 1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат физико-математических'

Г.М.Дейков&

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Прогресс в развитии техники получения пучков ускоренных частиц (электронов и ионов), а твкеэ создание импульсных исследовательских ядерных реакторов существенно расширили в 70-х 80-х годах исследование плазменных лазеров на плотных газах с накачкой жестким ионизатором. Среди этого типа лазеров лазеры на переходах Сй+,ие и Хе обладают существенным достоинством - при сравнительно высоких удельных характеристиках излучения они имеют наиболее низкие пороги генерации.

Низкопороговыэ активные среда могут быть использованы для создания автономных,мощных,энергонасыщенных и сравнительно компактных лазеров-реакторов, с относительно невысокой стоимостью. А такте в лазерной технологии резки п сварки, где наиболее предпочтительным с точки зрения эффективности является импульсно-периодический резям с х0 5=0.1-1мс,трудно достижимый в газоразрядных системах из-за контракции разряда и требующий ограничения плотности тока из-за теплового разрушения разделительной фольга при электронно-пучковом способе накачки. Поскольку в активных средах плазменных лазеров с накачкой жестким ионизатором выходные параметры генерации на зависят от типа источника накачки, а определяются в основном интенсивностью эяергоЕклада, всзмокно моделирование условий возбуждения продуктами ядерных реакций в экспериментах с накачкой пучками электронов.

Исходя из возможностей использования низкопорогоЕых активных сред,актуальной является задача исследования путей повышения эффективности генерации в известных средах с низким порогом накачки и поиск новых низкопороговых активных сред.

Цель_работы

Целью работы является экспериментальное исследованиз амплитудно-временных и спектральных характеристик лазерного излучения клз-копорогоЕых активных сред па переходах Сй+,Ие и Хе при накачке пучком электронов смесей газов высокого давления,изучение процессов формирования инверсии в данных активных средах,а такая поиск и исследование новых низкопорогоЕых активных сред. ,

Поставленная цель достигается путем ранения следующих конкрвт- ' них задач:

-получение и исследование лазерной генерации в УФ к видимом диапазоне на переходах иона cd.+ при возбуддении смеси Ke-Cd высокого давления пучком быстрых электронов, определение процессов заселения рабочих уровней наиболее интенсивных лазерных переходов Cd+; -исследование спектральных и амплитудно-временных характеристик лазерного излучения на переходах атомов ;/е и Ха в видимом и ближнем ИК диапазонах длин волн в квазистационарном режиме накачки миллисе-кунднным пучком электронов и в послесвечении наносекундного пучка; -исследование генерации пэннинговского плазменного лазера на переходах неона в припороговых по мощности возбуадения условиях и полек путей снижения пороговой мощности накачки; -поиск новых низкопороговых активных сред на переходах инертных газов с девозбуздением НЛУ в реакции гарпунного типа и реакции передачи энергии на диссоциацию молекулы примеси.

Научная новизна выполненной работы -заключается в следующем:

1. Реализована лазерная генерация на переходах иона Cd+ с Х=534, 533, 442, 325 нм и атома Cd с Я=361 нм при возбуждении смеси He-Cd еысокого давления наносекувдным пучком электронов .На \=325 и 361 ем при накачке He-Cd лазера жестким ионизатором генерация получена впервые.

2.Показано, что основными каналами заселения ВЛУ He-Cd-лазера высокого давления при накачке жестким ионизатором являются: для линий с >.=534 и 538 нм - реакция перезарядки с Нэ+, а для линий, с ^=442 и 325 нм - реакция перезарядки с Не^ и реакция Пеннинга с метастаби-лей He(23s).

3. В послесвечении наносекундного электронного пучка за счет вариаций мощности накачки, состава и давления смеси реализуется преимущественная генерация на \=1.73, 2.03 и 2.63 мкм, а при малых мощностях накачки « 6 Вт/см3) в смеси Аг-Хе - одновременная квазикепре-рцвная генерация на переходах с ^=1.73 и 2.03 мкм,причем соотноше-H/i'j щ.'тенсиЕностей зависит от температуры активной среды.В столкно-. вопия/ с гелием более эффективно девозбуждается нижний уровень для W..C2 мкм.

•:. ilctcacjHo, что в припороговых по мощности возбуждения условиях

пучком электронов (W ~ 25 Вт/см) добавки 0.4 Торр Н^ к сме-

си He-Ne-Ar пеннинговского плазменного лазера на неона увеличивают козфЗ&вдент усиления в ~ 2.5 раза и сникают порог генерации. 5. Реализована лазерная генерация на переходах атомов PI Я=634.8, 641.3, 712.7, 731.I, 739.8, 755.2 нм И Аг \=794.8 нм при возбуждении см°сей Ar(He)-H?3 высокого давления пучком электронов (Ео~200 кэВ). Генерация на Л.=794.8 нм получена впервые. Практическая ценность„работы

1.Получены данные,характеризуйте работу лазеров высокого давления на переходах неона.ксенона и иона кадмия при малых энергоЕкладах и (или) мощностях возбуждения.

2.Создана лазерная установка на основе малогабаритного ускорителя РАДАН для возбуждения газофазных активных сред высокого давления; пучком электронов (Ео~200 кэВ) при температурах 10-750°С.

3.Продемонстрирована возможность использования ускорителя электронов с плазменным катодом и радаалъно сходящимся пучком для получения высокооднородного по сечению луча лазерного излучения етшертурой до 100 км на переходах неона и ксенона.

