Импульсные электроразрядные СО2-лазеры с плазменными электродами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ОНЦНЙ ФИЗИКИ

На правах ружописщ

удк 553.621.373.6

ковалев игорь олегович импульсные адасгрорлзрдшЕ со2-лЕазкры

с плазменными электродами 01.04.21 - лазерная физика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 1993

Работа выполнена в Институте общей физики РАН

Научный руководитель: доктор физ.-мат. наук Г.П.Кузьмин Официальные оппоненты: доктор физ.-мат. наук А.С.Бирюков (ИОФРАН)

кандидат физ.-мат. наук П.В.Короленко (НИШ® МГУ) Ведущая организация: ФИАН

_часов на заседании Специализированного совета К.003.49.02

Института общей физики РАН по адресу: 117942, Москва, ул.Вавилова,

Защита диссертации состоится

38.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИОФРАН.

Автореферат разослан

Ученый секретарь специализированного совета/кандидат физ.-мат. наук

Т.Б.Воляк

I. ОНЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации.

Среди многообразия существующих в настоящее время лазеров молекулярные лазеры, работающие в инфракрасной диапазоне, занимают особое место ввиду их высокого КЦД при достаточно большой мощности и энергии излучения. Этот фактор является решающим при постановке задачи технологического использования лазеров. Самым многообразным по своим модификациям является (Х^-лазер, который может успешно работать как в непрерывном, так и в импульсном режимах. Для широкого применения импульсных (Х^-лазеров в различных областях науки, технологии, медицине требуются достаточно простые и надежные конструкции, позволяющие получать лазерное излучения в широком диапазоне энергий и длительностей импульса.

Наиболее универсальными и надежными являются мощные импульсные СС^-лазеры с предионизацией электронным пучком, который создает в рабочем объеме электронную концентрацию Пв> 10"^ см-3 и обеспечивает несамостоятельный режим горения объемного разряда, накачивающего лазерную среду. В этом случае »южно изменять в широких пределах величину напряженности электрического поля, определяющую функцию распределения электронов по энергиям в газоразрядной плазме, и, следовательно, реализовать условия наиболее эффективного заселения верхних лазерных уровней. Но основным преимуществом несамостоятельного разряда является устойчивости и однородность его горения по сравнению о самостоятельным, что гэет возможность накачивать таким р .зрядом большие объемы лазерных сред высокого давления. Однако технологическое применение лазеров с предионизацией электронным пучком в некоторых слу-

чаях ограничено их большим весом, высоким напряжением (до 500 кВ на ускорителе) и необходимостью биологической защиты от тормозного рентгеновского излучения. Кроме того, вакуумный диод ускоритесь

ля требует постоянной откачки до 10 мм рт.ст. в довольно большом объеме. В некоторых условиях эти требования становятся невыполнимыми, что определяет необходимость поисков других способов создания мощных импульсных установок.

Помимо -электронных ускорителей в- системах для предионизации электроразрядных (Х^-лазеров могно использовать к другие источники ионизирующих излучений. Наиболее перспективными из них представляется различные виды сильноточных электрических разрядов, являющихся источником нэсткого УФ-излучення оольшой интенсивности. Однако основной вклад в ионизацию активной среда СС^-лазера дает излучение в области 120 ни, х'де закрытые источники малоэффективны из-за необходимости применения проходной оптики, а обычные открытые источники типа искровых трудно расположить оптимальным образом относительно рабочего объема лазера. Поэтому УФ источники излучения не могли заменить пучок ускоренных электронов в крупногабаритных лазерных установках.

В последнее время большой прогресс достигнут в развитии работ по инициированию объемных разрядов в (^-лазерах с помощью радиационных [£] и рентгеновских [2]] источников предионизации. Особенно впечатляющи результаты работ по организации объемных разрядов с применением метода динамического профилирования электрического поля в мекэлектродном зазоре крупноапертурного С02-лазера [з] , что позволило зажечь сильноточные объемные разряды в промежутках до 60 см. Однако каждый подход хорош в конкретной ситуации, и, к сожалению, не является универсальным.

Одним из эффективных источников излучения с повышенной ин-

тенсивностью в области вакуумного ультрафиолета является сколь--зящий по поверхности диэлектрика разряд [¿) .

Электрическое поле Е скользящего разряда распределено pes-ко-неравномерно с преобладанием нормальной составляющей к поверхности диэлектрика. Поэтому в электродной конфигурация скользящего разряда (рис. I) tforyr быть достигнут^ высокие »наченяя £ при умеренных амплитудах питаших высоковольтных импульсов.

