Кинетика активной среды CuBr - лазера с добавками H2 и HBr тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

005049150

На правах рукописи

Торгаев Станислав Николаевич

КИНЕТИКА АКТИВНОЙ СРЕДЫ СиВг-ЛАЗЕРА С ДОБАВКАМИ Н2 И НВг

01.04.21 - лазерная физика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

31 ЯНВ 2013

Томск-2013

005049150

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки «Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения Российской академии наук», в лаборатории квантовой электроники и Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет», на кафедре промышленной и медицинской электроники. Научный руководитель:

Научный консультант:

Официальные оппоненты: Солдатов Анатолий Николаевич, доктор физико-математических наук, профессор, заслуженный изобретатель РФ, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский государственный университет», факультет инновационных технологий, декан.

Ястремский Аркадий Григорьевич, доктор физико-математических наук, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт сильноточной электроники Сибирского отделения Российской академии наук, лаборатория газовых лазеров, старший научный сотрудник.

Ведущая организация: Федеральное государственное автономное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Южный федеральный университет», г. Ростов-на-Дону.

Защита состоится «14» февраля 2013 г. в 1430 на заседании диссертационного совета Д 212.267.04, созданного на базе Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский государственный университет» по адресу: 634050, г.Томск, пр. Ленина, 36, ауд. 119 (Главный корпус, ауд. 119).

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Томского государственного университета.

Автореферат разослан ■// января 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, профессор Евтушенко Геннадий Сергеевич доктор физико-математических наук Бойчеико Александр Михайлович

Пойзнер Борис Николаевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Лазеры на парах металлов имеют малую длительность импульса излучения (10-50 не), высокую частоту следования (до 105 Гц), большую среднюю (сотни Вт) и импульсную (до 1 МВт) мощности, а также высокий для газовых лазеров коэффициент полезного действия (КПД)> 1%. Вследствие того, что активная среда лазеров на парах металлов газовая, они имеют малую ширину линии излучения и высокую стабильность ее положения на шкале частот, хорошее качество пучка, а также большой коэффициент усиления (10-100 Дб/м). Благодаря таким уникальным свойствам лазеры на парах металлов широко применяются для решения большого круга научных и практических задач [1].

Одним из наиболее перспективных применений лазеров такого типа является применение их в качестве усилителей яркости в активных оптических системах (лазерный проекционный микроскоп и лазерный монитор) [2]. Активные оптические системы позволяют производить визуализацию процессов и объектов, скрытых от наблюдателя мощной фоновой засветкой. Временное разрешение активных оптических систем ограничено частотами работы видеорегистратора и усилителя яркости. На данный момент существуют видеорегистраторы, имеющие скорость сьемки до 106 кадров/сек. Следовательно, для визуализации быстропротекающих процессов необходимо создание усилителей яркости, работающих при высоких частотах следования импульсов накачки (до 1 МГц). В настоящее время активные оптические системы строятся с использованием лазеров на парах меди, так как они являются наиболее эффективными для создания активных оптических систем в видимом диапазоне спектра.

Лазер на парах бромида меди (СиВг-лазер) обладает рядом привлекательных черт по сравнению с обычным лазером на парах меди - возможностью существенного снижения температуры стенки лазерной трубки, большей длительностью импульса генерации и возможностью получения больших частот следования импульсов излучения. Из анализа экспериментальных данных следовало предположение, что присутствие активных примесей (Н2, НВг, НС1 и др.) в активной среде СиВг-лазеров ускоряет процессы релаксации и рекомбинации плазмы в межимпульсный период и способствует повышению оптимальных и максимальных частот следования импульсов. Впервые положительное влияние добавок водорода на генерационные характеристики лазера на парах меди было показано группой Бохана П.А. [3]. Впоследствии лазеры подобного типа получили название -лазеры на парах металлов с модифицированной (улучшенной) кинетикой. В их числе и СиВг-лазер с добавками водорода, либо бромводорода.

Детальный анализ процессов, протекающих в активной среде раз-, личных типов лазера на парах меди, в том числе в присутствии активных \

добавок на основе большого объема экспериментальных и расчетных данных, представлен в монографиях [4, 5]. Однако детального исследования процессов в плазме СиВг-лазера с активными добавками при повышенных частотах следования импульсов накачки, с привлечением расчетных данных, к моменту начала данной работы проведено не было.

Цель диссертационной работы. Целью работы является выявление механизмов влияния активных добавок водорода (бромводорода) на энергетические и частотные характеристики СиВг-лазера, установление причин ограничения частоты следования импульсов генерации, а также определение возможности создания СиВг-лазера, с частотой следования импульсов до 1 МГц и его практического использования.

Задачи диссертационной работы. Для достижения указанной цели в работе поставлены следующие задачи:

1. Проанализировать результаты экспериментальных и модельных исследований лазеров на парах металлов с модифицированной, кинетикой, с целью установления места СиВг + Н2(НВг)-лазера, работающего как при типичных частотах следования импульсов накачки (5-20 кГц), так и при повышенных (до 100 кГц и выше), в ряду этих лазеров;

2. Составить самосогласованную модель СиВг-лазера с добавками водорода (бромводорода), способную адекватно описывать кинетику активной среды, как при типичных, так и повышенных частотах следования импульсов накачки;

3. Провести тестирование разработанной модели, с использованием в расчетах известных экспериментальных данных в различных режимах работы лазера (режим регулярных импульсов, цуговый режим), сравнить полученные результаты с экспериментальными данными, в области типичных частот следования импульсов накачки (до 20 кГц);