Защищзешэ_полозения I.При возбуждении He-Cd лазера высокого давления (р>1 атм) нано-секундннм пучком быстрых электронов реализуется генерация на переходах Cd+ \=534 и 538; 442; 225 ил, с удельными мощностями излучения 6 кВт/л, 3 кВт/л и 150 Вт/л соответственно. При накачке смеси He-Cd высокого давления яэстким ионизатором лазерное излучение на Х=325 нм получено впервые.

2.Основными процессами засоления ВЛУ He-Cd лазера при накачке хест-ким ионизатором являются: для зеленых линий (\=534 и 538 rc,í)-реакция перезарядки с Ке+,а для синей и 1ГФ линяй (Х=442 и 325 ш) реакция перезарядки с Не^'и реакция Пзшпшга с мэтастабилей Не ).

3.Показано, что в послесвечении наносекундного электронного пучка за счет вариаций мозщости накачки, состава и давления смеси реализуется селективная перестройка длины волны излучения на \=1.73, 2.03, 2.63 кем Xel. В столкновениях с гелием более эффективно де-возбувдается никяий уровень для Л.=2.03 мкм.

4.При малых мощностях накачки (=$ 6 Вт/см3) в смеси Аг-Хе реализуется одновременная квазинепрерывная 0.1 мс) генерация на i::pexc-дах с Я=1.73 л 2.03 мкм, примем соотношение ннтенсивностей зависит от температуры активной среды.

5.При возбуждении пеннинговского плазменного лазера на \=585 т Ne

пучком электронов малой мощности ( ~ 25 Вт/см3) добавки водорода

в рабочую смзсь Не-Ке-Аг увеличивают коэффициент усиления (в ~ 2.5 раза) и снижают порог- генерации.

6.При возбуждении смесей Не(Аг)-НР3 высокого давления пучком быстрых электронов впервые получена лазерная генерация не переходах атома FI ?i=634.8, 641.3 , 712.7 , 73I.I, 739.8 , 755.2 нм (Р ~20 кВт/Л на всех линиях).и атома Ai» \=794.8 нм (Р ~ 2.5 Вт). ■ .

Апробация работы Основные результаты работы докладывались на:

1.Всесоюзном совещании "Инверсная заселенность и генерация на переходах в атомах и молекулах", г.Томск, 1986. .■

2.Рабочем совещании "Активные среды плазменных и газоразрядных лазеров", г.Гродно, 1987.,

3.VI Всесоюзном симпозиуме по сильноточной электронике, г.Новосибирск, 1986. . • : ■ . . .

4.Недвдународной 'конференции CLEO-88, Anaheim, 1938.

Б.Международной конференции LASERS-89, New Orlean, 1989.

5.YI Всесоюзной конференции "Оптика лазеров", г.Ленинград,I9S0.

7.Отраслевой конференции ЛЯН-92, г.Обнинск, 1092.

8.Конференции "Импульсные лазеры на переходах атомов и молекул", г.Томск, 1992,

Структура и объем работы

Диссертационная работа изложена на 120 страницах машинописного текста,иллюстрируется 51 рисунком,6 таблицами,состоит из Введения, пяти глав, Заключения и списка литературы из 201 наименования.

Краткое содержание работы

В_ШШвой_глаьэ приведен обзор литературы, посвященной исследованиям генерации на переходах Ci+,Xe и Ne при накачке жестким иони-сатором: пучками электронов, осколками ядерных реакций и разрядом с жесткой составляющей. Для подтверадения актуальности выбранной проблемы приведены не только результаты работ, известных на начало проведения экспериментов, но и данные, полученные другими авторами за последнее время.

He-Cd-лазвр, литературным данным по'исследованию которого посвящен §1.1, получил широкое распространение при электроразрядном способе возбуздения и имеет относительно низкие КПД и выходные

нне параметры по энергии и модности генерации. Существенно большие значения эффективности (~0.4% и Ррен до I кВт) продемонстрированы при накачкэ He-Cd смеси высокого (р >1атм) давления осколкакч ядерных реакций.На момент опубликования нами данных по запуску са+-ла-зера с накачкой пучком быстрых электронов в лиературе отсутствовали данные по целому ряду вопросов. Преиде всего,в условиях высокого давления при возбуадешш жестким ионизатором, о возмокнооти получения генерации на Я=325 нм Cd+, о поведении He-Cd лазера при больших мощностях накачки и о механизме создания инверсии на конкретных переходах Cd+.

Во втором параграфе призеден краткий обзор литературных данных по исследовании Хе-лазера. Генерация на переходах Хе (Ed-бр) была получена при накачке смесей Хе с He,Ar,Ne,Kr практически при всех известных способах возбуждения лазеров на газофазных средах. Определены оптимальные условия генерации с точки зрения эффективности и высоких удельных характеристик. Наибольшие значения КПД (~ЗЯ) и удельной выходной энергии (~8 Д?Ул) были получены при накачке Аг-Хе смесей высокого давлеьия разрядом, поддерлаваеынм пучком электронов. Благодаря низкой пороговой мощности возбуздения (~0.02 Вт/ см3) Хе-лазер с такой же эффективностью может работать в квазиста-ционзрном режиме при накачке осколками ядерных реакций. Напротив, переход к высоким могпгсетям возбуждения (> 0.5 кВт/см3) приводят к существенному электрогшо-столкновителыюму перемешиванию няселен-ностей рабочих уровней и спаду КПД генерации. Отсутствовал.! данные с исследовании многоволноеой генерации на переходах атома ксенона в послесвечении при существенно нестационарной накачке пучком электронов, когда многие кинетические процессы разделены во времени, к- в припороговых рекимах возбуждения для отдельных переходов.