При воздействии на систему электродов скользящего разряда высоковольтного импульса напряжения с амплитудой 10^-10® В и скоростью нарастания "ji-IO*2 В/с в разрядном промежутке складываются условия, характерные для наносёкундного пробоя окльно перенапряженных искровях промежутков. Напряженность электрнчеспОМ

г 2

поля в промежутке Мохёт усиливаться до 10 раз на ¡шсронеровнос-тях поверхности диэлектрика и электродов. При этом время равви-тия разряда становятся соизмеримым с временем протекания влеией^ тарных процессов в плазме, что приводит к отклонению от таунсей-довского и стрнмерйого механизмов и отсутствию канала разряда даже при протекании больших токов порядка 10® А.

В таких жесткйх режимах ток лидерной или иначе называемой незавершенней стадЬя может превышать ток последующего завершенного скользящего разряда, замыкающего разрядный промежуток, а ее излучение содержит интенсивную коротковолновую компоненту, простирающуюся вплоть до области мягкого рентгена. Это ивлучаийв создает свободные фотоэлектроны на расстояниях, значительно превышающих критические разсеры первичных лавин, что обуславливав* диффузную или многоканальную форму разряда (ржо. 2)¡ При импульсном напряженнг 50-200 кВ бйлл получены плазменннв поверхностй протяженностью до 200 см, яркостная температура которых монет достигать 6-Ю4 К [б] .

Спектральные свойства скользящего разряда [б] дают основания утверждать, что он может найти широкое применение в качестве открытого источника жесткого ультрафиолетового излучения, который в области 120-170 нм по удельным характеристикам превосходит традиционные искровые на порядок, а с учетом геометрического фактора ь 1000 раз .

Целью диссертационной работы являлось исследование возможности применения плазменных образований на основе скользящего по поверхности диэлектрика разряда для эффективной предиониза-ции и в качестве электродов в импульсных электроразрядных С02-лазерах.

В диссертации решена задача создания достаточно простых мощных импульсных С02~лазеров как с несамостоятельным, так и с самостоятельным разрядом, позволяющих получать лазерное излучение в широком диапазоне энергий и длительностей импульса и по удельным параметрам близких к ^-лазерам с предионизацией электронным пучком, а по простоте конструкции к СО^-лазерам с УФ предионизацией.

? В диссертации получены следующие наиболее существенные научные результаты:

1. Показано, что скользящий разряд по поверхности диэлектрика в качестве плазменного катода играет стабилизирующую роль при организации объемного сильноточного несамостоятельного разряда, определены особенности формирования несамостоятельного объемного разряда в азоте с плазменным электродом.

2. Создан электроразрядный С02-лазер с плазменным катодом, в котором впервые в электроразрядной схеме осуществлен режим несамостоятельного разряда с ионизационным размножением. При давлении 0,25 атм получены следующие результаты: энерговклад -

- до 340 Дж/л-атм, коэффициент усиления - 0,033 см-1, КПД -15 %.

3. Впервые в электроразрядном (Х^-лазере получены импульсы излучения длительностью до 100 мкс и показана перспективность их использования в медицинской практике при обработке твердых биологических тканей.

4. Создан простой мощный импульсный С02-лазор атмосферного давления с плазменными электродами по удельным параметрам близкий к (Х^-лазерам с предионизацвей электронным пучком. Основные параметры лазера: апертура 150 х 150 мм^, объем 18 л, энерговклад более 200 Дж/л-атм, КОД - 15?, расходимость -

- 7-кГ4 рад.

5. Экспериментально показано, что добавка пропилена (CgHg) в рабочую среду мощного импульсного СОз-лазера о плазменными электродами в количестве 0,1-0,5 тор стабилизирует объемный разряд за счет предотвращения образования в разряде кислорода и окислов азота, при этом возможен режим работы лазера с модулированной добротностью (насыщение поглощения C3Hg), Что приводит к укорочению лазерного импульса и получению гигаваттных мощностей излучения.

Основная новизна и практическая ценность полученных в диссертации результатов заключается в том, что применение скользящего разряда по поверхности диэлектрика в качестве электродов позволило организовать сильноточные объемные несамостоятельный и самостоятельный разряды в С02-лазерных смесях и создать достаточно простыв С02-лазеры способные заменить в практических применениях С02-лазеры с. предионизацией электронным пучком..

Результаты работы могут быть использованы:

1. При создании импульсно-пергодических (Х^-лазеров о длительностью импульса до 100 икс, с целью применения их в медицине (в частности для обработки твердых биотканей), для отжига полупроводников, в лазерной химии.

2. При -создании простых мощных импульсных С02-лазер9в с ; энергией в импульса до I килоджоуля и гигаваттной мощностью.

