Импульсные открытые разряды и их применение для создания активных сред лазеров тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК. СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ОПТИКИ АТМОСФЕРЫ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РФ ПО ВЫСШЕЙ ШКОЛЕ Р Г 8 ОД ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

1 1 НОЯ 1996

На правах рукописи

Гриднев Александр Глебович

ИМПУЛЬСНЫЕ ОТКРЫТЫЕ РАЗРЯДЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ СОЗДАНИЯ АКТИВНЫХ СРЕД ЛАЗЕРОВ.

( Специальность 01.04.05 -оптика)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физикс-математаческих. наук

Томск-1996

Работа выполнена в Сибирском физико-техническом институте имени академика В.Д. Кузнецова при Томском государственном университете и в Институте оптики атмосферы СО РАН

Научные руководители: кандидат физико-математических наук,

доцент[и.Ы. Мдфавьев) доктор технических наук Г.С. Евтушенко

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Бохан Петр Артемьевич кандидат физико-математических наук Бокова Нина Александровна

Ведущая организация : Институт сильноточной электроники СО РАН

Защита состоится 1996 г. в /7 ' _час. на заседании

диссертационного Совета К 063.53.03 по присуждению ученой степени кандидата физико-математических наук при Томском государственном университете по адресу: 634010,г. Томск, пр. Ленина 36, ауд.

С диссертацией можно ознакомится в Научной библиотеке Томского государственного университета

Автореферат разослан 11 октября _ 1996 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета,

кандидат физико-математических наук Г.М. Дейкова

-Л-

ВВЕЩЕНИЕ

В работе открытым называется такой разряд, который не ограничен стенками, либо ограничен ими лишь частично, так что имеется путь для движения нагретой в разряде плазмы и для выхода излучения. Исследуемые в работе импульсные открытые разряды по энергетике занимают промежуточное положение: в спектре, наряду со сплошным хорошо проявляется линейчатое излучение. Плотность энергии в них значительно выше, чем в [1] и почти всегда достаточна для приведения разрядной плазмы в движение со сверхзвуковыми скоростями, но недостаточна для генерации мощной ионизирующей ударной волны как, например, в [2].

Импульсный открытый разряд средней энергии способен производить три сильно отличающиеся по свойствам вида плазмы:

1. Плазма, созданная и нагретая в разрядном канале, вытекающая затем при расширении в окружающее разрядный шнур пространство. При высокой скорости плазменного потока значительный запас энергии может быть сосредоточен в энергии направленного движения. При торможении потока нагрев плазмы будет идти через тяжелую компоненту плазмы, в отличие от газового разряда и оптического пробоя. Лазеры, использующие быстро расширяющуюся плазму в качестве активной среды, получили название плазмодинамических. По аналогии с газодинамическими, от таких лазеров ожидалось получение высоких энергетических параметров генерации. Исследованию и применению таких систем в квантовой электронике мешала неразработанность источников плазменных струй достаточной протяженности и удобных в работе. (Первые сообщения о получении инверсии в плазменных струях появились в 1965-1966 годах, а генерации в 1976-1977 годах - см. разд.1.1, 1.3).

2. Фоторезонансная плазма, возникшая при облучении среды, окружающей разрядную плазму резонансным линейчатым излучением разряда. Резонансным в работе называется излучение, которое может поглощаться атомами не только в основном, но и в возбужденных состояниях [3]. Фоторезонансная плазма изучается уже достаточно давно (обзор приведен в разд.1.2) хотя степень ее изученности по сравнению с газовым разрядом невелика. Поступление энергии в такую плазму идет, в основном через связанные состояния атомов, ионов и молекул, а свободные электроны приобретают энергию уже от них, в девозбуждающих

столкновениях. В работах, рассмотренных в разд.1.2 и 1.3, предлагается ее использование в качестве средства для предыонизации лазеров высокого давления. Однако работ, где такая плазма предлагается в качестве самой активной среды, очень мало. Свойства фоторезонансной плазмы как активной среды (особенности спектра излучения и т.д.), особенно созданной импульсными газоразрядными источниками, исследованы явно недостаточно. 3. Обычная плазма импульсного газового разряда. В работе рассматривается только для сравнения с двумя другими видами плазмы, там где в этом есть необходимость.

Первые результаты работы явились основой для заключения и выполнения НИР согласно постановлению ГКНТ СССР N 281 от 22.6.1978 г. В последующем работа выполнялась в рамках программы N 4 СО РАН по квантовой электронике и была поддержана грантом Международного научного фонда Сороса N ЛЖ-100.

Цель настоящей работы: изучить закономерности формирования плазмы, производимой импульсными открытыми разрядами средней энергии и возможности использования етой плазмы для создания активных сред лазеров.

Из цели работы вытекает необходимость решения следующих самостоятельных задач:

Создать удобные [й способные работать в отпаяном виде) газоразрядные устройства, формирующие протяженные (100-500 мм и более) струи разлетающейся плазмы и фоторезонансную плазму.

2. Выяснить характер излучения фоторезонансной плазмы инертных газов, образующейся при облучении газовой среды в камере излучением разрядного канала.

3. Измерить концентрацию электронов фоторезонансной плазмы и импульсной плазменной струи.

4. Измерить параметры разлета импульсных плазменных струй.