4. Получить необходимые для модельных расчетов недостающие экспериментальные данные по частотно-энергетическим характеристикам СиВг-лазера без активных добавок и с добавками НВг (Н2), при повышенных частотах следования (до 100 кГц);

5. Выполнить расчеты и с привлечением новых экспериментальных данных установить механизм влияния активных добавок НВг (Н2) на энергетические характеристики СиВг-лазера при повышенных частотах следования импульсов накачки;

6. Провести детальное исследование процессов происходящих в плазме лазера при работе на повышенных частотах следования импульсов и выявить механизмы ограничения частотно-энергетических характеристик СиВг-лазера;

7. Реализовать в эксперименте частоту следования импульсов СиВг-лазера- 0,5-1 МГц и выполнить моделирование на данных частотах;

8. Рассмотреть возможность использования активной среды лазера на парах бромида меди с высокой частотой следования импульсов в составе лазерного проекционного микроскопа для визуализации объектов и быс-тропротекающих процессов в режиме реального времени.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались в основном численные методы моделирования плазмы лазера на парах бромида меди. Физический эксперимент включал в себя измерения энергетических, спектральных и временных характеристик лазерного излучения, а также измерение электрических параметров импульсно-периоди-ческого разряда в смесях СиВг-Ме-НВг (Н2) в широком диапазоне частот следования импульсов накачки от 5 до 700 кГц.

На защиту выносятся следующие положения

1. Улучшение генерационных характеристик СиВг-лазера (в два и более раз) при введении активной добавки НВг в количестве 0,2-0,3 торр к буферному газу неону (давлением 20-30 торр) связано, в основном, с уменьшением предымпульсных значений концентраций электронов, за счет высокой скорости реакции диссоциативного прилипания к молекулам НВг (V = 0-2) в межимпульсный период.

2. Критические значения предымпульсных концентраций электронов и метастабильных атомов, при которых происходит срыв генерации, с ростом частоты ведут себя по разному: концентрация электронов снижается от ЗхЮ14 до 1хЮ14см~3 при увеличении частоты от 10 до 40 кГц, а концентрация метастабильных атомов остается неизменной (4x1014 см"3). Поэтому ограничение частоты следования импульсов генерации СиВг-лазера без добавок активной примеси НВг связано с ростом предымпульсной концентрации электронов, которая нарастает в указанном диапазоне частот (от 1,ЗхЮ12 до 1,4хЮ13 см"3).

3. При введении добавки НВг (0,2-0,3 торр) с повышением частоты следования импульсов накачки от 10 до 20-30 кГц предымпульсная концентрация электронов нарастает, а в дальнейшем стабилизируется на уровне 2х10,2см~3 (или даже уменьшается вследствие реализации режима пониженного энерговклада в разряд) вплоть до частоты 100 кГц. Основным фактором, ограничивающим частоту следования импульсов генерации, становится предымпульсная концентрация атомов меди в метастабильных состояниях. При частоте следования импульсов накачки 100 кГц предым-пульсные значения составляют 7хЮ|3см"3 для нижнего 05/2 уровня зеленой линии (^ = 510,6 нм) и 7хЮ,2см"3 для нижнего 03/2 уровня желтой линии (X = 578,2 нм).

4. Высокая частота следования импульсов генерации 700 кГц достижима при использовании импульса накачки длительностью 60 не, со временем нарастания напряжения <20 не и амплитудой не менее 2,5 кВ, в разрядных трубках малого диаметра (менее 1 см) и объема (5-7 см3).

Достоверность защищаемых положений и других результатов работы

Достоверность первого, второго и третьего защищаемых положений в части моделирования следует из адекватности и надежности используемых теоретических методов. Она подтверждается качественной согласованностью результатов численного моделирования и экспериментальных данных. Отклонение расчетных значений концентраций компонентов плазмы и средней мощности генерации от экспериментальных в большинстве случаев не превышает 20%.

Достоверность всех защищаемых положений в экспериментальной части подтверждается применением общепринятых методик измерения параметров разряда и генерации, использованием современной регистрирующей аппаратуры (осциллографы Tektronix TDS3054C, LeCroyWJ 324, измеритель тока - Pearson Current Monitors 8450, высоковольтный пробник - TektronixPóO 15А, измеритель мощности Ophir 30C-SH, измерители импульса генерации ФЭК-22, ThorlabsDET 1ОА/М).

Научная новизна

1. В 1-3 научных положениях разработана самосогласованная кинетическая модель CuBr-лазера при наличии водородосодержащих добавок (Н2, НВг), учитывающая более 240 реакций и описывающая изменение во времени средних по объему концентраций всех реагентов.

2. Выявлены механизмы улучшения генерационных характеристик и ограничения частоты следования импульсов генерации CuBr-лазера при введении в активную среду добавки Н2, НВг.

3. В положениях 3 и 4 установлено, что релаксация параметров электронной компоненты CuBr-Ne-HBr - плазмы происходит за времена существенно меньшие, чем без добавок НВг (менее 10 сек).

4. Экспериментально показана возможность достижения частоты следования импульсов генерации СиВг-Ые-НВг(Н2)-лазера 700 кГц в условиях малого энерговклада в разряд (<0,1 мДж/см ).

Научная ценность защищаемых положений и других результатов работы

1. Модель, описанная в положениях 1-3, объясняет механизм изменения частотно-энергетических характеристик лазера при введении активных добавок в диапазоне частот следования импульсов накачки от 10 до 100 кГц и выше.