Апробация результатов: • Основше. результаты диссертационной работы опубликованы в работали, 13, 66-58, 60, 61, 66, 67, 69, 84, 102, 103, 108--III), а также докладывались на семинарах отдела Колебаний ИОФ РАН, в Институте электрофизики Уральского отделения РАН,4 г.Свердловск, в.Центре прогрессивных технологий, Индор, Индия, были представлены на 1У Всесоюзной конференции "Оптика лазеров',' Ленинград, 1984. г., 1У Всесоюзной конференции по физике газового разряда, Махачкала, 1988 г., У Всесоюзной конференции по физике газового разряда, 1990 г., Международной конференции по голографии и оптической зашей информации, Варна, Болгария, 1988 г., . 3 Rational conference "lasers and their application, Plovdiv, Bulgaria, 1998,. 4 and 5 Internetio»al school on quantum electro-nlce, Sunnjr Beach, Bulgaria, 1986, 1988, 16 International conference on Phenomena in Ionized Gases, Dueseldorf, 1983,

Структура и объемы работы:

Диссертационная работа состоит из введения, четырах глав, заключения я списка цитируемой литературы, содержащей III наименований. Общий объем диссертации 140 страниц, включая 35 ри-оунков и одну таблищг. В конце каждой главы кратко сформулированы основные результаты, изложенные в ней.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе рассмотрены некоторые особенности объемного разряда с плазменными электродами,-

В первом параграфе обсуждается специфика спектральных характеристик скользящего разряда, которые определяют перспективность применения протяженных плазменных образований, сформированных разрядом, в качестве электродов С02~лазвров. Отмечается стабилизирующая роль плазменных электродов за счет наличия собственного активного сопротивления плазмы скользящего разряда.

Во втором параграфе исследуются особенности несамостоятельного разряда с плазменным электродом в азоте.

*

Разряд исследовался в модельной системе, состоящей из металлического и плазменного электродов при различных полярностях напряжения на разрядном промежутке. В использованном диапазоне напряжений ударная ионизация в столбе разряда была пренебрежимо мала по сравнению с фотоионизацией и электронной рекомбинацией. В случае плазменного катода и металлического анода наблюдался линейный рост разрядного тока с ростом напряжения при неизменной временной форме импульса тока. В случае плазменного анода и металлического катода при малых напряжениях длительность тока была существенно меньше, с ростом напряжения длительность тока росла, приближаясь к случаю плазменного катода.

Различие в характере разрядов с металлическим и плазменным катодон объясняется высокой эмиссионной способностью последнего. Уменьшение тока разряда с плазменным катодом после окопченая импульса ионизирующего излучения определяется объемной рекомбинацией алектронов. В случае металлического катода длительность тока при низких межэлектродных напряжениях определяется фотоэмис-

сией с катода. Увеличение длительности тока о ростом напряжения объясняется ударным размножением электронов в формирующемся катодном слое.

Обоснована корректность измерения концентрации фотоэлектронов по току несамостоятельного разряда с плазменным катодой. Предложен метод определения эффективной константы рекомбинации электронов и скорости объемной фотоионизации излучением скользящего разряда.

Показано, что фотоионизация на расстояниях меньших I см от скользящего разряда в азоте при давлении 8 атм эквивалентна ионизации электронным пучком с плотностью тока в несколько тА/см2

ТО о

и позволяет получить концентрацию фотоэлектронов 2-10 см .

В третьем параграфе рассмотрены особенности Нормирования самостоятельного разряда в модельной системе из плазменного и металлического электродов при давлении 1,0 атм смеси С02: Л£=1:1. Измерялась вероятность формирования бездугового разряда в зависимости от полярности электродов и задержки между скользящим и объемным разрядами. Показано, что вероятность бездугового разряда вше в случае плазменного катода, причем формирование однородного объемного разряда в случае плазменного катода возможно при существенно больших задержках чем в случае металлического катода. Этот эффект объяснен тем, что при больших задержках ( > I мкс), когда фотоэмиссия из металлического катода несущественна, на стадии нарастания электрического поля в разрядном промежутке до начала лавинного размножения электронов^ дрейф фотоэлектронов при водит к образованию обедненного электронами прикатодного слоя, что препятствует формированию объемного самостоятельного разряда [¥} . В случае плазменного катода образование обедненного элект-

родами слоя невозможно из-за высокой эмиссионной способности катода.

Таким образом, дня формирования однородного само стоят ельно-го разряда использование плазменного жяявятщт предпочтительнее металлического.

Л глава посвящена исследованию возможности создания электроразрядного импульсного CQg-Jiaaepa о несаюсто ягельным разрядом с помощью применения в качестве катода скользящего по поверхности диэлектрика разряда (плазменного катода).

Задача фотоионизации С02-лазерной смеси повышенного давления сильно усложняется из-за поглощения жесткого УФ-излучзния молекулами (Х^. Энерговклад и плотность тока несамостоятельного объемного разряда в СХ^-лазерной смеси были в 20 раз меньше по сравнению с азотом.