5. Исследовать возможности создания активных сред лазеров ИК-диапазона спектра на переходах инертных газов, используя плазму, производимую открытым разрядом.

Научная новизна. Проведенные исследования открытого импульсного разряда средней энергии позволили впервые:

1. Получить протяженные импульсно-периодические плазменные струи, провести исследования их структуры и характеристик. Обнаружить пространственную периодическую структуру выброса

протяженной плазменной струи в направлении вдоль оси разрядной трубки.

2. Обнаружить немонотонное распределение концентрации электронов протяженной плазменной струи вдоль направления разлета.

3. Установить из простой теоретической модели, что адиабатическое расширение равновесной плотней плазмы приводит к уменьшению скорости трехчастичной рекомбинации.

4. Определить, что до начала истечения плазменной струи в камере

15 -%

разлета формируется плотная (2-5*10 см - ; фоторезонансная плазма.

5. Изучить закономерности спонтанного излучения импульсной фоторезонансной плазмы, генерируемой открытыми разрядами и отличие высвечивания такой плазмы от высвечивания разрядной плазмы и плазмы в разлетающейся струе.

6. Показать, что фоторезонансная плазма может сдукить активной средой ИК-лазеров на перегодах инертных газов (получена генерация на десяти переходах атомов неона, аргона, криптона и ксенона; причем на длине волан 1,45 мкм, переход 5(1 [3/2]? -4р[1/21 неона впеовые)

с

7. Обнаружить, что дополнительная резонансная подсветка активной среды кэ основе фоторезонанснс-й гелий-ксеноновой плазмы существенно улучшает параметры генерации на линии 2,03 мкм атома ксенона.

Положения, выносимые на защиту:

1.Созданные импульсные газоразрядные устройства с открытым разрядом средней энергии обеспечивают формирование протяженных струй разлетающейся плазмы инертных газов и фоторезонансной плазмы в пироном интервале давлений (от десятков да. рт. ст. до полутора атмосфер).

2. Разлет импульсных протяженных плазменных струй осуществляется е неустановившемся режиме; в зависимости от разрядных условий он может быть к сверхзвуковым. Разлету предшествует формирование фоторезонансной плазмы под действием резонансного излучения разрядного канала.

3. Адиабатическое расширение плотной равновесной низкотемпературной плазмы в газовой среде приводит к уменьшению скорости трехчастичной рекомбинации.

4. Активныгш лазерными средами созданных газоразрядных устройств

с разлетающейся плазмой на основе импульсных открытых разрядов средней энергии являются:

а. плазма разрядного канала в период действия импульса тока

б. ионизованная газовая среда (фоторезонансная плазма), освежаемая резонансным излучением открытого разряда в период действия импульса тока.

в. рекомбинирующие фоторезонансная и разлетные плазмы - после импульса тока.

В сравнимых условиях лазерная активная среда на основе фоторезонансной Не-Хе плазмы обеспечивает большие мощность и длительность генерации, стабильность и воспроизводимость параметров, чем среда на осноЕе плазмы разрядного канала. Научно-практическое значение работы:

~ Созданы отпаяные импульсные газоразрядные устройства, генерирующие протяженные плазменные струи и фоторезонансную плазму в широком интервале разрядных условий.

2. На основе созданных газоразрядных устройств изготовлены макеты ИК-лазероЕ среднего и высокого давлений, отличающиеся простотой и надекностью в работе, в широком диапазоне длин волн. Определены оптимальные разрядные условия их работы. Апробация результатов работы.

Материалы диссертационной работы доложены на конференциях: 1.X Сибирское совещание по спектроскопии "Инверсная заселенность и генерация на переходах в атомах и молекулах",г.Томск, 1981г.

£. Всесоюзное совещание "Инверсная заселенность и генерация на переходах в атомах и молекулах" г.Томск, 1986 г.

3. V Всесоюзная конференция по физике газового разряда, г.Омск, 1990 г.

4. Международная конференция "Импульсные лазеры на переходах атомов и молекул", ИЛПА.Ы - 92 г.Томск, 1992 г.

5. Международная конференция " Импульсные лазеры на переходах атомов и молекул", ИЛПАМ -95, г.Томск, 1995 г.

Диссертационная работа в целом доложена и обсуждена на объединенном семинаре "Газовые и плазменные лазеры " под руководством профессора, д.ф.-м.н. Тарасенкс- Е.Ф., 1996 г., г. Томск.

Структура и краткое содержание работы.

Диссертация состоит из «ведения, четырех глав к заключения. Имеется приложение. В рабств 201 страница, включая 56 рисунков, и список литерзтуры, в котором 114- наименований.

Во введении соасноЕана актуальность работа и ее место в лазерных и плазменных исследованиях, отмечено, в каких случаях результаты работы могут быть лодезяк исследователям газовых и плазменных лазеров других разновидностей. Сформулирована цель диссертэционой работы, показана научная новизна полученных результатов. Перечислены завдзаекые положения. Приведено краткое списание содержания работы.

