Малоапертурные импульсно-периодические электроразрядные лазеры с плазменными электродами и высокой частотой повторения импульсов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

на правах рукописи

ЗАХАРОВ Валерий Павлович

МАЛОАПЕРТУРНЫЕ ИМПУЛЬСНО-ПЕРИОДИЧЕСКИЕ ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНЫЕ ЛАЗЕРЫ С ПЛАЗМЕННЫМИ ЭЛЕКТРОДАМИ И ВЫСОКОЙ ЧАСТОТОЙ ПОВТОРЕНИЯ ИМПУЛЬСОВ

Специальность 01.04.01 - Техника физического эксперимента, физика приборов, автоматизация физических исследований

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Самара-1998

-г

Работа выполнена в Самарском государственном научно-производственном объединении автоматических систем.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Бирюков A.C.

доктор физико-математических наук, профессор Катулин В.А. доктор физико-математических наук, профессор Котляр В.В. Ведущая организация - Институт электрофизики УрО РАН

г. Екатеринбург

Защита состоится « \ 998 г. в /О часов

на заседании диссертационного совета Д 063.87.04 при Самарском государственном аэрокосмическом университете им. академика С.П.Королева по адресу: 443086, Самара, Московское шоссе, 34.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного аэрокосмического университета им. академика С.П.Королева.

Автореферат разослан ^¡ШГЩ^Я 1998 года.

Ученый секретарь диссертационного ,

совета, профессор В.Г.Шахов

Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П.Королева

Разослано по списку рассылки авторефератов

Диссертационный совет Д 063.87.04

Направляем Вам для ознакомления автореферат диссертации ЗАХАРОВА ВАЛЕРИЯ ПАВЛОВИЧА, представленной на соискание, ученой степени доктора физико-математических наук, на тему «МАЛОАПЕРТУРНЫЕ ИМПУЛЬСНО-ПЕРИОДИЧЕСКИЕ ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНЫЕ ЛАЗЕРЫ С ПЛАЗМЕННЫМИ ЭЛЕКТРОДАМИ И ВЫСОКОЙ ЧАСТОТОЙ ПОВТОРЕНИЯ ИМПУЛЬСОВ».

Отзыв на автореферат в 1-ом экземпляре, заверенный ученым секретарем и скрепленный гербовой печатью, просим направить по адресу: 443086, г.Самара, Московское шоссе, 34. СГАУ.

Защита состоится 30 октября 1998 года.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 063.87.04

к.т.н., профессор

В.Г.Шахов

- 31. Общая характеристика работы

Актуальность темы и постановка задачи исследования. В

последние годы значительное развитие получили малогабаритные электроразрядные лазеры импульсно-периодического действия, что связано с их широким использованием для целей зондирования атмосферы, локации, дальнометрии, технологии. Для многих применений необходима малая длительность импульса излучения (менее 100 не) при относительно высоком техническом КПД лазера. Не менее важны эксплуатационные характеристики лазера и, прежде всего такие, как стабильность выходных характеристик, ресурс и периодичность регламентных работ.

Развитие эффективных лазерных систем стало возможным благодаря разработке методов возбуждения активной среды высокого давления. Известно, что обязательным условием зажигания разряда высокого давления в объемной форме является предварительная ионизация среды. В настоящее время предложено достаточно много систем предыонизации, использующие различные виды разрядов: искровой, коронный, вакуумный; искровой разряд по поверхности; скользящий разряд. Однако поддержание стабильных характеристик объемного разряда в малых зазорах при высокой частоте следования импульсов является сложной задачей и использование металлических электродов имеет ряд труднопреодолимых проблем: увеличение доли активного объема, занимаемого катодным слоем; перегрев приэлек-тродного слоя газа; развитие неустойчивости разряда из-за локальных неоднородностей. Кроме того, за счет плазмохимических реакций меняется состав газовой среды и, как следствие, выходные характеристики лазера.

-4В работах [1-3] разработаны системы формирования объемного разряда с плазменными электродами. Использование плазменных электродов позволяет вновь создавать электрод перед каяедым новым импульсом энерговклада, что устраняет ряд проблем, присущим металлическим электродам. Вместе с тем применение плазменных электродов в малоапертурных лазерах с высокой частотой следования импульсов сталкивается с рядом трудностей (низкий ресурс, перераспределение энергии между плазменным электродом и объемным разрядом) и требует отдельного исследования.