Для увеличения начальной концентрации электронов в С©¿-лазерной смеси и инициировании таким образом мощного несамостоятельного объемного разряда можно использовать ударно-ионизационное размножение фотоэлектронов, создаваемых УО-излучением скользящего разряда, коротким (<-150 не) самостоятельным разрядом. По теоретическим оценкам такой способ предионизацил позволяет осуществить размножение фотоэлектронов до Ю4 раз {¥] .

В первом параграфе показано, как используя комбинированную предионизацию, включающую в себя плазменный катод, сформированный скользящим разрядом, и схему формирования короткого самостоятельного разряда можно создать электроразрядный С02-лазер, накачиваемый несамостоятельным разрядом (рис. 3).

Несамостоятельный объемный разряд " лазерная генерация в (Х^-лазере с ионизационным размножением электронов были получены при давлении рабочей смеси до 0,5 ати. Оптимальное давление

для достижения наибольшие энерговкладов и энергии генерации равнялось 0,25 атм. При этой давлении исследовалась зависимость энергетических параметров от состава смеси.

Максимальный полученный энерговклад равнялся 340 Дж/л-атм. Энергия, запасенная в конденоаторах системы предионизации не превышала 30* от максимального энерговклада в несамостоятельный объемный разряд.

При исследовании усилительных характеристик активной среды лазера показано, что коэффициент усиления достигает значения 0,033 Максимальная длительность импульсов усиления равнялась 0,5 мс.

Возможность обеспечения I электроразрядном СО^-лазере несамостоятельного режима ввода энергии в разряд открывает перспективы создания простых импульсно-периодических лазеров с коммутацией только по цепи предионизации. Очевидно, что в этом случае необходимо иметь диэлектрическую подложку о повышенным ресурсом работы. Таким требованиям может удовлетворять подножка из материала о хорошей теплопроводностью, малыми диэлектрическими потерями в сочетании с высокой электрический и механической прочностью.

Во втором параграфе представлены результаты сравнительных ресурсных испытаний подложек из стеклотекстолита, стекла, ситалла, окиси бериллия и ленточного сапфира. Однородное заполнение плазмой скользящего разряда поверхности диэлектрика на частоте 20 Гц удалось полз' ить лишь на подложках из веО и ленточного сапфира. При этом на ленточном сапфире, который имеется в наличии в виде пластин размером 80 х 6 см2, удалось достичь ресурса 5-10® импульсов при удельном энергевкладе до I Дж/см^, что на

порядок превышает удельный энерговклад, необходимый для успешного применения такой подложки в качестве предионизатора ж плазменного катода.

В третьем параграфе показано, что возможно инициирование несамостоятельного разряда с ионизационным размножением фотоэлектронов при повышенных давлениях ^-лазерной смеси вплоть до I атм.

При этом сохраняется 40$ от энергии лазерного импульса, имеющего место при давлении 0,26 атм, а длительность чмпульса генерации уменьшается на 30$. Снижение выходной энергия лазера в основном связано с уменьшением энерговклада за счет недормрядкж емкости несамостоятельного разряда.

Таким образом, применение скользящего по поверхности дашлек-трика разряда в качестве эффективного предионяаатор* СС^-лмарной смеси и плазменного катода, в сочетании с ионмацвдкным раа-множением начальной электронной концентрации позволяет оеуцеет-вить в электроразрядном лазере несамостолтвлыйй режим ГОреЯя основного объемного разряда при даменюг до I атм.

Одно из преимуществ электроразрадмх COj-íIállpOí о яевАшо-тоятельным разрядом - возможность получения ».пульса ганерДвЗК длительностью до 100 мхе. без переднего пичШ, хераятерпоЛ Мл электроразряднкх С^-лазеров с самостоятельмим раарддом (ptü.i). Такие длительности гтлпульсов открыт» ..ивы* •cltQftKOefX flJHKi» нения СО^-лазеров для обработки твердой CioíMfttf, я táoflftetl, для стоматологии.

В четвертом параграфе рассмотрены особ1нност1 О.Хемй i í»JVk плазменными электроламп. Показано, что в олучв» несамосГОЯтвЛь-ного разряда с ионизационным размножением пятамнв основного раз-

рядного промежутка должно осуществляться импульсно, т.к. статическое напряжение приводит к существенному изменению режимов работы плазменных электродов. Это приводит к необходимости вводить дополни!ельный коммутатор в цепь основного разряда.

Исследования несамостоятельного режима ввода энергии в разряд в случае двух плазменных электрэдов показали, что роль ионизационного размножения в этом случае особенно ощутима в области низких значений Е/р. При Е/р = 10 кВ/см-атм увеличение знерго-вклада при наличии ионизационного размножения происходит в 3 раза. Показано, что эффективность скользящего разряду как источника предионизации и как электрода^ повышается при использовании С02-лазерных смесей повышенного давления и с большим (до 20%) .содержанием С02 и Л^ .