В первой главе содержится обзор работ выполненных, как до первой публикации по настоящей работе, так и во время ее выполнения. Первые предложения по использованию плазменных струй в качестве активной среды лазеров появились в 1966-1967 годах; 0ВЛ1 сформулирован}! теоретические предпосылки, получена инверсия заселенностей. Однако, получению и исследовании лазерной генерации мекала неприспособленность галеюидехся газоразрядных источников плазменных струй к потребностям лазерной техники :т слабая их изученность. 5 связи с этим первое сообщение о получении генерации на расширяющейся струе газоразрядной плазмы было спуСликовано только в 19Г? {Campbell с соавторами.! году. Первые работы автора, описываю'цпе основные процессы е протяженных плазменных струях были опубликованы в 1?81-*Э82 годах. В это :ке время сыли опубликованы сооодения И.И. Муравьева (.руководитель автора) с сотрудниками о получении лазерной генерации в источниках такого типа. Сообщения об удобных источниках струй плазмы паров металлов и о работе лазеров на их основе были опублжовакы Сплфаетом с сотрудниками в 1950 -19В2 годах. Лазеры на источниках плазмы, как у группы Сил-даста изучались также в работах сотрудников Института обсей физики АЯ СССР. Б главе рассмотрены источник:: пла?менш;х струй других авторов, в тем числе и использованные дли получения лазерной генерации. Описаны работы по изучению фотоплазмы, имеетке ва:таое значение для понимания механизмов, дейотБуюдих в открытых разрядах и в средах, окрукзкнцис расширяющуюся плазму таких разрядов. Коротко оезецены монографии к отдельные статьи по источникам плазма эрозионного типа, Н-прижатый разряд,

сильноточнке открытые разряды, используемые для оптической накачки лазеров, и другие, могущие быть полезных® для понимания свойств открытых, разрядов и разлетающейся плазмы. В работах Чеботаевз с сотр. показано, что резонансная дополнительная подсЕетка стационарной газоразрядной плазмы импульсными газоразрядными лампами способна улучшать параметры активных сред на основе смеси неона с гелием. В конце главы сделан вывод о недостаточной изученности импульсных открытых разрядов средней энергии, способных работать в стпаяном режиме, об отсутствии на момент начала работы удобных отпаякых источников протяженных импульсных струй плазмы, о перспективности использования таких разрядов для создания активных сред лазеров.

Во второй главе рассмотрены требования к источникам открытых разрядов с точки зрения их пригодности для экспериментов по созданию активных сред на их основе: способность к работе в отпаяном режиме, длина активной среды (струи плазмы, фоторезонанскэй плазмы) в пределах 10-100 см, давление газового наполнения до 1-1,5 атм, напряжение пробоя не выше 25-30 кЗ, технологичность в изготовлении, способность к работе с частотой повторения хотя бы от одного до нескольких Гц. На рис.1 изображено газоразрядное устройство (ГРУ) типа трубка-щель-камера хорошо приспособленное для исследования свойств полученной в кем активной среды. Оно состоит из керамической разрядной трубки 1 с прорезанной в ней продольной щелью 2 и электродами 4. Трубка 1 помещена в кварцевую камеру, наполняемую исследуемой газовой смесью. К одному из электродов подключен остеклованный молибденовый стержень 5, служащий для локализации разрядного шнура в керамической трубке. Торцы кварцевой камеры ГРУ закрыты окнами оптического качества. На основании изучения импульсов излучения спектральных линий из разрядной трубки и из камеры показано, что разрядный ток локализован в трубке и в камере не протекает. ГРУ рассмотренного типа генерирует длинные плазменные струи в широком интервале давлений от десятков до нескольких сотен торр. После возникновения тока спустя время задержки из щели в камеру начинает Еытекать плазменная струя. Длительность задержки зависит от разрядных условий и достигает 10-20 мкс. В это время под действием мощного резонансного излучения импульсного разряда в камере ГРУ возникает и

развивается фоторезонансная плазма.

Другой простой источник импульсного открытого разряда использовался при повышенных давлениях (до 1,5 атм). Он представлял из себя кварцевую трубу, внутри которой, на стенке лежали стерженьки-электроды. Снаружи, по линии соединяющей электроды приклеена полоска фольги, облегчающая пробой и задающая путь разрядного шнура (разрядный шнур локализован у стенки по линии соединяющей электроды). Полоска электрически подключена к одному из электродов.

В работе описаны другие изучавшиеся в ней источники плазмы.

Схемы формирования импульсов высокого напряжения, подаваемых на электроды разрядной трубки, основаны на разряде накопительной емкости (0,1-2,5 мкФ) через коммутатор. В качестве коммутаторов использованы трехэлектродные воздушные разрядники (в некоторых экспериментах- тиратроны ТГИ1-1000/25)• Осциллограмма разрядного тока ( амплитуда - в пределах 1-10 кА) представляла из себя затухающую синусоиду из 3-4 полупериодов.

В главе описана аппаратура, использованная для исследования импульсной плазмы, такая как скоростные фэторегистраторы СФР и ВФУ, электронно-оптическая лупа времени ЛВ-03, спектральные приборы, осциллографы, ФЭУ, фотосопротивления, шунты, пояса Роговского, делители напряжения. Приведены особенности работы с фоторегистрирующей аппаратурой, дан анализ основных ошибок измерений.