2. На основе результатов моделирования кинетики лазера на парах бромида меди с добавками НВг показано, что достигнутые сегодня частоты следования импульсов генерации лазеров на самоограниченных переходах атомов металлов (700 кГц для CuBr-лазера - данная работа и 830 кГц для лазера на парах стронция - работа [6]) не являются предельными для данного класса лазеров.

Практическая значимость научных положений и результатов работы

1. Анализ результатов моделирования позволил определить, что незначительная часть атомов меди, образующихся в результате диссоциации молекул CuBr, вследствие диффузии оседает на стенке ГРТ, что является важным для создания отпаянных газоразрядных трубок лазера на парах бромида меди с активными добавками Н2 и НВг.

2. На основании третьего и четвертого защищаемых положений разработан лабораторный макет CuBr-лазера с частотой следования импульсов до 700 кГц при понижении энерговклада до 0,1 мДж/см3.

3. На основании четвёртого защищаемого положения и дополнительных расчетов показана возможность использования высокочастотного CuBr-лазера в качестве усилителя яркости (лазерного монитора) для визуализации быстропротекающих процессов экранированных от наблюдателя мощной фоновой засветкой.

Личный вклад автора состоит в:

■ разработке кинетической модели CuBr-лазера;

■ проведении экспериментальных исследований и обработке полученных экспериментальных данных;

■ проведении модельных расчетов.

Постановка задач исследований, анализ полученных данных осуществлялись совместно с научным руководителем и научным консультантом. Результаты, составившие основу защищаемых положений, получены лично автором, либо при его определяющем участии.

В работе на разных её этапах принимали участие сотрудники ИОА СО РАН и Томского политехнического университета Шиянов Д.В., Три-губ М.В., Губарев Ф.А., Нехорошее В.О.

Апробация результатов работы

Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на следующих конференциях и симпозиумах:

1. XVII, XVIII, XIX симпозиумах «Лазеры на парах металлов», Лоо-Сочи, 2008, 2010, 2012;

2. International Conference and Seminar «Micro/Nanotechnologies and Electron Devices», г. Новосибирск, 2011;

3.1 Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Инновации в неразрушающем контроле SibTest», г. Горно-Алтайск, 2011;

4. IX, X International Conference «Atomic and Molecular Pulsed La-sers»-AMPL, Tomsk, Russia, 2009, 2011;

5. Молодежной школе-конференции с международным участием «Лазеры и лазерные технологии», г. Томск, 2010;

6. II Международной научно-практической конференции молодых ученых «Ресурсоэффективные технологии для будущих поколений», г. Томск, 2010;

7. XVIII International Symposium on Gas Flow and Chemical Lasers & High Power Lasers Conference, Sofia, 2010;

8. XXXI International Scientific Conference «Electronics and Nanotech-nology» ELNANO, Киев, 2011;

9. XV, XVI, XVII Международных научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии», Томск, 2009-2011.

10. VIII Российской конференции «Современные средства диагностики плазмы и их применения», г. Москва, ПИЯУ МИФИ, 2012.

11. На семинарах лаборатории квантовой электроники ИОА СО РАН и кафедры промышленной и медицинской электроники ТПУ.

Результаты исследований включены в отчеты по грантам: Минобр-науки, АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы», проект РНП.2.1.1.5450 «Лазеры на парах металлов с модифицированной кинетикой», Минобрнауки, 2006-2008 гг., АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы», проект РНП.2.1.2/1425 «Активные среды на парах галоге-нидов металлов для создания скоростных лазерных мониторов», 20092011 гг., Государственное задание Минобрнауки № 7.586.2011 «Аппаратно-программный комплекс на основе лазерного монитора для неразрушающего контроля и диагностики», 2012-2014 гг. Результаты работы легли в основу индивидуального фанта «Участник Молодежного Научно-Инновационного Конкурса» (У.М.Н.И.К., 2012-2013 гг.).

Основные результаты, включенные в диссертацию, опубликованы в 10 печатных работах в рецензируемых изданиях. Общее число публикаций по теме - 25. Получен патент РФ.

СТРУКТУРА И КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, состоящего из 245 ссылок и трех приложений. В работе 165 страниц, включая 57 рисунков и 20 таблиц.

Во введении обсуждается актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследования, представлены защищаемые положения. Приводится краткое содержание работы, отмечается практическая значимость и научная новизна.

В первой главе проведен литературный обзор работ по теме исследования. Рассматриваются основные характеристики лазеров на парах меди, галогенидов меди и других металлов. Основное внимание уделяется вопросам повышения частотных и энергетических характеристик лазеров. Проводится анализ влияния водородосодержащих добавок на процессы в активной среде лазеров на парах металлов, так называемых лазеров на

парах металлов с модифицированной кинетикой, и, в частности, СиВг-лазера. Подробно рассмотрена работа лазеров на парах чистой меди и бромида меди при высоких частотах следования импульсов генерации. Из литературного обзора выявлены основные гипотезы улучшения энергетических характеристик СиВг-лазера при добавках Н2 и НВг и сформулированы задачи исследования.

Во второй главе приведено подробное описание кинетической модели СиВг-лазера, а также результаты тестирования данной модели в режиме регулярных импульсов и цуговом режиме.

В общем случае в кинетическую модель входят уравнения, описывающие изменение во времени средних по объему значений всех концентраций реагентов, в том числе и заселенностей уровней атома меди, молекулярных и атомарных добавок:

т...п т...п

где к""'" - скорости реакций, приводящих к наработке реагентов к в результате взаимодействия реагентов т, ..., п, плотности ионов меди и добавки, температуры электронов и интенсивности лазерного излучения на зеленой и желтой линиях атома меди и т.д.