В Ш главе1 рассмотрены шпросы формирования сильноточного объемного разряда в. С02-лазере с двумя плазменными электродами в случае самостоятельного тока основного разряда. В первом параграфе исследованы режимы работы лазера атмосферного давления с •межэлектродным зазором 70 мм. Плазменные электроды формировались путем зажигания скользящего разряда по поверхности стеклотекстолита. Размер плазменного листа на поверхности диэлектрика при этом дометал 70 х 340 мм2.

В случае самостоятельного разряда максимальный энерговклад в смесь с содержанием С02: :Не в соотношении 1:1:8 достигал 350. Лж/л-атм. Из зависимостей энерговклада в различные лазерные смеси.и ЩИ преобразования электрической энергии в энергию лазерного излучения от напряжения на первичной обмотке импульсного трансформатора (И = 35*45 кв, коэф.транс.= 3 ) видно , что наибольший КЦД достигается для смесей с "содержанием компонент С02: //г :Не в соотношении I : I : 3 и равен 15%. Ыакси-

мальный энергосъем превышает 25 Дж/л-атм. Объемный разряд и генерация излучения наблюдалась в широком диапазоне состава рабочих газовых смесей без гелия либо без азота. Плотности тока при этом лежат в интервале 5*-50 А/см2. Следует отметить однородность распределения плотности выходного излучения по сечению пучка, что является косвенным подтверждением однородности возбуждения активной среды лазера.

Были исследованы усилительные свойства такой системы. Коэффициент усиления слабого сигнала достигал максимального значения 0,041 см-"'' на газовой смеси с содержанием компонент СО2: /V? :Не в соотношении 2 : I : 7. На газоЕой смеси с отношением ко;~онент I : I : 3, на которой наблюдается наибольшая эффективность преобразования электрической энергии в энергию лазерного излучения, максимальный коэффициент усиления был равен 0,036 см~*.

Проведенные исследования позволили создать мощный иir. -льс-ный С02-лазер с сечением рабочего объема 150 х 150 мм2 и длиной плазменных электродов 800 мм (рис. 5). Описание этой установки дано во втором параграфе. Плазменные электроды создавались на подложке из фольгированного стеклотекстолита. Энергия, идущая на образование плазменных электродов, составляет-10*15$ от основного энерговклада.

При напряжении на электродах скользящего разряда 70 кВ, устойчивый объемный разряд удавалось осуществить на рабочей газовой смеси с соотношением компонент COg: Л^ :Не равным 1:1:5 при атмосферном давлении в течение 1,5 мкс. Энерговклад в газовый объем, вычисленный по вольтамперным характеристикам достегал V/ = 200 Дж/л-атм. Выходное излучение чмело однородное распределение интенсивности по сечению и достигало плотности 3 Дж/см2, что соответствует удельному энергосъему 30 Яд/л-атм при КПД 15%.

Плазменные электроды после I03 импульсов не утратили СЕоей работоспособности.

Таким образом, видно, что применение скользящего по поверхности диэлектрика разряда в качестве плазменных электродов может обеспечивать энергетические параметры С02-лазера, мало уступающие лазерам о првдионнзацией электронным пучком.

В третьем параграфе приведены исследования однородности активной средь широкоапэртурного СОз-лезера с плазменными электродами методом даухэкспозиционной гоЛографической интерферометрии.

Для изучения гаюдюшм/.ческих возмущений в широкоапертур-ном СО^-лазера была иоследована лазерная кювета с окнами диаметром 180 мм. Были рассмотрела две сйтуации, а именно, когда возмущения распространяются без основного разряда, только от плазменных элехтродо», а также в случае наличия основного объемного разряда. В случае инициирования ооновного объемного разряда ударная волна, формирующаяся » йрК1лв1ст родной области, охватывает слой rata толакяой ~ 2 мм и двйжетоя о начальными скоростями ~2 км/с, которые sa время порядка 6t7 мкс снижаются до уровня ~1 км/с. Икт«рференционно-гоЛографичеокал методика позволяет не только лухвть проотранств9нно-1р«м9нную эволюцию приэлект-роддаос ударюх волн, но ж дан еозМо|иооТь сделать вывод о высокой степени однородности актщрноЙ epMJt шйрокоапертурного С02-лшверй и платанными влвктродамя во Йремй генерации лазерного импульса.

В четвертом параграфе кратко пДОМДбЙН' Параметры С02-лазе-ра с плазменными электродами в сЛуЧ44 НбсНОАльного резонатора. Раеходжмост» «алучения составила 7-Ю-* рйАЛСКА.