В третьей главе приводятся результаты исследования разлетающихся струй плазмы и фоторезонансной плазмы, порождаемых открытым разрядом в газоразрядных приборах типа изображенных на рис. 1. Съемка плазмы в режиме лупы времени (т.е. в многокадровом режиме), проведенная и сбоку и с торца газоразрядного прибора с частотой 500000 кадров/с на приборах СФР и ВФУ-1 показала, что:

1. во время развития разряда в трубке свечения в камере не наблюдается в течение некоторого времени задержки до начала выброса разрядной плазмы из трубки через щель в камеру;

2. выброс плазмы имеет характерную периодическую продольную структуру;

3. перед фронтом плазмы видно слабое свечение ударной волны;

4. при наблюдении с торца факел плазмы имеет характерный

грибообразный вид;

Давая общее представление об исследуемом объекте, съемка в режиме лупы времени не позволяет наблюдать многие характерные особенности и производить количественные измерения, как фоторазвертка.

Съемка плазмы в камере в режиме фоторазвертки производилась не с торца прибора, а сбоку, через кварцевую стенку камеры. В это же время свечение разрядной трубки через торцевое окно газоразрядного прибора зеркалами направлялось на щель фоторегистратора (СФР или ВФУ-1). Получены следующие результаты (рис. 2):

1. задержка между началом разряда и началом выброса плазмы зависит от условий разряда и составляет 8-20 мкс;

2. после появления из щели "плоская" плазменная струя ускоряется в течении 0,5-0,8 мкс; начальная скорость струи около 3 км/с;

3. после ускорения до скорости 10-12 км/с следует стадия "инерциального" разлета с примерно постоянной скоростью;

4. после излома траектории (скачок уплотнения) яркость свечения плазмы резко возрастает; от точки излома траектории внутрь струи против течения начинает распространяться волна разрежения с необычно резко очерчеными границзми;

5. спустя 3 мкс после скачка уплотнения струя движется с немного падающей скоростью, затем вблизи стенки испытывает отражение и начинает обратное движение, проходя за срез щели, доходит до противоположной стенки плазменной камеры, яркость свечения струи еще более увеличивается при отражении;

6.спустя 8-9 мкс после начала истечения плазмы из щели начинается второй выброс плазмы вызванный вторым полупериодом разрядного тока; скорость фронта этого выброса составляет 1,4 км/с.

При прохождении разрядного тока в трубке ( когда выброса плазмы еще нет) среда в камере облучается мощным резонансным излучением импульсного разряда через щель в керамической разрядной трубке. В камере вследствие етого образуется фоторезонансная плазма (см. [3]). На рис. 2 этой ситуации соответствует промежуток времени от начала импульса тока в трубке до примерно восьмой микросекунды. Спонтанное излучение фоторезонансной плазмы (оно примерно на порядок слабее излучения

плазменной струи) регистрировалось нами с помощью монохроматора и ФЭУ (при измерении концентрации электронов- с помощью электронно- оптической лупы Бремени ЛВ-03). На щель монохроматора собиралось свечение со всего объема камеры. Для сравнения регистрировалось свечение разряда в трубке. Получены следующие результаты:

1. Форма импульсов свечения спектральных линий в камере радикально отличается от формы импульсов свечения тех же линий в разрядной трубке.

2. При высоких давлениях не обнаружено свечения вызванного токами паразитных емкостных разрядов; характер осциллограмм позволяет исключить этот фактор. Осциллограммы излучения в камере имеют разный вид в разных условиях для разных спектральных линий, а в разрядной трубке вид осциллограмм импульсов излучения под действием тока стандартный (рис.3 и 3-1)-

3. Наблюдается запаздывание развития фронта свечения спектральных линии (на 2-3 мкс), которое согласуется по порядку величины со временем распространения резонансного излучения на расстояние 1 см.

4. Форма осциллограмм свечения фоторезонансной плазмы для спектральных линий гелия и ксенона различаются.

В результате исследований можно представить следующую картину развития открытого импульсного разряда типа "разрядная трубка-щель-камера":

а. В трубке возникает импульсный разряд, облучающий резонансным излучением газовую среду в камере;

б. вследствии облучения, с задержкой 2-3 мкс относительно начала разряда в трубке, в камере возникает фоторезонансная плазма;

в. фоторезонансная плазма развивается, существует и рекомбинирует в течение времени (8-20 мкс) до истечения разрядной плазмы в камеру;

г. струя плазмы из разрядной трубки разлетается не в среде холодного газа, а в фоторезонансной плазме-среде с высокой скоростью звука. Разлет плазменной струи в фоторезонансной плазме отличается от разлета плазменной струи в газовой среде; сверхзвуковая плазменная струя в движении уничтожает ( поглощает, вытесняет) фоторезонансную плазму;

д. далее плазма струи рекомбинирует.

Измерения концентрации электронов в фоторезонансной плазме и в плазменной струе производились по уширению водородной линии Н при помощи электронно- оптической лупы времени ЛВ-03. которая позволяла снимать участок спектра с пространственно - временным разрешением за один импульс. На рис. 4. показано поведение концентрации электронов в различные моменты времени как функцию расстояния от щели в разрядной трубке. Видно, что концентрация электронов в фоторезонансной плазме (кривая а) примерно на порядок меньше концентрации в плазменной струе.