В модель входят кинетические уравнения баланса заселенностей для 9-ти состояний атома меди: Си(425„2), Си(4.?2 205П), С и (4 б2 2Д5/2), Си(42/\,2), Си(42/33/2), Си(525,/2); объединяющих три состояния Си* = (Си(4Р°, V, V)); и четыре - Си" = (Си(52Р3/2, 52РШ, 42£>5/2, 42£>3/2)), и для основного состояния иона меди Си . У неона учитывались основное и первое состояние атома Ые, Ые , а также основное состояние иона

Константы скоростей наиболее важных реакций рассчитывались с использованием максвелловской функции распределения по энергиям (МФРЭЭ).

В модели с водородосодержащими добавками учтены основное Н и возбужденное Н атомарные состояния водорода, ионы 1Г, Н~. В молекулярном водороде учитывались основное состояние Н2, состояния колебательно возбужденных уровней с 1 -3, молекулярные ионы Н2+ и Н3+. Также в разработанной модели учитывается основное колебательно возбужденное состояние молекулы НВг (у = 0 - 2).

Система жестких дифференциальных уравнений, включающая уравнения для концентраций различных реагентов активной среды, уравнения теплового баланса температуры электронов самосогласованно решалась с использованием пакета программ ПЛАЗЕР (РЬА5Е11). Всего в модели учитывалось более 240 кинетических реакций. Значения концентраций различных реагентов вычислялись на основе итераций: задавались начальные концентрации, после чего рассчитывались их значения к концу

межимпульсного периода. Для оптимизации процесса моделирования нами разработана программа автоматической замены начальных условий расчета.

Кинетические процессы, проходящие в активной среде СиВг лазера, пока недостаточно хорошо поняты. Во многих работах отмечается важность кинетики Си„Вгт молекул, где тип- произвольные числа, реально ограниченные числом порядка шести. В нашей работе учитывалась диффузия молекул СиВг, причем коэффициент диффузии этих молекул в неоне выбирался равным коэффициенту диффузии молекул Си„Вг„. Поступление молекул СиВг в активную среду лазера за счет диффузии учитывалось на основе уравнения

¿[СиВг] _ 5.76Ц

СиВгуу

Л

[СиВг]И

где Осив™ - коэффициент диффузии при температуре стенки, г - радиус трубки, [СиВг]ж!;11 - концентрация молекул на выходе из контейнеров (в пристеночных областях газоразрядной трубки). Диффузионный уход молекул СиВг из активной среды учитывался аналогичным уравнением

¿[СиВг] _ 5,6ЯСцВг

Л

-[СиВг],

но коэффициент диффузии Ос„Вг брался при температуре центральной части трубки, которая существенно превосходит температуру стенок, так что примерно можно считать А:иВг/А:иВто ~ Ю.

На рис. 1 приведены концентрации атомов меди в метастабильном Си(2В5/2) и резонансном Си(2Р3/2) состояниях в период импульса возбуждения, полученные в расчетах и эксперименте.

ю'

10"

10'

10'

N. см"5

50

100

150

200 I. не

I, ПС

Рис. 1. Зависимости от времени концентраций атомов меди в метастабильном Си(205/2) и резонансном Си(2Р3/2) состояниях в период импульса возбуждения в смеси №-СиВг-П2. Сплошная линия - Си(205/2), расчет; пунктир - Си(2Р3/2), расчет; квадраты - Си(205/2), эксперимент [7], кружки - Си(2Р3/2), эксперимент [7]:

а-[СиВг] = 3 1013 см"

б - с самосогласованным определением предымпульснои концентрации молекул СиВг

Рис. 1, а соответствует расчету при фиксированной концентрации молекул СиВг, на рис. 1, б результаты расчетов, в которых концентрация бромида меди рассчитывалась самосогласованно по описанной выше методике. Видно, что при самосогласованном определении предымпульсной концентрации молекул СиВг достигается достаточно хорошее согласие временного поведения концентраций резонансных и метастабильных атомов меди с экспериментальными данными.

В третьей части главы представлены результаты тестирования разработанной модели в двух режимах: цуговом и импульсно-периодическом. При расчете цугового режима была получена зависимость энергии излучения от числа импульсов возбуждения в цуге (рис. 2).

При отключении импульсов возбуждения СиВг лазера (на частоте 17,5 кГц) на время порядка 600 мкс в эксперименте восстановление энергетических характеристик лазера происходит примерно за 4-5 импульсов возбуждения (рис. 2). В расчетах для выхода мощности лазера на режим требуется такое же количество импульсов возбуждения, что подтверждает адекватность разработанной модели.

Также в данной главе

1,0 0,8 0,6 0,40,2

с о СО

1

2 3 4 5 6 Номер импульса в цуге

Рис. 2. Зависимость энергии лазерного импульса от числа импульсов возбуждения при гп = 600 мкс, 18 кГц. ■ - расчет, о - эксперимент

представлены результаты моделирования СиВг-Ке-Н2 лазера, работающего в импульсно-периодическом режиме (табл. 1).

В основу расчетов положены экспериментальные данные, полученные группой Петраша Г.Г. с болгарскими коллегами [7], так как только в их работе приведены не только параметры генерации, но, наряду с осциллограммами токов и напряжений, измерены концентрации метастабильных атомов меди. Моделирование проводилось с газоразрядной трубкой (ГРТ) диаметром 2 см и длиной активной зоны 50 см, частота работы лазера составляла 15,7 кГц. Давление неона составляло 15 торр, а давление водорода - 0,3 торр. В эксперименте мощность излучения СиВг-лазера с добавками водорода в эксперименте превышает мощность излучения без добавок водорода примерно в два раза. Наши расчеты также показывают рост энергии излучения при добавке Н2.