Непользование заселения ВЛУ в регате рекомбинации и л-вэзбук-денил НЛУ в реакции Пеннинга, позволяет з" лазере на перехода-/ публикация?.! по проблемам которого посвящен §1.3, получать относительно эффективную генерации в еидимом дкапазске в КЕэзистациончр-ном рекиме при накачке пучками электронов и осколками ядерных реакций. Максимальный КПД этого лазера достигается при сравнительно невысоких мощностях накачки ~ ICO Bt/cmj и кс:::ет Сыть повниен за счет подавления распределенных потерь в схтяшг.-Г: сродо путем использования небольших добавок Хе и К,, что не было

-' 8

проверено для мощностей накачки, характерных для лазеров-реакторов. Актуальным такзе представляется вопрос о использовании в лазере с электронно-пучковой накачкой на переходах инертных газов для разгрузки НЛУ реакции гарпунного типа с эффективность которой в случае электроразрядной накачки достаточно высока.

Вторая_глава диссертации посвящена описанию экспериментальных установок и методик проведения исследований. Для Еозбуждештя газофазных активных сред использовались сильноточные ускорители электронов, разработанные в ИСЭ СО РАН. Малогабаритные ускорители типа РАДАН-150,РАДАН-220 обеспечивали мощности возбуждения до 200500 кВт/см3 при длительности импульса 5-10 не и частоте повторения до 50 Гц. В диапазоне длительностей от 10 мке до 2.5 мс при мощностях накачки 10-1000 Вт/см3 ш использовали ускорители электронов с плазменно эмиссионными катодами. При этом пучок в газ мог вводиться в зависимости от конструкции лазерной камеры - поперек, вдоль,* или быть радиально-сходящимся относительно оптической оси резонатора. Конструкция катары с продольной схемой веодз пучка от ускорителя типа РАДАН позволяла исследовать-газофазные активные среды . при тежературах от 10 до 750°С. Для определения энергоЕклада пучка в газ использовались.как оценки из расчетов, так и экспериментальные измерения калориметрическим методом и методом "скачка давления". Коэффициенты усиления слабого сигнала и ненасыщенного поглощения активных сред определялись из расчетов на основе экспериментально снятой зависимости выходной мощйости лазерного излучения от пропускания резонатора. Приводятся такае данные го используемой регистрирующей аппаратуре.

В_третьей_главе приведены результаты экспериментальных исследований Не-са лазера высокого давления при накачке наносекундным пучком электронов (т ~5 нс,Ео~150 кэВ,/ "100 А/см2).Генерация была получена на 4-х наиболее интенсивных переходах иона С«а+ с длинами волн 441.6,533.7,537.8,325.0 нм и 361нм атома кадмия (переход 5(1-5р). Для объяснения получения генерации на А.=325 нм нами была оценена константа девозбуадения ВЛУ этого перехода в столкновениях с атома.',ж гелия ~ Ю~12-10~1Эсм3/с. При давлении гелия ~ I атм генерация наблюдается: на Ь=442 нм в диапазоне Т=330-450°С, с максимума!/ при Т=360-380°С; на Х=534 и 538 ни - Т=360-550°С,с Т ~450°С;

о л шал

на >.=325 ш - Т=330-430 С, с Т[пах=390°С" (рис. 1,2). Изменение давления буферного газа приводит к соответствующему увеличению или уменьшению оптимальной температуры. Максимальная мощность генера-

цик на \=442 и 325 нм линейно возрастает с ростом давления, тогда, как для излучения на ,\=534 и 638 нм оптимальным является давление гелия ~ I атм. Максимальная выходная мощность излучения, полученная в наиих экспериментах составила: на А,=442 нм - 200 Вт, на \= 534 и 538 нм - 400 Вт (6 кВт/л), на \=325 нм - 10 Вт. Небольшие добавки (~3 Торр) Хе, Аг или к смеси приводят к уменьшению мощности генерации на зеленых линиях и срыву на синей и УФ линиях, что говорит о различи: механизмов заселения ВЛУ для этих переходов. Таковнми являются для переходов с \=Ы2 и 325 нм реакции перезарядки с Не, и Пеннинга с метастабилями Не(233), а для Л.=534 и 533 нм

4- * ^

- реакции перезарядки с Не и Пеншшга С1 с метастабилями Не (2-^3). Интерпритация полученных результатов была сделана на основе кинетической модели Не-Са лазера высокого давления с накачкой "кесткйм ионизатором",разработанной в 1'ОФ РАН. Наличие оптимума по температуре для различных переходов объясняется конкуренцией процессов заселения К1У и, с ростом концентрации паров С<1, увеличением скорости дэвозбунцения ВЛУ в реакциях: конверсии оа.+- Сс£ - для с:шей и УФ линий; реакщш Пеннинга на собственном атоме - для зеленых линий.Существование оптимального давления р=1 атм для Я=534 и 538 нм обусловлено конкуренцией процессов исчезновения иона Ке+ в реакции конверсии в НЭд и перезарядки на кадмии. Обнаружено наличие существенного ~ 10~3см-1 внутрирезонаторного поглощения на переходах 441.6 и 325.0 нм Сс1+ при накачке Не-Сй смеси высокого давления плотным (J ~100 А/см2,Ео~150 кзВ) накосекундным пучком электронов.