В работе разбирается вопрос, как расширение плазмы влияет на скорость ее трехчастичной рекомбинации. На фоторазвертках можно увидеть, что по мере разлета до скачка уплотнения яркость свечения рекомбинирующей струи плазмы снижается. Поведение рекомбинирующей расширяющейся плазмы в работе интерпретируется на основе простой модели равновесной низкотемпературной плазмы, которая расширяется адиабатически. В плазме выделяется обЪемчик такой малый и промежуток времени такой короткий, чтобы в процессе разлета выделений обЪемчик расширялся лишь настолько, чтобы не нарушать границу других объемчиков. Пусть п^.Пр-концентрации электронов в плазме объемчика в момент времени

соответственно к,О, п- скорость трехчастичной рекомбинации плазмы в выбранный момент времени и 7- показатель адиабаты. Используя известную формулу для скорости трехчастичной рекомбинации и условие адиабатичности расширения, получено выражение:

А -

Йо

Показатель степени в правой части этого выражения всегда больше нуля. Так как при расширении концентрация электронов уменьшается, то следовательно скорость трехчастичной рекомбинации при адиабатическом расширении всегда, при всех условиях уменьшается. В работе обсуждаются другие следствия приведенного выражения и условия его применимости для реальной плазмы. Демонстрируется, что при адиабатическом расширении рекомбинирующей плазмы показатель адиабаты изменяется в пределах 1,44...-1,66... .

На основании проведенных исследований в работе сделан вывод о том,что плазма, произведенная созданными источниками способна служить активной средой лазеров. Так как концентрация электронов фоторезонансной плазмы в несколько раз меньше концентрации в плазменной струе (тем более в разрядном канале), следовательно, на ней меньше скажется перемешивание уровней в столкновениях с электронами. Кроме того, она мало подвержена, как показали эксперименты, колебаниям и неустойчивостям, которые наблюдаются у нас в плазме разрядного шнура и в плазменной струе. Следует ожидать поэтому, что фоторезонансная плазма в наших условиях будет лучшей активной средой, чем плазма разрядного канала и плазменная струя. Так как рекомбинация плазмы замедляется при разлете, а начальная концентрация в струе велика, ожидается, что нарушение равновесия и возникновение инверсии в струе более вероятно на поздних стадиях разлета, когда концентрация электронов уже в достаточной степени снизилась.

В четвертой главе рассмотрены особенности полученных активных сред инфракрасных лазеров на переходах инертных газов в созданных источниках плазмы. В таблице 1 приведет линии генерации на переходах нейтральных неона, аргона, криптона и ксенона. Линия генерации на длине волны 1,45 мкм, переход

/ а

5(1 [3/2] - 4р[1/2] нейтрального неона получена, по-видимому, впервые. Генерация на этой линии наблюдалась в смеси неона и гелия при давлении неона 1 -8 торр и гелия от 15 до 150 торр - и ограничивалась возможностями разрядной системы. Интересной особенностью этой линии является резкий спад сигнала генерации при повышении зарядного напряжения. Максимальный уровень сигнала наблюдается при напряжениях близким к пробойным.

Особое внимание в работе было уделено исследованию особенностей генерации в смеси ксенона с гелием и аргоном. Генерация на линии 2,03 мкм атома ксенона явилась еще и аффективным инструментом исследования фоторезонансной гелий -ксеноновой плазмы, который позволил получить дополнительную информацию о процессах в ней.

На рис 5 изображено поведение тока в разрядной трубке спонтанного излучения и генерации в камере при низком давлении буферного газа гелия и разных напряжениях зарядки.

На рис. 6. показана сводка экспериментальных данных,

описывающих процессы в активной среде при высоких давлениях гелия. Видно, из сравнения осциллограмм со схемой фоторазвертки что генерация в камере имеет место в то время, когда истечения плазмы из трубки в камеру еще нет. Генерация наблюдается в интервалы времени соответствующие полупериодам разрядного тока в трубке, когда среда в камере облучается резонансным излучением мощного импульсного разряда через щель в трубке. Образующаяся в камере фоторезонансная плазма образует активную среду. Генерация в трубке имеет место в первом полупериоде как при низких (30-60 торр) так и при высоких (выше 100 торр) давлениях; генерация в камере как при низких, так и при высоких давлениях имеет мощность примерно на порядок большую чем генерация при тех же условиях в трубке. При высоких давлениях она наблюдается во втором и третьем полупериодах разрядного тока и никогда не возникает в одновременно с первым полупериодом разрядного тока. Для объяснения этого явления сделано предположение о том, что роль процессов ступенчатого оптического возбуждения с сильно заселенных уровней ксенона вверх значительно выросла по сравнению со случаем низких давлений и является определяющей в образовании инверсии на линии 2,03 мкм . Для проверки этого предположения активная среда в камере облучалась резонансным излучением встроенной разрядной трубки с кварцевыми стенками, неспособным возбуждать ксенон из основного состояния. Получено значительное (на порядок и выше) увеличение интенсивности сигнала генерации. Получена генерация при условиях, когда без дополнительной подсветки генерация не возникала вообще (парциальное давление ксенона 25-30 торр).

Для выяснения степени возможного влияния паразитного емкостного разряда проведены эксперименты по исскуственному созданию такого разряда в камере. Сделан вывод, что импульсный емкостной разряд не способен обеспечить заметную часть наблюдаемого эффекта.