Пятый Параграф третьей главы соД»ДО#Т результаты «сследова-

вий влияния добавок шалого количества пропалена на устойчивость объемного разряда в широкоапертурном СС^-лазере о плазменными электродами. В случае применения плазменных электродов в плазме скользящего разряда происходит образование 02 и СО, а таете /Л> и . А/о и //^сильно электроотрицательные молекулы, по-

этому их присутствие в прикатодной области уменьшает предельные энерговклады, длительность объемной фазы существовария разряда, ухудшает стабильность разряда. Проведенные спектральный исследования показали, что добавки малого (0,1+0,5 Тор) количества пропилена (СдН£) в лазерную смесь препятствует образованию кислорода и электроотрицательных окислов азота (рис. 6). Это приводит к заметному (2+3 раза) увеличению ресурса работы лазера, а также позволяет работать на смесях с большим содержанием углекислоты (соотношение компонент С02: :Не = 1:1:3). Добавка пропилена позволяет также осуществить режим модулированной добротности и получать гигаваттные мощности излучения (рис. 7).

В Главе IУ рассмотрены перспективы применения СО^лазеров с плазменными электродами в медицине и физическом эксперименте.

В первом параграфе изложены материалы исследований по оптимизации параметров лазерного импульса для воздействия на твердые биоткани. Показано, что существует оптимум по плотности энергии и длительности лазерного импульса.

Увеличение мощности лазерного импульса вше необходимой инициирует оптический пробой газа на поверхности, что приводит к поглощению и отражению лазерного излучения и снижению эффективности воздействия. Это требует увеличения длительности импульса для подвода к твердой ткани неосходишй энергии при'пониженной мощности. С другой стороны, чрезмерное увеличение длительности импульса приводит к нежелательному перегреву биотка-

ни и к необратимому отмиранию тканей, т.е. к некрозу. Исходя из этих соображений определена область оптимальных длительностей - 25-!- 100 мкс. Таким образом, созданный нами импульсный С02 \ -лазер с плазменным катодом является оптимальным прибором для обработки твердых биотканей.

Во втором параграфе обсуждаются возможные применения электроразрядного широкоапергурного лазера с плазменными электродами для формирования протяженных плазменных образований в воздухе. Показано, что при использовании нестабильного резонатора и с добавками пропилена в активную среду С02~лазера возможно получение длинных искр длиной до 18 м при умеренных энергиях в импульсе - ' порядка 120 Л». .

В Заключении сформулированы основные результаты работы.

• I. Применение скользящего разряда по поверхности диэлектрика в качестве плазменного катода играет стабилизирующую роль при организации объемного сильноточного несамостоятельного разила« Определены особенности формирования несамостоятельного объемного разряда в азоте с плазменным электродом.

2. Создан электроразрядный С02-лязер с плазменным катодом, в котором впервые в электроразрядной схеме осуществлен режим несамостоятельного разряда с ионизационным размножением. При давлении 0,25 атм достигнута следующие параметры: энерговклад - до 340 Дж/ж-атм, энергосъеы - до 48 Дж/л-атм, коэффициент усиления-0,033 см-1, КПД - 152!.

3.Впервие в ?лекггроразрядном С02-лазере получены импульсы

. излучения длительностью до 100 мкс и показана перспективность их использования в медицинской практике при обработке твердых биологических тканей.

4. Создан простой мощный импульсный С02-лазер атмосферного давления с плазменными электродами по удельным параметрам близкий к ^-лазерам с предионизацией электронным пучком. Основные параметры лазера: апертура 150 х 150 мм2, объем - 18 л, энерговклад - более 200 Дк/л-атм, КПД - 1Ъ%.

5. Экспериментально показано, что добаЕка пропилена (CgHg) в рабочую смесь мощного импульсного СО^-лазерр с плазменными электродами в количестве 0,1-0,5 тор препятствует образованию в разряде кислорода и окислов азота, что оказывает .счбшхизирующее действие и позволяет работать на смесях с содержанием С02 20% и более. Наличие у пропилена поглощения в области 10 мкм приводит

к эффекту насыщения поглощения и реализации режима модуляции доб-. ротности, что позволяет получать в таком лазере импульсы излучения длительностью 50 нсек с энергией 120 Дж.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. С.И.Андреев, П.А.Атанасов, П.П.Брънзалов, ШВ.Карлов, А.В.Кис-лецов, И.О.Ковалев, Г.П.Кузьмин, О.А.Левченко, А.А.Нестеренко. Особенности формирования объемного разряда с плазменными электродами. Журнал технической физики, 1990 г., том,60, вып. I. стр. 102-106.

2. P.A.Atanasov, S.G.Vaailev, I.O.Kovalev, Q.P.Kuzmin, A.A.Heste-генко, B.O.Zykria. .Va experimental investigation of a plasma cathode COg-laser at high pressure. J, Phys. E: Sci. Instrument, 1988, v. 21, p. 1071-1073.