Четвертая_глава посвящена. исследованию многоболкоеой генерации на переходах ксенона при возбуздении нанэсекукдным и миллисе-кундкым пучка;.",! электронов. При накачки Аг-Хе смеси электронным пучком от ускорителя ГАДАН лазерное излучение Сило получено в послесвечении на 5-ти переходах Хе1 (5й-6р), три наиболее интенсивных из них - \=1.73, 2.03, 2.65 мкм имеют общий ВЛУ. Соотношешге выходной мощности генерации на кос определяется скоростью очистки КЙУ, зависящей'от сорта буферного газа и его чистоты, о таяге мощности возбуждения и селективности резонатора. После импульса тока, через время необходимее для того, чтобы концентрация электронов упала кипе критического значения, при котором глехтрошо-столхнсЕитзлшое перемешивание рабочих уровней становится несущественным, генерация начинается на Я=2.03 и 2.65 мкм. Однако, в последующем, за счет индуцированного и спонтанного излучения, населенность 1Ш для этих переходов увеличивается быстрее, чем для Я=1.73 мкм из-за высокой

скорости очистки ШУ для этого перехода в столкновениях с атомами аргона.В результате, с некоторого момента времени, коэффициент уси- ■ ления на ?.=1.73 мкм нащшает превышать значение усиления на более сильных переходах и большая часть энергии, запасенной на уровне 5d[3/2]° излучается на А.=1.73 мкм. Увеличение давления приводит к увеличению энергии, поглощенной активной средой и к повышению значения критической концентрации электронов, что позволяет генерации на Л=2.03 мкм начаться раньше, при больших значениях инверсии. Сравнение экспериментальных данных с результатами расчетов по модели Хе-лазера, разработанной в ИОФРАН показали, что в условиях послесвечения наносекундного пучка электронов основной вклад в заселение ВЛУ вносит диссоциативная рекомбинация АгХе+, вклад диссоциативной рекомбинации Хе^ становится преобладающим через ~ 300 не после окончания тока пучка. При увеличении полного тока пучка электронов с I до 2 кА [Хе30ПТ в смеси Аг-Хе увеличивается с ~ 0.5-1% до ~ 10% и в спектре появляется интенсивная линия о Х=2.63 мкм,ВЛУ которой заселяется в столкновительном каскаде с девозбувдением уровня 5d[3/2']® в столкновениях с электронами плазмы и тяжелыми частицами (Хе.Кг). Разбавление Аг-Хе смеси ке приводило к спаду выходной мощности на всех линиях, при.наиболее медленном уменьшении интенсивности излучения на Л=1.73 мкм, НЛУ которого эффективно чис- . тится в столкновениях с Аг. Тогда, как уже при концентрации [Не]~ 1Ь% в Аг-Хе смеси генерация на А.=1.73 и 2.65 мкм срывалась, а мощность и длительность импульса на ¡U2.03 мкм увеличивалась вплоть до [Не1опт~40-50%. Из этого факта, а также из того, что в Не-Хе смеси как в наших экспериментах,так и по данным других авторов генерация регистрируется преимущественно на переходе с Л.=2.03 мкм, нами был сделан вывод о том» что НЛУ для этого перехода -6р[3/3]1 в столкновениях с гелием девозбуждается более эффективно. Добавки молекулярных газов С02,и2 и lí^ в активную среду Хе-лазера при высоких мощностях накачки приводили к увеличению выходной энергии генерации, и ИФ?кт бал наибольшим во время импульса тока и при использовании тяжелых буферных газов и чистого Хе. Это обусловлено понижением температуры электронов плазмы и уменьшением злектронно-столкнови-тельного перемешивания рабочих уровней и, что наиболее существенно в послесвечении и при малых мощностях накачки, возможно девозбузк-дение НЛУ для Х=2.03 мкм в реакции передачи энергии на диссоциацию молекулы i¡2 (ДЕ<кТ). Присутствие этого процесса объясняет появление (усиление) генерации на Х-2.03 мкм в смеси Аг-Хе при высота

мощностях накачки и высокие требования к чистоте используемых газов и герметизации лазерной камеры при оптимальных и малых мощностях накачки мили- и микросекундными пучками,когда основная энергия излучается на переходе с Л.=1.73 мкм.

Начальный (до~50°С) нагрев смеси Аг-Хе в послесвечении наносекунд-ного пучка электронов приводит к более быстрому перемешиванию компонент, что особенно существенно при использовании тяжелых газов и большого соотношения длины и диаметра лазерной камеры. При дальнейшем увеличении температуры активной среды наблюдается спад выходной мощности генерации (при Т >Ю0°С), наиболее вероятно из-за увеличения скорости столкновительной диссоциации иона АгХе+с увеличением температуры газа.

При накачке смеси Аг:Хе=100:1, р=1 атм пучком электронов длительностью 30 мкс от ускорителя с коаксиальным диодом и плазменно-эмиссионным катодом (1>А=60 см,УА=9 л, 1=60 А) полная энергия генерации составила ~ 2 Дж при КПД относительно влокенной энергии ~ 2% и высокой однородности распределения выходной энергии по аппертуре на диаметре 80 мм. По сравнению с планарнш диодом одинаковые плотности энергии генерации при прочих равных условиях были получены при Уктк«0.1/птп, где 3 - плотности тока пучка; тк п - длительности импульса тока для коаксиального и планарного диодов соответственно. При охлаждении опорной решетки фольги водой лазер мог длительное время работать с частотой повторения импульсов до 5 Гц.