Таблица 1. Расчетные предымпульсные значения концентраций электронов, атомов меди в метастабильных состояниях (Сиф5/2), Си(03/2)), температуры электронов и суммарная лазерная энергия генерации (на длинах волн 510,6 и 578,2 нм) в импульсе при концентрации добавок водорода [Н2] = 5-1015 см"3. Концентрация неона 7,15-1016 см"3 (при газовой температуре 0,172 эВ (=2000 К))

16,7 кГц 50 кГц

Ые, см 3 С добавками Н2 2,22-1013 5,04-1013

Без добавок 2,07-1013 5,00-1013

Си(05/2), см"3 С добавками Н2 1,311012 4,14-1012

Без добавок 2,43-10'2 8,15-10'2

Си(03/2), см"3 С добавками Н2 1,7510" 7,02-10"

Без добавок 3,76-10" 1,57-1012

Е, Дж/см3 С добавками Н2 0,45 10"5 0,24-10"5

Без добавок 0,38-10"5 0,1 МО"5

Те, эВ С добавками Н2 0,16 0,19

Без добавок 0,18 0,21

Следует правда отметить, что в случае расчета положительный эффект добавки на данной частоте не столь заметен. Вместе с тем, известно, что введение добавок смещает область оптимальных частот накачки в сторону больших значений. Поэтому мы искусственно увеличили в расчетах частоту импульсов накачки до 50 кГц, оставив неизменными кривые разрядных токов, т.е. сохранив вводимый энерговклад в разряд на уровне 0,4 мДж/см3. Это, конечно, грубое допущение, так как параметры разряда изменятся с ростом частоты, и, в первую очередь, возрастет вводимая мощность в разряд. Как следствие, на оси разряда возрастет температура газа. Наши оценки показывают рост температуры до 3900 К при неравномерном и до 3600 К при равномерном вводе энергии в разряд. С ростом температуры изменятся константы основных реакций, примерно в 1,5 раза, но это существенно не влияет на результаты моделирования. При отсутствии экспериментальных данных на других частотах следования, мы полагаем, что такой подход оправдан.

В третьей главе приводятся результаты экспериментальных и теоретических исследований энергетических характеристик лазеров на парах бромида меди при работе на повышенных частотах следования импульсов генерации.

В первой части главы проведено исследование процесса восстановления молекул бромида меди в плазме СиВг-лазера в межимпульсный период. На рис. 3 представлена зависимость пиковой мощности генерации

в первом импульсе цуга от паузы между цугами. Амплитудное значение первого импульса в цуге убывает по закону, близкому к экспоненциальному.

1816 14-| 12 10864 2-

0

Рг, отн.ед.

-r-V

1—1—I—I—I—I—I—I—I—I—I—Г

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 fn, мкс а 12,2 кГц А 17,5 кГц • 23,3 кГц Рис. 3. Зависимость пиковой мощности генерации в первом импульсе цуга Ри от

паузы между цугами t„

Причем мощность генерации в 1-м импульсе спадает в е раз за время паузы ~ 150-160 мкс. Таким образом, константа скорости ухода атомов меди из плазмы разряда, определенная из эксперимента, составляет (6^7)-103 с"'. Анализ процессов, определяющих уход атомов меди из активной среды, и проведенные расчеты показали, что основную роль играет реакция Си + Вг~—► CuBr + е. Обратное время (константа скорости) ухода свободных атомов меди из разряда за счет данной реакции составляет т~' =£i[Br~] ~ 6,5-103 с"', что хорошо согласуется с экспериментальным значением.

Во второй и третьей частях главы представлены результаты экспериментальных исследований CuBr-лазера при изменении частоты следования импульсов от 5 до 100 кГц), как с добавкой, так и без добавки НВг. ГРТ имела встроенный реверсивный генератор НВг, функциональное назначение которого заключалось не только в подаче НВг в активную среду лазера, но и откачке его обратно в генератор, т.е. имелась возможность реализации работы лазера как в присутствии добавки НВг, так и в ее отсутствии. В эксперименте исследовалась ГРТ диаметром 2 см и длиной активной зоны 50 см. При работе в смеси Ne-CuBr-HBr давление бромида водорода поддерживалось постоянным (0,25 торр), давление Ne - 20 торр. Возбуждение

активной среды осуществлялось по традиционной схеме прямого разряда накопительной емкости на ГРТ с помощью мощного таситрона ТГУ1-1000/25.

На основе полученных экспериментальных данных было проведено моделирование СиВг-лазера при частоте следования импульсов генерации до 100 кГц. Расчетные и экспериментальные значения средних мощностей излучения оказываются близкими и при изменении частоты имеют схожее поведение (рис. 4).

^ кГц

Рис. 4. Экспериментальная и расчетные зависимости мощности генерации от частоты: ■ - в смеси СиВг-№ эксперимент (сплошная линия); п-в смеси СиВг-Ые расчет (штриховая линия); А - в смеси СиВг-№-НВг эксперимент (сплошная линия);

Д - в смеси СиВг-Ме-НВг расчет (штриховая линия)

Предымпульсные концентрации атомов меди в метастабильных состояниях в смесях с добавками и без добавок НВг отличаются незначительно. Увеличение частоты следования импульсов накачки приводит к увеличению предымпульсных концентраций атомов меди в метастабильных состояниях в плазме разряда, как с добавками, так и без добавок НВг (рис. 5). С ростом частоты следования импульсов накачки в смеси без добавок происходит рост Ие0. В смеси с добавками НВг с повышением частоты следования импульсов накачки нарастает только до частот 20-30 кГц (оптимальных для генерации), а в дальнейшем даже уменьшается (рис. 6), вследствие реализации режима пониженного энерговклада в разряд (при измене-

нии частоты от 10 до 100 кГц энерговклад в ГРТ изменялся от 0,6 до 0,05 мДж/см3).