3. P.A.Atanasov, S.G.Vasilev, I.O.Kovalev, G.P.Kuznia, A.A.Heete-renko, An investigation of the efficieacy of a sliding discharge as a source of preionisation and a plasma cathode in high-pressure COg-lasers. J. Phys. D: Appl. Phys., 1968, v. 21, p. 175C-1754.

4. И.О.Ковалев, А.В.Кораблев, Г.П.Кузьмин. Электроразрадшй импульсный С02-лазер с несамостоятельным разрядом. ПТЭ; JS 4, 1991, с. 241-242. . 5.. Г.А.Еременко, Д.Ю.Зарослов, Н.В.Карлов, И.О.Ковалев, Г.П.Кузьмин, А.М.Прохоров. Несамостоятельный разряд в С02-лазере с плазме наш катодом. Квантовая электроника, 1983, т. 10, А 7, .с. I5I7-I5I9, •

6. Г.В.Еременко, Д.Ю.Зарослов, Н.В.Карлов, И.О.Ковалев, Г.П.Кузьмин, А.М.Прохоров. Несамостоятельный разряд в С02-ла-

sepe с плазменным катодом. Всесоюзное совещание по физике влектрического пробоя газов, Махачкала, 1982, с. II.

7. П.А.Атанасов,' П.П.Брънзалов, И.Н.Иотов, Е.К.Карлова, И.О. Ковалев, Г.П.Кузьмин, А.А.Нестеренко. Исследования эффективности предионизашш плазменными влектродами в С02-лазерах. •Краткие сообщения по физике, 1987, № 7, с.27-29.

8. P.a.Atanasor, I.Jf.IotOv, I.O.Kovalev, G.P.Kuzmin. Measeure-meatn of the Electron Density Produced by Sliding Discharge.

4 School on Quantum Electronics, 1986, Bulgaria, p.4«

9. П.А.Атанасов, В.П.Голубченко, Н.1.Карлов, И.О.Ковалев, Г.П. Кузьмин, А.М.Прохоров. Особенности формирования сильноточного объемного разряда в СО^-лазере с плазменными электродами. Письма в ЖГФ, 1987, т. II, вып.13, с. 786-790.

10. П.А.Атанасов, Д.Ю.Зарослов, Н.В.Карлов, И.О.Ковалев, Г.П. Кузьмин, А.М.Прохоров. С02-лазер с плазменными электродами.

Письма в ЕТФ„ 1983, т. 9.J6I5, с. 928-932.

11. В.П.Горкозский, Н.В.Карлов, И.О.Ковалев, Б.Ы.Ковальчук, Г.П.Кузьмин, Г.А.Месяц, А.М.Прохоров. Мощный импульсный COg-лазер с плазменными электродами. Квантовая электроника, 1984,

T.II, № 9, е.. 1867-1869.

12. И.О.Ковалев, Г.П.Кузьмин. Электроразрядный импульсный COg-лазер с плазменными электродами. ПГЭ, 1990, * I, с. 247-248.

13. А.В.Кислецов, И.О.Ковалев, А.В.Кораблев, Г.П.Кузьмин, А.М.Прохоров. Влияние добавок пропилена на работу широкоапер-

турного С02-лазера с плазменными электродами. Письма в ЖГФ, 1990, т. 16, № 10, с. 11-15.

14. И.О.Ковалев, А.В.Кораблев, Г.П.Кузьмин, А.М.Прохоров, Г.Р. Токер. Голографическая интерферометрия приэлектродных ударных волн в активном объеме широкоапертурного С02-лаэера с плазменными электродами. Известия Сибирского отделения АН СССР, серия технических наук, 1990, вып. 4, с. 65-68.

15. И.О.Ковалев, А.В.Кораблев, Г.П.Кузьмин, А.М.Прохоров, Г.Р. Токер. Оптическая однородность активной среды широкоапертурного С02-лазера с плазменными электродами. Письма в 2ТФ, 198у,

т. 15, вып. 9, с. 17-20.

16. M.T.Alekeaadrov, I.O.Kovalev, A.V.KoraMev, G.P.Kuzui», A.M. Prokhorov, G.R.loker. Perspectives for Applicatio» of Pulsed Ha-diation Generated by COg-laser with Plasma Electrodes for Treat-meat of Hard Biological Tissues. Laser Physics, 1992, v.2, »«3, p. 368-371,

17. Л.М.Василяк, С.П.Ветчинкин, И.О.Ковалев, Г.П.Кузьмин, Д.Н.Поляков, А.М.Прохоров. Формирование длинных лазерных искр в воздухе импульсным С02-лазером. Письма в ЖТФ, 1990, т. 16, вып. 18, с. 1-4. Цитируемая литература:

I. А.'.Беляцкий, Д.В.Гуревич, М.А.Канатьjkd, И.В.Подиошенскгй, Получение объемного разряда в условиях радиационной пред-

ионизации газа. Письма в 2ГГФ, 1980, т.6, № 2, с.73-7 .