Исследовался также спектральный состав и пороги генерации при накачке смесей Аг:Хе=100:1 и Не:Аг:Хе=50:50:1 пучком электронов •длительностью ~ 0.1 кс в диапазоне изменений плотности тока (коаксиальный диод) 0.1-16 мА/см2 при использовании резонаторов с различной добротностью. В смеси Аг-Хе при соответствующем выбора резонатора реализуются условия для квазинепрерывной генерации на А.=2.03 1.73 и 2.65 мкм, а при 3 ^ 2 мА/см2 - одновременно на Я=1.73 и 2.03 мкм с длительностью импульсов ~ 0.1 мс (рис.3). В смеси Ке-Аг-Хе -•одновременно на ^=2.03 и 2.65 мкм, а при 3^2 мА/см2 - только на А.=2.65 мкм. Минимальные пороги возникновения генерации получек па переходах с А.^2.03 и 2.65 мкм, ~0.3 и ~2 Вт/см3, соответственно, при накачке смесей Не-Аг-Хе и Аг-Хе.

1_ПЯтой_главе представлены результаты исследования генерации' на переходах Ке1 при малых мощностях и энергиях возбуздения пучками электронов, а такке - генерации на переходе Аг1 с \=7Э5 нм и переходах г! в послесвечении наносекундного пучка электронов.

В смеси не-Н^ веиду значительной пороговой мощности накачки генерация на Л=585.3 нм регистрировалась только при продольной, схеме ввода пучка электронов и только в послесвечении.Задержка импульса генерации относительно начала импульса тока пучка составляла ~20 не. Оптимальная концентрация водорода в смеси,также как и в экспериментах (Квантовая электроника. 1985. Т.12. Я12. С.245-246.) составила ~0.41 ( Ые:1^=10:7). Однако, зависимость интенсивности генерации в послесвечении от давления смеси имеет максимум три р=0.7 атм, тогда как во время действия пучка при давлении ~1 атм наблюдалось насыщение еыходной мощности лазерного излучения. Максимальная выходная мощность генерации на Л=585.3 нм в смеси Не:Н2=Ю:7,р=1 атм в послесвечении достигала ~1.5 кВт (15 кВт/л),при этом реализовывался максимальный в наших экспериментах коэффициент усиления слабого сигнала g0r' 3.9« Ю-2 см"1.

При возбуждении смесей Не-Аг-Ие наносекундам пучком электронов для генерации на л.=585.3 ил оптимальными являются смеси с большим содержанием гелия ~ 80-90%, поскольку Не менее эффективно перемешивает населенности уровней Зр и Зр'. Для красных линий (Я=703, 724 нм) в послесвечении оптимум концентрации гелия,также,как и при . микросекундных длительностях накачки (Квантовая электроника.1985. 1.12,У» 7.С. 1521-1524.) соответствует ~ 403. Различие в оптимальном содеркашш пеннинговской примеси - Аг для -различных линий, обусловлено разной скоростью реакции Поннинга для резонансного Зз11/2]° (к ~1.6«10"10см3/с) и мэтастабильного Зб[3/2]° (9.7» Ю-11 см^/с) состояний.При изменении концентрации аргона в смеси происходит перестройка длины еолны генерации с А.=724 ш на Я=703 нм (верх-кий уровень у них общий).Используя конкуренцию этих переходов, можно , как и для генерации Хе-лазера, путем изменения добротности резонатора и содержания пеннинговской примеси (Аг) получать преимущественную гекчрарациы на любой из этих двух линий. Максимальная Еыходная мощность излучения ~ 1.5 кВт (15 кВт/л) была получена на переходе с А=585.3 нм при продольной схеме накачки, КПД по инжектируемой в активную область энергии достигал ~0.15%. Исследования показали,что при изменении температуры газа от 10 до Ю0°С длительность импульса на полувысоте и мощность генерации на А.=585.3 нм падают линейно соответственно в 1.6 и 3 раза. Мощность излучения на линиях Д.=703 и 724 нм при нагреве газовой смеси уменьшилась в 3 раза лидь при 150°С, изменение полуширины импульса генерации с ростом температуры также происходило медленнее чем для желтой линии.

Сопоставление результатов экспериментов и даннкх рзсчтов по модели, созданной в ИОЗ РАН показало что в случав короткой, существенно нестационарной накзчки,когда релаксация плазмы идет уже в отсутствие тока пучка,соотношение кэшу основными ионами меняется. Существует промежуток времени, когда концентрации атомарных ионов значительно превосходят концентрации молекулярных.При этомом основным каналом заселения ВЛУ и каналом релаксации будет не диссоциативная (не* + е), а тройная, (iíe+ + 2е) рекомбинация.' Поскольку селективность заселения ВЛУ наибольшая при диссоциативной рекомбинации, при больших мощностях накачки оптимальная концентрация неона в смеси увеличивается.

В экспериментах по исследовании ие-лазера в припороговых по мощности возбувдения условиях использовались установки на оснога ускорителей с плазмэнно-эмиссионными катода!,и, созданные в ИСЭ. Применялись две схемы ввода пучка - поперечная и коаксиальная относительно оптической оси лазера. Мощность накачки изменялась #=10* 1000 Вт/см3 при длительности тока пучка от 8 до 100 мкс. При увеличении плотности тока до ~0.4 А/см2 и короткой (т0 5~8 икс) длительности накачки наблюдается характерный "перегрев" активной среды, когда пикам плотности тока соответствуют "провалы" во временном ходе импульса лазерной генерации, обусловленный возрастанием скорости мегмультиплетного перемешивания населенностей рабочих уровней в столкновениях с электронами плазма.