Генерация в интервале времени 35-50 мкс с начала импульса тока наблюдалась при наборе свежей смеси и связана с рекомбинацией вытекшей плазменной струи в камере.

Линия 1,73 мкм атома ксенона имеет общий верхний уровень что и линия 2,03 мкм однако генерация на етой линии начинается при суммарных давлениях смеси с гелием больше 200 торр и растет с

давлением практически линейно (при давлении ксенона 1торр) до давлений гелия 1,5 атм. В смеси ксенона с гелием наблюдается спад сигнала генерации с напряжением, похожий на тот, что имел место для линии 1,45 мкм атома неона. На рис.7 изображены осциллограммы генерации и тока на длине волны 1 ,73 мкм для разных напряжений. В смеси гелий -аргон - ксенон максимальная величина сигнала генерации растет с добавлением аргона линейно и резкий спад с напряжением уже места не имеет.

В работе отмечается, что: 1 .При использовании подходящих окон спектральный диапазон используемых лазеров может быть расширен в сторону больших длин волн.

2. Некоторые из созданных лазерных источников, а именно, на длинах волн 1,45 мкм, 1,73 мкм, 2,03 мкм, 2,65 мкм пригодны для создания отпаяных, простых, компактных, долговечных лазеров. Этому способствуют следующие их полезные качества:

а. высокий коэффициент усиления,

б. нетребовательность к импульсному источнику питания (кроме 1,45 мкм),

в. способность работать в широком интервале давлений с длительностью токовых импульсов 5-10 мкс,

г. нечувствительность к неустойчивостям и колебаниям накачивающего разряда,

3. Лазеры на длинах волн 1,73 мкм, 2,03 мкм, 2,65 мкм пригодны для создания миниатюрных импульсных лазеров.

4. На линии 1,73 мкм на основе изученных устройств можно надеяться на создание практичного отпаянного лазера с энергией порядка джоуля, и с частотой повторения около герца.

В заключении приведены основные результаты и выводы работы которые формулируются следующим образом:

1 . Созданные источники импульсных открытых разрядов средней энергии обеспечивают получение плазмы трех разных видов:

а. плазму разрядного канала,

б. фоторезонансную плазму в камере,

в. плазменную струю в камере.

2. Обнаруженная особенность открытых разрядов в созданных источниках типа "разрядная трубка- щель- камера", а именно, большая (7- 20 мкс) задержка выброса расширяющейся плазмы

разряда через щель в камеру, позволяет надежно разделять перечисленные виды плазмы. Таким образом, сначала в трубке возникает импульсный разряд, затем с небольшой задержкой (2-3 мкс) в камере формируется фоторезонансная плазма. В последнюю очередь в камеру вытекает плазменная струя из щели в разрядной трубке.

3.Фоторезонансная плазма, созданная при облучении среды в камере

резонансным излучением импульсного разряда в трубке имеет

15 - ■?

значительную плотность электронов, достигающую 10 см *.

4. Импульсы излучения спектральных линий фоторезонансной плазмы в камере радикально отличаются от соответствующих линий разряда в трубке. Это позволяет сделать вывод, что разрядный ток в камере прибора не проходит. Задержку появления излучения спектральных линий фоторезонансной плазмы в камере естественно связать со временем диффузии в ней ВУФ-резонансного излучения разряда и с накоплением заселенности долгоживущих состояний атомов и ионов. Отсутствие задержки реакции излучения фоторезонансной плазмы на второй и третий полупериод тока разряда обусловлено возросшей к этому времени ролью более длинноволнового ("кварцевого ") резонансного излучения разряда, которое могут поглощать только возбужденные атомы. Наблюдаемую в некоторых случаях модуляцию излучения из камеры с периодом 2-3 мкс естественно приписать колебаниям фоторезонансной плазмы и плазмы струи, движущейся в камере.

5. Сверхзвуковой разлет струи разрядной плазмы в камере происходит в фоторезонансной плазме -среде с высокой скоростью звука. Это оказывает существенное влияние на характер и параметры дзижения плоской сверхзвуковой плазменной струи. В месте излома траектории движения струи наблюдается возникновение волны разрежения с необычно четкими границами. Скачки уплотнения и отражения потока плазмы в камере вызывают ее подогрев и возрастание свечения плазмы.

6. Из простой теоретической модели выяснено, что адиабатическое расширение равновесной низкотемпературной плазмы всегда приводит к уменьшению скорости трехчастичной рекомбинации.

7. Активными лазерными средами созданных импульсных газоразрядных устройств на основе открытых разрядов средней энергии являются:

а. плазма разрядного канала в период действия импульса тока,

б. ионизованная газовая среда ( фоторезонансная плазма )в камере освещаемая резонансным излучением открытого разряда в период действия импульса тока,

в. рекомбинирующая фоторезонансная плазма и плазма струи - после импульса тока.

В среде на основе фоторезонансной плазмы в камере получена генерация на десяти инфракрасных переходах инертных газов в интервале длин волн 1,29- 2,65 мкм. На линии 1,45 мкм, переход 5с!'[3/с^]^" нейтрального неона генерация получена, по-

видимому, впервые.