Следует также отметить, что процессы формирования излучения и объемного разряда в малых зазорах трудно поддаются масштабированию и требуют математического моделирования. В настоящее время известно достаточно много численных моделей [4,5], однако большинство из них рассматривает, как правило, отдельные процессы. В частности, не учитывается реальная форма импульса энерговклада, конфигурация оптической системы и т.п. Это не позволяет с достаточной степенью точности прогнозировать результаты проектирования малогабаритных лазеров, особенно чувствительных к взаимному влиянию параметров его систем.

Особенности применения малогабаритных лазеров часто требуют особого подхода к формированию лазерного излучения, управления спектром излучения, нелинейного преобразования излучения, использования различных газовых сред при одной и той же системе энерговклада.

Особый интерес представляют электроразрядные лазеры УФ диапазона спектра, в частности из-за высокой эффективности их при менения в медицине. Азотный лазер, как один из наиболее простых и недорогих в эксплуатации, может рассматриваться как альтернатива

эксимерным лазерам. Однако до недавнего времени низкий КПД азотного лазера сдерживал его применение. В настоящее время достигнут КПД азотного лазера близкий к 1%. Однако, при этом приходится применять сложные системы накачки (бегущая волна), требующие высокой степени синхронизации.

Для лазеров с малым временем существования инверсии необходимо обеспечивать создание активной среды с высокой плотностью быстрых электронов и большой крутизной нарастания импульса тока. Наиболее просто это достигается в скользящем разряде. Во многом вопрос возможности использования подобного разряда для накачки лазеров связан с локализацией разряда, с обеспечением его диффуз-ности и равномерности вклада энергии по объему плазмы разряда. Впервые обратили внимание на возможность создания азотного лазера на скользящем разряде авторы работы [6]. Однако, полученная ими эффективность не превышала 0.01% при низком ресурсе электродного узла и высокой расходимости и неоднородности излучения, что фактически не позволяет использовать данный лазер в реальных системах.

Задача создания малогабаритного электроразрядного лазера атмосферного давления высокой эффективности является во многом противоречивой, поскольку максимальная эффективность достигается при относительно низких напряженностях поля и микросекундной длительности импульса, а для снижения вероятности развития неустойчивости объемного разряда с высоким энерговкладом требуется создание полей высокой напряженности и малой длительности. Кроме того, условие компактности устройства накладывает ряд существенных ограничений и требований на параметры систем лазера. Прежде всего это ограничения, накладываемые лучевой прочностью оптических

элементов, требованием малости собственных индуктивностей цепей электропитания и т.д. Следовательно, при разработке и исследованиях процессов в малогабаритных лазерах следует обязательно проводить моделирование их параметров и характеристик.

Целью диссертационной работы является исследование энергетических, временных и спектральных характеристик импульсно-пе-риодических электроразрядных лазеров малой апертуры с плазменными электродами при высокой частоте повторения импульсов и определение методов повышения эффективности генерации, яркости и пиковой мощности излучения, стабильности выходных характеристик.

Задами исследования:

1. Исследование характеристик плазменных электродов и их зависимостей от параметров системы формирования плазмы.

2. Исследование объемных разрядов в системах с плазменными электродами и малыми зазорами при высокой частоте повторения импульсов.

3. Разработка математической модели, позволяющей с достаточной степенью точности определять характеристики малоапертурных электроразрядных лазеров с учетом взаимовлияния отдельных его систем.

4. Разработка малогабаритных лазеров с плазменными электродами на различных газовых средах и создание экспериментальных стендов. Исследование характеристик разработанных лазеров.

5. Исследование оптических систем формирования лазерного излучения с целью обеспечения высокой яркости излучения и управление его спектром.

- 76. Исследование стабильности характеристик генерации второй гармоники излучения в нелинейных кристаллах с целью обеспечения перестройки спектра излучения лазера. Разработка эффективных генераторов второй гармоники излучения для С02-лазера. 7. Исследование применений УФ лазерного излучения в медицине. Научная новизна. Проведенные исследования позволили развить и обобщить физические принципы, имеющие место при формировании объемных и поверхностных разрядов в системах с малыми межэлектродными зазорами и плазменными электродами, и создать новый класс малоапертурных импульсно-периодических электроразрядных лазеров с плазменными электродами и высокой частотой повторения импульсов.