Пороговая плотность тока для экспериментов с планарным диодом составила ~ 8 мА/см2 для смеси Ar:iíe:He=I:2:I97, р=2 атм, что соответствовало вкладываемой мощности ~ 15 Вт/с:,!3. Несколько меньшая пороговая мощность всзбуэденля была получена в случае использования коаксиального ускорителя : '^ПОр~П Вт/см3.

Как и в случае больших плотностей мощности Еозбуздения, наблюдается характерный оптимум по содержанию пеннинговской примеси [Аг] ~22, причем оптимальное соотнощение líe :Ar= (5-10) :1 сохраняется в широком диапазоне изменения плотности тока пучка: 0.016-0.3 А/см? Оптимальная концентрация гелия при постоянном давлении смэси составила ~ ~70%,однако, при увеличении давления смеси за счет добавления гелм интенсивность лазерного излучения возрастает. Удельная выходная энергия генерации линейно возрастает з диапазоне исследованных параметров при увеличении знэрговклада как за счет ро'ста тока пучка электронов, так и за счет увеличения давления,что указывает на

сохранение КПД генерации при заданной длительности импульса возбуждения.

Максимальное значение КПД лазерной генерации в экспериментах (ДАН СССР 1986. Т. 288, Jé 3. С. 609-612.) "0Л% при энергии излучения на Л,=585.3 нм ~ 0.5 Дн(~ 0.1 Дж/л) было получено при возбуждении смеси He:Ne:Ar=43:6:I,p=3 атм, планарным пучком электронов длительностью т0 5=15 мкс, энергией Е=200 кэВ, плотностью тока J ~ 0.3 А/см2. Поглощение в активной среде,благодаря форме импульса тока пучка близкой к треугольной,не успевало развиться и значительная часть энергии генерации приходилась на послесвечение. Анализ экспериментальных данных, полученных при коаксиальной накачке, показывает,что при увеличении давления смеси можно получить выходные параметры того же порядка.

Коэффициенты усиления слабого сигнала, определенные из зависимостей выходной мощности от пропускания резонатора для оптимальных условий возбувдения и состава смеси составили ~ 9-I0~4cm-1 для пленарного диода (мощность накачки vV ~100 BíVcm3) и ~6-10~4см_1для коаксиального диода (fr ~ 25 Вт/см3).

Результаты экспериментов и анализ литературных данных позволяют сделать вывод о том, что в диапазоне мощностей возбувдения от ~25 Вт/см3 до ~1 кВт/см3 для лазера на Ne (\=585.3 нм) коэффициент усиления линейно зависит от мощности накачки, а селективность заселения ВЛУ и КПД генерации не меняются.

Приводятся результаты исследования влияния на характеристики генерации добавок водорода к смеси He-Ne-Ar при сравнительно малых мощностях 25 Вт/см3) и больших длительностях возбуждения электронным пучком ( тп ~ 30 мкс по основанию). В смеси He-Ne-Ar порог генерации при использовании выходного зеркала с пропусканием 2.7% Достигался при плотности тока Jnop~7 мА/см2, задергай импульса излучения относительно импульса тока пучка составила ~7 мкс.Добавка 0.4 Topp водорода к этой смеси увеличила коэффициент усиления в 2.5 раза без изменения поглощения'в активной среде, снизила пороговую плотность тока до 5 мА/см2, увеличила пороговое пропускание резонатора до ~ 35% и оказала влияние, зависящее от добротности резонатора, на мощность излучения: при уменьшеиш добротности резонатора и фиксировании всех остальных пара;,;зтроз мощность излучения» возрастала в несколько раз (рис.4).

При накачке поперечным разрядом (Квантовая электроника. 1989.

Т.16,$10. С.2053-2056.) в смеси He-N?3 была получена генерация на Х=585.3 нм Nel, в смеси He-N?3 - на Х=706.5 Hei, в смеси Аг-Н?3 -на \=750.4 нм Arl. Однако,при возбуждении продольным электронным пучком смеси He-NF3 порог генерации на Х=706.5 нм не достигался, в смеси Ne:NF3=450:90 мм рт.ст. наблюдалась стимулированная эмиссия на желтой линии и. только в смеси Ar-KP3 была получена лазерная генерация на \=794.8 нм (переход 4р'[3/2]1- 48'[1/2]0 Аг1)с максимальной мощностью излучения ~2.5 Вт и длительностью импульса генерации ~18 не на полуЕЫсоте.

В экспериментах, при возбуждении смесей гелия с N?3 наносекун-дным пучком электронов ускорителя РАДАН-220 на установке с продольной схемой ввода пучка, наблюдалась лазерная генерация на 6-ти переходах атома И. Оптимальная концентрация НР3 составляла 0.10.3% от давления гелтя.Максимальная выходная мощность лазерного излучения (~2 кВт,) была получена при использовании в качестве выходного зеркала кварцевой пластинки, что указывает на еысокий коэффициент усиления на красных линиях атома фтора.

Основные результаты работы

1.При возбувдении Не-са лазера высокого давления (р>1 атм) нано-секундным пучком быстрых электронов реализована генерация на переходах С<1+ с Х=534 и 538 , 442 , 325 нм с удельными мощностями 6, 3 п 0.15 кВт/л, соответственно. При накачке Не-С1 смеси высокого давления жестким ионизатором лазерное излучение на Х=325 нм получено впервые.