2. С.А.Генкин, Н.В.Карлов, К.А.Клименко, Ю.Д.Королев, Г.П. Кузьмин, Г.А.Месяц, Ю.Н.Новоселов, А.М.Прохоров. Применение мягкого рентгеновского .излучения для инициирования самостоятельного объемного разряда в больших межэлектродных конструкциях. Письма в ЖТФ, 1984, т. 10, в. II, е.- 642-644.

3. В.В.Аполлонов, Г.Г.Байцур, А.М.Прохоров, С.К.Семенов, К.С. Фирсов, Динамическое профилирование электрического поля при формировании объемного самостоятельного разряда в условиях интенсивное ионизации приэлектродных областей. Квантовая влектроника, 1987, т. 14, А II, с.2218-2220.

4. С.И.Андреев, И.М.Белоусс а, П.Н.Дашук, Д.Ю.Зарослов, Б.А. Зобов, Н.В.Карлов, Г.П.Кузьмин, С.М.Никифоров, А.М.Прохоров, А.Н.'Сидоров, Д.Л.Челноков, М.Д.Ярышева. С02-лазер, инициируемый скользящим разрядом. Письма в ЖЗГФ, 1975, т. 21, вып. 7, с. 424-426.

5. С.Н.Андреев, И.Ы.Белоусова, Н.П.Дашук, Д.Ю.Зарослов, Е.А. Зобов, Н.В.Карлов, Г.П.Кузьмин ДМ.Никифоров, А.М.Прохоров. Плазмолисговой С02-лазер. Квантояая влектроника, 1976, т.З, * 8, с. I721-1726.

6. Д.Ю.Зарослов, Н,В,Карлов, Г.П.Кузьмин, С.МЛикифоров, Спектральные характеристики источников предионизации С02-лазеров в области вакуумного ультрафиолета. Квантовая электроника, 1978; т. 5, вып. 6, с. I22I-I229.

7. Д.Ю.Зарослог Н.В.Карлов, Г.П.Кузьмин, Д.МакКен. Об использовании скользящего разряда для предоинизации газов в газоразрядном лазере. Квантовая влектроника, т. 5, Л 8, 1978, с. 1843-1847.

8. J.I.levatter, S.-С.Lin. Necessary conditions for the homogeneous formation of pulsed avalanche discharges at high gas pressures. J.Appl.Phys., 1980, v. 51, ». 1, p. 210-222.

Э. Г.А.Месяц, Ю.И.Бычков, В.В.Кремнев, Ю.Д.Королев, В.А.Кубра-тов, В.В.Савин. Объемный разряд, возбуждаемый коротким электронным пучком, в газе при высоком .давлении. Институт оптики атмосферы СОШ СССР, г.Томск, Препринт >' 3, 1972.

Рис.1 алектродная конфигурации скользящего по поверхности диэлектрика разряда..

1.- инициирующий электрод.

2.- диэлектрическая подложка:.

3.- металлическая подложка.

г. О/.

Рис. 2 Скользящий,л<? пааерйк;ти диэлектрика разряд (плазменный электрод).

4 : -. ЙО

1ТК А

Ркс. 3 Электрическая схема СОр-лазера с плазмеккш катодом к несашстояталышл разрядом.

Р, отн. ед.

¡Г ч 6

а / в

-в»

Т.мкс

Рис. 4 Огчилограммы импульсов генерации дяя смесей постава СО^АдгНг = 1:3:1 (а), .1:9:10 (б), и 1:19:20 (в). Одна деление соответствует 5 мкп (а), 10 икс (б,я).

Рис. 5 Электрическая схема мощного импульсного С02-лазера атмосферного давления с плазменным; электродами апертурой 150x150 мм2..

-Я-

.5 3 1 | • . -т~н но, а

п--7Ж '.......1-±--£-«---

100си~

Рис.6, а - Спектр поглощения С02-лазерной смеси Ш2:/^:Не -1:1:3, р = 1атм, обработанной электрическим разрядом. . _ б - Спектр поглощения С02-лазерной смеси С02:^:ме -1:1:3, р = 1атм с добавкой пропилена 1С3Н6) после обработки« электрическим разрлдом.

"оТх оТг оТз оТ4

■Г"'"1"

Т> жсек

о;1 072 й',3 й',4 (ДЬ—----- -

Т.ыксек

РисЛ Осциллограммы импульсов излучения.

а. Смесь С09:/£йе = 1:1:5 •

б. Смесь 1:1:5. 1:1:3 с добавкой 0,5 тор С3Н6

2