10м, 10". 10 10' 1

ю1°

ю9.

уСиЭ52. '»Си032'

юч

1 ' ОГ-0-

Г-®

я

10'2-

Г, кГц

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Чю. см'3

/

кГц

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Рис. 5. Предымпульсные концентрации Рис. 6. Предымпульсные концентрации

атомов меди в метастабильном состоянии: электронов: сплошная линия с добав-

сплошная линия - МСит2, пунктирная ли- кой НВг; штриховая линия - без ния - Л'сип32 с добавкой НВг; штриховая добавки НВг линия - NСи052» штрихпунктирная линия -Мсиоп без добавки НВг

10'

10'

10

МО кГц 20 кГц

-------60 кГц

"'"'100 кГц

0.1

10 (, мкс

Предымпульсные концентрации атомов меди в основном состоянии (Л^си) при наличии добавки НВг оказываются примерно в 2 раза выше во всем исследуемом диапазоне частот.

Таким образом, улучшение генерационных характеристик СиВг-лазера при введении активной добавки НВг связано с уменьшением предымпульсных значений концентраций электронов и увеличением концентрации атомов меди в основном состоянии.

Из рис. 7 видно, что в смеси с добавками НВг в первый мо- Еуд= 0,09 мДж/см мент межимпульсного периода (до 0,3 мкс) происходит быстрое

уменьшение концентрации электронов в плазме, далее концентрация меняется не столь значительно.

Одними из основных реакций, влияющих на концентрацию электронов в первый момент межимпульсного периода (до 0,3 мкс), являются реакции прилипания электронов к молекулам НВг и СиВг:

Рис. 7. Концентрация электронов в межимпульсный период в смеси №-СиВг-НВг: сплошная линия - 10 кГц, Еуд= 0,6 мДж/см3; пунктирная линия - 20 кГц, Еуд = = 0,3 мДж/см3; штриховая линия - 60 кГц, штрихпунктирная линия - 100 кГц, Еуд= 0,05 мДж/см3

НВг (V = О, 1, 2) + е -> Н + Вг СиВг + е —> Си + ВГ

(1) (2)

А на временах больших 0,5 мкс реакция Си + В г"-» СиВг + е начинает превалировать над реакцией (2), что замедляет скорость ухода электронов за счет реакции (1).

Таким образом, без добавок НВг частота следования импульсов ограничивается ростом Добавки НВг резко снижают N„0, но при этом практически не влияют на предымпульсные концентрации атомов меди в метастабильных состояниях, одновременно снижая их критические значения. Это приводит к тому, что с ростом частоты основным фактором ограничения дальнейшего ее роста уже становится высокая предымпульсная концентрация атомов меди в метастабильных состояниях.

В четвертой главе представлены результаты экспериментального и теоретического исследования СиВг-лазера с частотой следования импульсов до 700 кГц. Высокие частоты были реализованы с использованием ГРТ диаметром канала 0,7 см, длиной активной зоны 14 см, помещенной в металлический кожух с независимым подогревом, который включался только тогда, когда режим саморазогрева не достигался. В качестве буферного газа использован неон при давлении (в холодной ГРТ) 25 торр. Рабочее давление бромида меди в разряде поддерживалось контролируемым нагревом отростков с бромидом меди. Накачка ГРТ осуществлялась от генератора регулярных высоковольтных импульсов, собранного на базе модуляторной лампы ГМИ-27Б, включенной по схеме с общей сеткой. Генератор позволяет формировать импульсы накачки с частотой повторения импульсов до 1,1 МГц и длительностью по полувысоте 40 не.

На рис. 8 представлены осциллограммы напряжения, тока, а также импульса генерации на частотах 513 и 606 кГц.

Рис. 8. Осциллограммы напряжения на ГРТ (/), тока ГРТ (2) и импульса генерации (3) на частотах 513 кГц (а) и 606 кГц (б)

а

о

С увеличением частоты от 300 до 700 кГц импульс генерации несколько смещается на заднюю часть импульса накачки. Средняя мощность генерации, суммарная по обеим линиям, не велика на высоких частотах следования импульсов накачки и составляет 130 мВт при частоте 520 кГц, затем спадает до 30 мВт с увеличением частоты до 630 кГц.

Для анализа полученных данных нами было проведено численное моделирование кинетики плазмы в фазе накачки и в межимпульсный период. На рис. 9, 10 представлены временные зависимости концентраций мета-стабильных атомов меди Л^ш/2 на частотах 513 и 606 кГц и концентрации электронов на данных частотах.