Автором получены следующие результаты:

1. Разработана математическая модель малоапертурного электроразрядного лазера с плазменными электродами и высокой частотой повторения импульсов, учитывающая наряду с основными физическими процессами динамическое взаимовлияние основных систем лазера на выходные характеристики излучения и их стабильность.

2. Обоснована возможность использования плазменных электродов для создания малогабаритных импульсно-периодических электроразрядных лазеров с высокой частотой следования импульсов и высокой стабильностью выходных характеристик в течение длительного времени работы (более 109 импульсов). Впервые получена эффективная генерация излучения с использованием плазмы многоканального диффузного разряда в качестве электрода лазера.

-83. На основании проведенных исследований созданы головные образцы:

- импульсно-периодического TEA С02-лазера с плазменными электродами на основе многоканального диффузного разряда, обеспечивающего объемный энерговклад в безгели-вую смесь до 300 Дж/л и выходную энергию излучения в импульсе 350 мДж при частоте следования импульсов до

400 Гц;

- импульсно-периодического С02-лазера с плазмолистовым предыонизатором и габаритами активной среды 5x5x200 мм, выходной энергией излучения 30 мДжпри длительности импульса 30 не и частоте следования импульсов до 1 кГц.

4. Теоретически и экспериментально исследованы динамические, энергетические и спектральные характеристики малоапертурных HF/DF-лазеров на нецепной реакции с многоканальным диффузным разрядом и замкнутым газодинамическим контуром при высокой частоте повторения импульсов (до 400 Гц). Найдена динамическая зависимость энергораспределения по спектру излучения DF-лазера от исходных параметров лазера (давления, состава смеси, напряженности электрического поля) и времени работы. При этом выявлены физические причины, ограничивающие эффективность и ресурс лазера, что позволило найти условия, обеспечивающие повышение времени непрерывной работы на одной заправке смеси со стабильными энергетическими и спектральными характеристиками излучения более, чем на порядок.

5. Показана возможность использования трехзеркальных неустойчивых резонаторов с зеркалом дополнительной обратной связи для эффективной генерации излучения в малоапертурных лазерах.

6. Показано, что применение внутрирезонаторной элегазовой ячейки позволяет осуществить перестройку частоты генерации вблизи максимумов усиления полосы 00°1-10°0 и полосы 00°1-02°0 молекулы С02 за счет плавного изменения давления БР6 в ячейке. Впервые найдены режимы многочастотной генерации, в которых излучение на каждой из частот генерируется одномоментно и обладает одинаковой поляризацией.

7. Экспериментально исследован эффект генерации второй гармоники излучения малоапертурного С02-лазера на нелинейных кристаллах АдСаЭег и гпСеР2 при высокой частоте следования импульсов. Показано, что КПД генерации второй гармоники излучения на нелинейном кристалле гпвеРг составляет 4.5%, не зависит от частоты следования импульсов вплоть до 300 Гц и ограничивается лучевой прочностью его задней грани. Исследованы процессы, приводящие к энергетической нестабильности второй гармоники излучения, и предложены методы компенсации нестабильности.

8. Теоретически и экспериментально исследованы процессы генерации излучения в азотном лазере на скользящем разряде. Получен КПД генерации 0.3%. Предложены, обоснованы и реализованы способы повышения выходных энергетических характеристик и ресурса работы лазера. Впервые получена эффективная генерация излучения на кольцевом скользящем разряде с расходимостью излучения близкой к дифракционной.

- 109. Разработана серия УФ лазерных медицинских установок, применение которых позволило вдвое сократить сроки лечения туберкулеза легких.

На защиту выносятся:

• Математическая модель малоапертурного электроразрядного лазера с плазменными электродами и высокой частотой повторения импульсов.

• Результаты исследований малоапертурных импульсно-периоди-ческих электроразрядных лазеров с плазменными электродами и высокой частотой следования импульсов, показавшие, что использование плазмы многоканального диффузного разряда в качестве электродов лазера обеспечивает высокую эффективность генерации при стабильности выходных характеристик в течение длительного времени работы, и позволившие создать головные образцы малоапертурных СОг- и НРЛЭР- лазеров с плазменными электродами и частотой повторения импульсов до 1 кГц.