2.На основе сравнительного анализа результатов экспериментов по зависимости Рг от давления, температуры и добавок Аг, Хе, н2 в смесь Не-са. лазера при накачке пучком электронов и расчетов по кинетической модели сделан вывод,что основными процессами заселения ВЛУ переходов являются: для Х=534 и 537 нм это реакция перезарядки с Не+,а для ,\=442 и 325 нм реакция перезарядки с Не^ и реакция Пеннинга с метастабилей Не(23Э). Обнаружено, что при возбуждении Не-Сй лазера высокого давления пучком электронов коэффициент ненасыщенного поглощения на переходах с Х=442 и 325 нм составляет ~10"3 см"1

3.Сравнение экспериментальных данных и результатов расчетов по кинетической модели показало,что различие спектрального состава излучения Хе-лазера в послесвечения и во время импульса тока пучка

быстрых электронов обусловлено конкуренцией переходов с общего ВЛУ 5d[3/2]® Хе и разной скоростью девозбуждения нижних лазерных уровней буферными газами Не и Аг. И, если Ar преимущественно в столкновениях девозбукдает уровень 6р[5/2]2,НЛУ для Х=1.73 мкм, то в столкновениях с гелием наибольшую скорость девозбуждения тлеет 6р[3/2]1 -НЛУ для л=2.03 мкм.

4.При больших мощностях накачки влияние понижения температуры электронов в активной среде Хе-лазера при использовании молекулярных добавок С02, Hg и n2 во время гслгульса тока пучка быстрых электронов увеличивается с увеличенном втоиного номера буферного газа. В послесвечении увеличение интенсивности излучения на переходах с Х=2.03 и 2.65 мкм при добавлении 1% азота связано, кроме того, с разгрузкой НЛУ 6р[3/2]1 и 6р[1/2]0 в реакции передачи возбуждения на диссоциацию молекулы н2.

5.Наименьшие пороги по мощности возбуждения при накачке пучком электронов Хе-лазера получены для переходов с Х=2.03 и 2.65 мкм ~0.3 и ~2 Вт/см3 соответственно.

.6.Увеличение температура рабочей смеси лг-Хе лазера.возбуждаемого пучком электронов выше ~ 100°С приводит к спада выходной мощности генерации,наиболее вероятно из-за увеличения скорости столк-новительной диссоциации иона АгХе+с ростом температуры газа.

7.При малых мощностях возбувдения ( "25 Вт/см3) добавки 0.4 Topp Hg в рабочую смесь Не-Не-Аг пеннинговского плазменного лазера на iiel (Х=585.3 ш) но изменяют величины коэффициента нерезонансного поглощения, как при больаих кВт/см3) мощностях накачки,а приводят к увеличению коэффициента усилешя слабого сигнала (е 2.5 раза) и снижают (в ~ 1.5 раза) порог генерации.

8.Результаты экспериментов и анализ литературных данных позволяют сделать еывод о том, что в диапазоне мощностей возбуждения от ~25 Вт/см3 до ~ 1кБт/см3 для пеннинговского плазменного лазера на неоне (Х.=585.3 нч) коэффициент усиления слабого сигнала линейно зависит от мощности накачки,а селективность засоления ВЛУ и КПД генерации меняются слабо. ■

9.При возбуждении смесей Не(Аг)-м?3 высокого давления пучком электронов впервые получена лазерная генерация на переходах атома F А.=С?4.8, 641.3, 712.7, 731.1, 739.8, 755.2 нм (Р ~ 20 кВт/л на всех линиях) и атома Аг Л=7Э4.8 ш (Р ~ 2.5 Вт).

10.Создана лагерная установка на основе малогабаритного ускорителя электронов .типа РАДАН для возбуждения газофазных сред buco-

кого давления пучком электронов (Ео~200 кэВ) при температурах 10-750°С. Продемонстрирована возможность использования ускорив ля электронов с плазменным эмиттером и рлдиально-сходящимся пучком для получения однородного по сечении лазерного излучения апшртурой до 100 м на переходах атомов lie и Хе.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Середа О.В., Тарасенко В.Ф., Феденев A.B., Яковленко С.И. Мощный ИК-лазер на переходах атома Хе1 (Обзор)// Квантовая электроника. 1993. T.20.JS 6. C.I32I-I350.

2. Горюнов Ф.В.,Держиев В.И.,Жидков А.Г..Карелин A.B..Нагорный Д.В., Скакун В.С;,Тарасенко В.Ф.,Феденев A.B..Яковленко C.ii.Ho-Cd лазер еысокого давления накачиваемый наносекундным электронным пучком. // Квантовая электроника.1989.Т.16.Ш0.С.2039-2046.

3. Деркиев В.И..Жидков А.Г..Карелин A.B..Нагорный Д.Ю.,

Скакун В.С.,Тарасенко В.Ф..Феденев A.B..Яковленко C.Ii.He-Cd лазер с А.=442, 534, 538 нм, накачиваемый наносекундным электронным пучком.// Письма в ЙТФ.1988.Т.12.В.I.C.18-21.

4. Бугаев С.П..Горюнов Ф.Г..Нагорный Д.Ю..Скакун B.C..Тарасенко В.Ф., Феденев А.В.УФ генерация при накачке смеси He-Cd электронным пучком.// Оптика и спектроскопия.1988.Т.65.В.3.С.744-747.

5. Скакун В.С.,Тарасенко В.Ф.,Феденев A.B..Фомин E.H.,Шпак В.Г. Нео-ноеый лазер с накачкой электронным пучком малогабаритного ускорителя.// ПТЭ. 1987..>54. С. 175-177.

6. Винтизенко Л.Г.,Гушенец В.И..Коваль Н.Н.Месяц Г.А..Скакун B.C. -Тарасенко В.Ф., Феденев A.B., Щанин П.М. Генерация в инертных газах при накачке электронным пучком ускорителя с плазменным катодом// ДАН СССР 1986. Т. 288, JS 3. С. 609-612.