В сравнимых условиях лазерная активная среда на основе фоторезонансной Не-Хе плазмы обеспечивает большие мощность и длительность генерации, стабильность, чем среда на основе плазмы разрядного канала и струи.

8. Дополнительная резонансная подсветка активной среды на основе фоторезонансной гелий- ксеноновой плазмы существенно улучшает параметры генерации на линии 2,03 мкм атома ксенона. Такая подсветка позволяет получать генерацию в таких условиях, в каких она без подсветки не наблюдалась.

В приложении изложены результаты по изучению возможности оптического возбуждения паров свинца при давлениях буферного газа до 1 атм. Экспериментальный прибор представлял из себя нагреваемую кварцевую трубу в которую вмонтирована кварцевая разрядная трубка. Труба и разрядная трубка могут раздельно наполняться выбранными газами. В обе заложены навески свинца. Импульсы накачки имели длительность несколько сот наносекунд. В отличие от рассмотренных выше случаев накачка свинца имеет свои особенности.

1. Возможно наблюдать резонансные линии, способные возбуждать атомы свинца из основного состояния.

2. Осциллограммы излучения спектральных линий в камере отличаются от осциллограмм таких же линий в накачивающей трубке.

3. В камере наблюдается излучение как атомных, так и ионных линий свинца, что говорит об образовании фоторезонансной плазмы. Спектр излучения в камере отличается от спектра излучения разрядной трубки не только количественно, но и качественно.

4. Наблюдается значительная изменчивость спектра в камере при

изменении рода и давления буферного газа. Цитированная литература:

1.Бохан П.А. Лазеры на парах металлов со столкновительным девозбуждением нижних рабочих состояний // Диссерт. докт. физ.-мат. наук, Новосибирск, 1988, 418 с.

2. Зуев B.C., Михеев Л.Д., Ставровский Д.Б. Об эффективности ХеР-лазера с оптической накачкой // Квант, електр. -1984, т.11, N 9, с. 1750-1756.

3. Бетеров И.М., Елецкий A.B., Смирнов Б.М. Плазма резонансного излучения (фоторезонансная плазма) // УФН, 1988, т.155,с. 265-298

Основные результаты работы отражены в следующих публикациях: _ ~~П Гриднев А.Г., Федорищев В.Н., Носов Н.В. Рекомбинация в протяженных импульсных струях плазмы при адиабатическом разлете // Тез. докл. X Сибирского оовещ. по спектроскопии , "Инверсная заселенность и генерация на переходах в атомах и молекулах",Изд. ТГУ. 1981, с. 45.

2. Федорищев В.Н., Гриднев А.Г. Динамика развития протяженных импульсных плазменных струй // Тез. докл. X Сибирского совещ. по спектроскопии ."Инверсная заселенность и генерация на переходах в атомах и молекулах",Изд. ТГУ. 1981, с. 46.

3. Гриднев А.Г. Рекомбинация в протяженных импульсных струях плазмы //Изв. ВУЗов. "Физика", 1982, N 2, с. 41-46.

4. Федорищев В.Н., Гриднев А.Г. Динамика сверхзвуковых плазменных струй // Изв. ВУЗов. "Физика", 1982, N 5, с. 44-47

5. Гриднев А.Г., Федорищев В.Н. К вопросу о механизме развития осесимметричных плазменных струй // Изв. ВУЗов." Физика", 1984, N 9, с. 111-113.

6. Гриднев А.Г. Разлет плазмы при быстром разрушении разрядных трубок // Изв. ВУЗов. "Физика", 1986, N 9, с. 109-111

7. Гриднев А.Г. Разлет и релаксация плазмы при "взрыве" разрядных трубок // Тез. докл. Всес.сов. "Инверсная заселенностьи генерация на переходах в атомах и молекулах", ч. 1, Изд. ТГУ, 1986, с.277.

8. Гриднев А.Г. Влияние адиабатического расширения на скорость трехчастичной рекомбинации в низкотемпературной плазме // Тез. докл. Всес.сов. "Инверсная заселенностьи генерация на переходах в атомах и молекулах",ч. 1, Изд. ТГУ, 1986, с.278

-199. Гриднев А.Г., Муравьев И.И. Фотоплазма вблизи плазменной струи: генерация и обсуждение механизмов инверсии // Изв. ВУЗов, "Физика", 1990, Рук. депонир. в ВИНИТИ, 25.04.90, per.N 2739-В90, 10 с.

10. Гриднев А.Г., Муравьев И.И. Излучение открытого разряда типа трубка - щель -камера в инертных газах // Тез. докл. V Всес. конф. по физ. газового разряда, книга 1, Омск, 1990, с.89-90.

11. Гриднев А.Г., Муравьев И.И. Об элементарных процессах, ответственных за вынужденное излучение на линии 1,45 мкм неона // Тез. докл. XI Всес. конф. по физ. электронных и атомных столкновений (XI ВКЭАС), Чебоксары, 1991, с. 146

12. Гриднев А.Г., Муравьев И.И.Вынужденное и спонтанное излучение на переходах инертных газов в неоднородных средах, возбуждаемых открытым разрядом //Изв. ВУЗов, "Физика", 1991, Рук. депонир. в ВИНИТИ, 24.05.91, per.N 2183-В91, 12 с.