500 1000 1500 2000

Рис. 9. Временные зависимости концентраций метастабильных атомов меди в межимпульсный период Д^д (сплошная линия), N¡3з/2 (штриховая линия) на частоте 606 кГц и N[,¡/2 (пунктирная линия), Л^ззд (штрихпунктирная линия) на частоте 513 кГц

Рис. 10. Временные зависимости концентраций электронов в межимпульсный период Ые на частоте 513 кГц (штриховая линия), Еуд=0,1 мДж/см3, и на частоте 606 кГц (сплошная линия), Е д= 0,09 мДж/см3

Из результатов моделирования следует, что населенность нижнего 205/2 уровня, на высоких частотах следования импульсов накачки, существенно превосходит населенность 203/2 и достигает величин 10й см"3, как на частоте 513 кГц, так и на частоте 606 кГц. Как следствие, инверсия (с учетом статвесов) на переходе 2Рш-20ьп пропадает раньше, чем на переходе 2Р1/2—20у2- Причем, в ходе межимпульсного периода, вплоть до 1 мкс, происходит даже подкачка 2£>5/2 уровня с основного состояния атома меди, поскольку температура электронов после быстрого спада (от 2,5 до 1 эВ сразу после импульса накачки), в межимпульсный период медленно спадает до 0,4-0,5 эВ (рис. 11). Концентрация же электронов в межимпульсный период составляет порядка 1013 см"3 (рис. 10), и незначительно (в 1,5 раза) возрастает в фазе накачки.

Также была проведена оценка относительного вклада процессов диффузии и Си + Вг" —► СиВг + е в уход атомов меди в межимпульсный период. Было показано, что обратное время диффузии для данных условий составляет т"1 = 1,9-Ю3 с"1, а обратное время ухода свободных атомов меди из разряда за счет реакции Си + Вг"—► СиВг + е составляет т-1 = 4,1 • 103 с" . Таким образом, для ГРТ малого диаметра (менее 0,7 см), наряду с объемными процессами, заметное влияние оказывают и диффузионные процессы.

Во второй части главы представлены результаты исследования возможности использования высокочастотного СиВг-лазера для создания скоростных лазерных мониторов. Лазерный монитор позволяет осуществлять в режиме реального времени визуализацию процессов и объек-Рис. 11. Временная зависимость температу- тоВ) тых от наблюдателя

ры электронов в импульсе накачки на час- мощно{. фоншюй засветкой.

тоте 513 кГц

В данном разделе, на примере двух ГРТ (диаметром 2 см и 0,7 см), работающих с частотой следования 100 кГц и 500 кГц, соответственно, представлены оценки энергий спонтанного излучения и расчеты зависимостей энергий излучения фоновых засветок (внешней засветки и собственной засветки объекта наблюдения) от температуры источников засветки. Расчеты уровней фоновой засветки проведены по формуле Планка в приближении абсолютно черного тела.

Показано, что максимальные температуры, как источника внешней засветки, так и собственной засветки объекта, при которых будет иметь место искажение формируемого изображения, достаточно велики (более 20000 К). При этом энергия излучения усилителя яркости, работающего на частотах 100 и 500 кГц, на несколько порядков превосходит энергии спонтанного излучения и фоновой засветки. Это показывает возможность применения СиВг-лазера с высокой частотой следования импульсов генерации для создания быстродействующих активных оптических систем (скоростных лазерных мониторов).

В заключении сформулированы основные результаты работы.

1. Введение водорода приводит к существенной наработке молекул НВг и подобно прямому введению НВг, но с некоторыми отличиями. Анализ влияния добавки НВг (Н2) в активную среду СиВг-лазера, в широком диапазоне частот (10-100 кГц), показал, что:

• Добавки бромводорода в активную среду СиВг-лазера не приводят к существенному изменению предымпульсных концентраций ме-тастабильных атомов меди. Добавки же водорода приводят к двукратному уменьшению концентраций метастабилей. В смеси с добавками НВг с увеличением частоты следования импульсов накачки вплоть до 100 кГц предымпульсные значения стабилизируются на уровне 7><10'3см для нижнего 05/2 уровня зеленой линии (510,6 нм) и 7><1012 см"3 для нижнего 03/2 уровня желтой линии (578,2 нм).

• При введении же добавки водорода концентрация электронов в фазе накачки возрастает в два раза, а затем быстро спадает.

• Введение добавки НВг приводит к существенному уменьшению предымпульсных концентраций электронов. Основным механизмом здесь является реакция диссоциативного прилипания электронов к молекулам НВг (V = 0, 1, 2). Увеличение частоты следования импульсов накачки приводит к снижению концентрации электронов, как в фазе возбуждения (за счет снижения энерговклада в разряд), так и в межимпульсный период. К концу межимпульсного периода концентрация электронов в смеси с добавкой НВг стабилизируется на уровне 1012см"3 и не увеличивается с ростом частоты, что обусловлено уменьшением энерговклада в разряд.

2. Выявлено, что улучшение генерационных характеристик СиВг-лазера при введении активной добавки НВг связано, главным образом, с уменьшением предымпульсных значений концентраций электронов и, частично, с увеличением концентрации атомов меди в основном состоянии.

3. Показано, что механизмы ограничения частоты следования импульсов генерации СиВг-лазера в смеси с добавками и без добавок НВг различны. Без добавок НВг частота следования импульсов ограничивается ростом предымпульсной концентрации электронов. При добавках НВг частота следования импульсов ограничена предымпульсной концентрацией атомов меди в метастабильных состояниях.

4. Расчет скоростей ухода атомов меди из плазмы в межимпульсный период СиВг-лазера показал, что основным механизмом, в ГРТ диаметром более 1 см, является реакция Си + Вг~ —► СиВг + е, превышающая скорость диффузии на порядок. В ГРТ малого диаметра наряду с объемными процессами заметное влияние оказывают и диффузионные процессы.

5. На основе теоретического анализа показана принципиальная возможность получения частот следования импульсов генерации до 1 МГц и выше. Разработан лабораторный макет СиВг-лазера с частотой следования импульсов до 700 кГц.