7-. Коваль Н.Н.Крейпдель Ю.Е..Месяц Г.А.,Скакун В.С.,Тарасенко В.Ф., Феденев A.B., Чагин А.А, Щанин П.М. Генерация в инертных газах при накачке электронным пучком большого сечения с дяительностьв импульса тока до 2,5 мс // Письма в КТФ. 1986. Т. 12, вып. 1. С.

37-42 .

8. Бугаев A.C., Коваль Н.Н, Рыжов В.В, Тарасенко В.Ф., Турчановский И.Ю., Феденев A.B., Щанин П.М. Генерация в ксеноне при накачка радиально сходящимся пучком электронов // Квантовая электроника. 1990. Т. 17, Я 1. С. 17-19. •

9. Скакун B.C., Тарасенко В.Ф., Феденев A.B. Влияние добавок 11,, С02 и-Не на мощность излучения ксенонового лазера при накачке

электронным пучком // Оптика и спектроскопия. 1991. Т. 71, вып.4. С. 669-674.

10. Держиев Б.И.,Жидков А.Г.,Середа О.В..Скакун B.C..Тарасенко В.Ф., Феденев А.В..Яковленко С.И. Многоволновая генерация ксенонового лазера в смеси А^-Хе при накэчке электронным пучком // Квантовая электроника. 1990. Т. 17, JS 8. С. 985-988.

12. Бункин Ф.В.Держиев В.И.,Месяц Г.А..Муравьев И.И.,Скакун B.C., Тарасенко В.Ф..Феденев А.В..Яковленко С.И..Янчарина A.M. Пеннинговские плазменные лазеры на переходах неона // Изв. АН СССР сер. Физическая.1986. Т.50,Х6.С.1064-1074.

13. Держиев В.И..Нвдкэз А.Г..Коваль А.Б.,Скакун B.C., Тарасенко В.Ф..Феденев А.В.,Фомин Е.А..Яковленко С.И. Пеннинговский плазменный лазер на неоне с накачкой малогабаритным ускорителем // Квантовая электроника.1988.Т.15.Ш.С.108-1П.

14. Бугаев А.С. .Коваль Н.Н. .Тарасенко В.Ф..Феденев А.В. Спектральный состав генерации в смесях Аг-Хе и Не-Аг-Хе, накачиваемых радиальносходявдмся пучком электронов длительностью 0.1 мс // Квантовая электроника. 1992. Т.19,^1. с.20-23. .

15. Нагорный Д.Ю..Скакун B.C. .Тарасенко В.Ф. .Федензв А.В. Лазер с накачкой электронным пучком газообразных активных сред при температурах Ю+750°С // ПТЭ. 1990.КЗ .С.169-172.

16. Тарасенко В.Ф. .Феденев А.В. Увеличение мощности излучения лазера на Х=2.03 шал ксенона при нагреве рабочей смеси // Письма в ЕТФ. I991.Т.17.С.28-30.

17. Ломаев М.И..Мельченко С.В.,Тарасенко В.Ф..Феденев А.В. Увеличение ко^ффг-цэнта усиления на Х=585.3 нм неона в четырэх-комданектных смесях // Письма в НТФ.1992.Т.18.вып.24.С.22-24.

18. Ломаев М.И..Нагорный Д.Ю..Тарасенко В.Ф. .Феденев А.В., Кирилин Г.В. Генерация на атомарных переходах инертных газов в смесях с Ю'3 // Квантовая электроника. 1989. Т.16,й10. С.2053-2056.

19.. Lcmaev Н.I. , Ucsyats G.A., Slcalcun V.В., iaraseriio V.P., Pedenev A.Y. Eleotron-besra адй discharge puaped lasers operating on inert gas atomio trar^i.tioijs // Ргоз. of the bit. Conl. on CUS0-S3. 1983.Anaheim,USA,'

20. Bugaev A.S., Koval1 li.Ii.* Kesyatc (J .A.,. Ryzhov V.Y,.Stokun Y.S,» Tarar.enko T.I'. .Turohanovoliy I..Yu.,f, Jfedenev A.V., Schanin P.li, The laser action cn the'atomic transitions oi ths Не апй, X© on pumping with electron Ъеаш // Pros, of- the Int.. Conf, on USffi'S 89.New Orleans,Louisiana.Deo.3-8.1?39.3Ш£ рщз%.ДоСЬеап If. Д. 1S?0,

1.0

0.5

Р,отн ед

а

°1-2 \= 534 ш

538 ЧД 1.0

,0.8

. 1.0Г

Х=442 НМ

\=325 Ш

300 400 500

Рис.1 Зависимость мощности лазерной генерации на переходах Сй+ ог температура активной среди (цифры около кривых- р}{£) в ата).

1 .о

0.5

Рис.2 Осциллограммы импульсов •тока пучка (1) и лазерной генерации на Ы325.0 нм Сй+ (2) (Рдд=1.2атм, Т=450°С).

40 80 1:,нс

0.5 1.0 1.5 2.0 ],

, Рис.3 Зависимости мощности генерации в смеси Аг:Хе=100:1 №=972, р=1 атм, ио=190 кВ) от плотности тока на выходе из фольги для ускорителя с радаально-сходящимся пучком электронов.

Рис.4 Зависимости мощности лазерного излучения в смесях Не:ые:Аг=1.0:0.27:0.02 (1) и Не:Ке:Аг:1^=1.0:0.27:0.02:0,0004 (2), р= 1.3 атм, от пропускания выходного зеркала.