13. Гриднев А.Г., Муравьев И.И. Инфракрасные лазеры с активной средой на основе протяженных открытых неоднородных разрядов в инертных газах // Оптика атмосферы и океана, 1993, т.6, N б, с. 672-678.

14. Гриднев А.Г., Евтушенко Г.С. Концентрация электронов в разлетной гелиевой плазме // Изв. ВУЗов, "Физика", 1994, Рук. депонир. в ВНГИЦ, 22.11.94, per.N 2676-В94, 11 с.

15. Gridnev A.G. Expanding plasma as aotive medium oí pulsed gas lasers Proc. SPIE, Vol.2619, "Atomio and Molecular Pulsed Lasers", 1995, p.224-233.

Таблица 1

Длины волн линий генерации и приписанные ей переходы в атомах инертных газов. (Лазерная активная среда на основе фоторезонансной плазмы, порождаемой импульсным открытым разрядом.)

1. 1.27 мкм 34' [3/2]* - 4р' [1/2], Аг I

л С • 1.35 мкм 5з Г 3/2]? - 4р [3/2], Аг I

3. 1.44 мкм 6з [3/2]° - г,р [3/2], Кг I

4. 1,45 мкм 5,1' [3/2]° - 4р [1/2]с Ые I

г>щ 1.73 мкм 5<1 [3/2]? - бр [5/2], Х'З I

С. 1.79 мкм за [1/2]? - 4р [3/2 ]2 Аг I

1. 2.03 мкм 51 [3/2]? - бр [3/2], Х'е I

8. 2,39 мкм 34 [1/2]* - 4р' [1/2], Аг I

Э. 2.52 мкм 41 [1/2]? - 5р 13/2]а Кг I

10. 2,65 мкм 5(1 [3/2]? - ьр [1/2]0 Хе I

9 Л

¿1

шгшаь

швиа

11®'

Рис. 3 Осциллограммы яылульсов излучения спектральных линия гелия к ксенона в разрядной трубке и в камере ГРУ при высоких давлениях. Давление ксенона 0,7 тсррз, гелия -"50 торр. О ж 0,7 мк4>, II = кЬ, 5 мкс/дел. Периодическая кривая - тек разряда. a^ Излучение разрядной трубки; линия гелия ьь7,3 нм. 0] Излучение плазмы в камере, линия гелия 667,8 ям. в) Излучение плазмы в камере; линия ксенона 823,2 нм.

в

?яс. ■' Осциллограммы импульсов излучения спектральных ланий гелия и коенекп в разрядной а рубке л г. ком<;ре ГРУ при высоких давлениям. Давлена» ксенона 0,7 торрз, гелия -*У> торр. С = 0,4 мкФ, И - 14 кВ. 5 мкс/дрл. Л^риоди'геон^я кривая - тек разряд.:;. а1 Излучение плазмы в камере; линия гелия 567,ь нм.

3! Лк.лучение в . линия гелия -'М .

я) плч^мы р к';1М"р«; лилия ¡'.".'чн шч -Ич,0, нм.

"с ■ сш"-'- И)0

А 2

х

10

н-

6-

0 2 4 6 8 ¡0 мм

Рис 4. Плотность электронов, как функция удаления от цели разрядной трубки. Давление гелия 75 торр, водорода 1 торр. С = 0,5 мкФ,' и = 16 кВ. Момент времени с начала разряда: а- 3 мкс, 6-9 мкс, в- 16 мкс, г- 32 мкс.

д

А

1- У

У

П

А т

/ —

,1 /

.....

/

/

\/1

\/

в

Рис. '1 Осциллограммы суммарной генерации на линиях нейтрального ксенона 1,73 мкм и 2,65 мкм в зависимости от зарядного напряжения. Давление ксенона - 1 торр, гелия - 270 торр. Емкость батареи конденсатора 0,4 мкФ. Верхние кривые - ток разряда, 5 мкс/дел.: а ~ напряжение зарядки 10,5 кВ, близко к пробойному; б - напряжение зарядки 13 кВ; в - напряясение зарядки 15 кВ.

Рис.5. Активная среда при пониженных давлениях. Давление гелия 40 торр, ксенона 1 торр, С = 0,4 мкФ.

а- излучение линии ксенона 840,9 нм из разрядной трубки, б и в-излучение плазмы в камере ГРУ на линиях, соответственно, ксенона 840,9 нм и гелия 587,6 нм, г-ток. и = 14 кВ.

д- к -генерация на линии 2,03 мкм атома ксенона из зоны 1,5 -4,5 мм над щелью при и равном, соответственно 7,8,11,14,16,19 кВ.

Рис. 6 . Динамика активной среды в камере и в разрядной трубке ГРУ при высоких давлениях. Давление гелия 150 торр, ксенона 1 торр. С

= 0,7 мкФ. и = 14 кг;.

а1 - схема фоторазвертки свечения разряда в трубке, а2- схема фоторазвертки свечения плазмы в камере, б - ток, в- генерация на линии 2,03 мкм атома ксенона в трубке, г- генерация на той же линии в камере ( зона диаметром 1 мм на расстоянии 4 мм от среза щели), д,е,ж, - спонтанное излучение, соответственно, линии 587, 6 нм, атома гелия в трубке, 667,6 нм гелия в камере, 840,9нм ксенона в камере.