6. Показана возможность применения высокочастотного CuBr-лазера для создания высокоскоростных активных оптических систем для задач диагностики быстропротекающих процессов в условиях мощной фоновой засветки.

В приложении 1 представлен перечень наиболее часто встречающихся обозначений и сокращений.

В приложении 2 представлены основные характеристики, в том числе предельные, лазеров на парах металлов.

В приложении 3 даны кинетические реакции и их константы. В приложении 4 представлен акт использования результатов работы в учебном процессе.

Цитируемая литература:

1. Солдатов А.Н., Соломонов В.И. Газоразрядные лазеры на самоограниченных переходах в парах металлов. - Новосибирск: Наука, 1985. - 152 с.

2. Оптические системы с усилителями яркости / Под. ред. Г.Г. Петраша. - М.: Наука, 1991. - (Труды ФИАН, Т. 206) - 152 с.

3. Бохан П.А., Силантьев В.И., Соломонов В.И. О механизме ограничения частоты следования импульсов в лазере на парах меди // Квантовая электроника,- 1980.-Т. 7,-№6.-С. 1264-1269.

4. Little С.Е. Metal Vapor Lasers: Physics, Engineering & Applications. - Chichester (UK): John Willey & Sons Ltd., 1998. - 620 p.

5. Лазеры на самоограниченных переходах атомов металлов - 2. В 2 т. - Т. 1 / Под ред. В.М. Батенина. - Физматлит. - 2009. - 544 с.

6. Солдатов А.Н., Юдин H.A., Васильева A.B., Колмаков Е.А., Полунин Ю.П., Костыря И.Д. Лазер на парах стронция с частотой следования импульсов до 1 МГц // Квантовая электроника. -2012. -Т. 42, —№ 1. -С. 31-33.

7. Astadjov D.N., Isaev A.A., Petrash G.G., Ponomarev I.V., Sabotinov N.V., Vuchkov N.K. Temporal and Radial Evolution of the Populations of Cul Levels in the CuBr Vapor Laser // IEEE J. Quant. Electronics. - 1992. - V. 28. -P. 1966-1969.

Основные результаты работы опубликованы в следующих рецензируемых изданиях:

1. Boichenko A.M., Evtushenko G.S., Torgaev S.N. Simulation of a CuBr Laser // Laser Physics, 2008.-V. 18.-№ 12.-P. 1522-1525.

2. Евтушенко Г.С., Губарев Ф.А., Суханов В.Б., Шиянов Д.В., Торгаев С.Н., Тригуб М.В. Скоростная визуализация микрообъектов посредством активных сред лазеров на парах металлов в условиях мощной засветки // Известия Томского политехнического университета, 2009. - Т. 315. - №4. -С. 141-146.

3. Тригуб М.В., Торгаев С.Н., Фёдоров В.Ф. Полупроводниковые источники накачки CuBr-лазеров // Известия Томского политехнического университета.-2010.-Т. 317. -№ 4. - С. 164-168.

4. Торгаев С.Н„ Губарев Ф.А., Бойченко A.M., Евтушенко Г.С., Жданеев О.В. Восстановление молекул бромида меди в плазме CuBr-лазера в межимпульсный период // Известия высших учебных заведений. Физика. -2011.-Т. 54. - № 2. - С. 81-84.

5. Тригуб М.В., Евтушенко Г.С., Губарев Ф.А., Торгаев С.Н. Лазерный монитор с возможностью покадровой регистрации изображений // Контроль. Диагностика.-2011, Вып. Специальный - С. 140-143.

6. Евтушенко Г.С., Тригуб М.В., Губарев Ф.А., Торгаев С.Н. Лазерный проекционный микроскоп с покадровой регистрацией изображения // Известия Томского политехнического университета. - 2011. - Т. 319 - №4 -С. 154-158.

7. Boichenko A.M., Evtushenko G.S., Torgaev S.N. Effect of Hydrogen Additives on Characteristics of the CuBr Laser // Physics of Wave Phenomena. - 2011. -V. 19,- №3,- P. 189-201.

8. Торгаев С.H., Бойченко A.M., Евтушенко Г.С., Шиянов Д.В. Моделирование СиВг-Ые-НВг-лазера при высоких частотах следования импульсов накачки // Известия высших учебных заведений. Физика. - 2012. - Т. 55. -№ 9. - С. 54-60.

9. Тригуб М.В., Евтушенко Г.С., Кирдяшкин А.И., Китлер В.Д., Юсупов P.A., Губарев Ф.А., Торгаев С.Н., Шиянов Д.В. Визуализация процесса СВС, с использованием активных сред CuBr-лазеров // Ползуновский вестник. -2012.-№2/1.-С. 181-184.

10. Нехорошее В.О., Федоров В.Ф., Евтушенко Г.С., Торгаев С.Н. Лазер на парах бромида меди с частотой следования импульсов до 700 кГц // Квантовая электроника - 2012. - Т. 42. - № 10. - С. 877-879.

11. Пат. 2463634 Российская Федерация, МПК G02B, 21/00. Лазерный проекционный микроскоп (варианты) / М.В. Тригуб, Г.С. Евтушенко, Ф.А.Губарев, С.Н. Торгаев. - № 2011120852/28, заявл. 24.05.2011, опубл. 10.10.2012, Бюл. №28.-5 с.

Печ. л. 1. Тираж 100 экз. Заказ № 2.

Тираж отпечатан в типографии ИОА СО РАН. 634055, г. Томск, пл. Академика Зуева, 1. Тел. (382-2)491-093.