• Методы управления спектром и повышения качества излучения электроразрядного лазера малой апертуры при высокой частоте следования импульсов, позволившие получить:

- двухкратное увеличение яркости излучения при использовании телескопических резонаторов с зеркалом дополнительной обратной связи по сравнению с традиционным устойчивым резонатором;

- режим управляемой многочастотной генерации на Р- и Р-ветвях полос 00°1-10°0 и 00°1-02°0 молекулы С02 за счет введения в полость резонатора С02-лазера ячейки с регулируемым давлением ЗР6;

- эффективность генерации второй гармоники излучения С02-лазера 4.5% на нелинейном кристалле гпСеР2 при высокой частоте следования импульсов и предельной лучевой нагрузке на нелинейный кристалл.

• Результаты теоретических и экспериментальных исследований динамики изменения энергораспределения по спектру излучения малоапертурного НРЛЭР-лазера от времени работы и исходных параметров лазера (давления, состава смеси, напряженности электрического поля) и методы повышения ресурса работы лазера со стабильными энергетическими и спектральными характеристиками излучения.

• Результаты исследований азотного лазера на скользящем разряде с высокой частотой следования импульсов и высокими удельными характеристиками и метод создания азотного лазера на кольцевом скользящем разряде для получения эффективной генерации с расходимостью излучения, близкой к дифракционной, и КПД генерации 0.3%.

• Серия УФ лазерных медицинских установок «Альмицин». Практическая ценность работы. Результаты работы внедрены в Самарском государственном НПО автоматических систем в практику разработки, проектирования и экспериментальной отработки малогабаритных лазеров. На основании проведенных исследований созданы головные образцы малогабаритных С02-, ИР- и ЭР-лазеров с плазменными электродами и высокой частотой повторения импульсов. Разработаны УФ лазерные медицинские установки, которые внедрены в лечебную практику и используются в Самарской медицинском университете им. Д.И.Ульянова, Центральном НИИ туберкулеза, НИИ

«Неионизирующие излучения в медицине», Ташкентском медицинском институте и других лечебных заведениях. Лицензия на УФ лазерную медицинскую установку приобретена ЮАР.

Апробация работы. Основные результаты исследований, вошедшие в диссертацию, докладывались на 1У Всесоюзной конференции «Кинетические и газодинамические процессы в неравновесных средах» (Москва, 1988), У1 Всесоюзной конференции «Оптика лазеров» (Ленинград, 1990), У Всесоюзной конференции по физике газового разряда (Омск, 1990), У1 Международной конференции по квантовой электронике (Варна, 1990), УШ Всесоюзном симпозиуме по сильноточной электронике (Свердловск, 1990), Международной конференции «Новое в лазерной медицине и хирургии» (Москва, 1990), У Мездуна-родном семинаре «Применение лазеров в науке и технике» (Новосибирск, 1992), Международной конференции «Новые достижения лазерной медицины» (Москва, 1993), УП Международной конференции по физике газового разряда (Самара, 1994), 1У национальном конгрессе по болезням органов дыхания (Москва 1994), Всесоюзной конференции «Актуальные вопросы лазерной медицины и операционной эндоскопии» (Видное, 1994), International Conference on laser methods for Biological and environmental applications (Heraklion, 1996), International Congress "Laser Health'97" (Limassol, 1997), Международной конференции «Лазерные технологии'98» (Шатура, 1998). Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 8 глав и заключения. Объем диссертации - 294 страницы, включая 7 таблиц, 106 рисунков и список литературы из 203 наименований, из которых 36 с участием автора.

- 13 -

Содержание работы

Во введении приведена общая характеристика диссертационной работы, обоснована ее актуальность, охарактеризовано состояние проблемы, сформулирована постановка задачи и цель диссертации, кратко изложено содержание диссертации по главам.

Первая глава посвящена построению математической модели малогабаритного электроразрядного лазера. Рассмотрен процесс разработки лазера и место математических моделей в нем. Предложено проводить численное моделирование и оптимизацию лазера в два этапа. На первом этапе производится оценка основных внутренних характеристик систем лазера и требуемого диапазона их регулирования. При этом используется численно-аналитическая модель, включающая в себя упрощенные математические модели систем лазера и аналитические связи их параметров. На втором этапе проводится численное моделирование систем лазера в выбранном диапазоне изменения параметров лазера.

Сформулированы основные аналитические зависимости, описывающие работу основных систем лазера (системы предыонизации, системы накачки, газодинамического тракта, оптической системы) с учетом их особенностей и констуктивных ограничений. Показано, что полученные соотношения удовлетворительно описывают взаимовлияние параметров различных систем лазера на выходные характеристики излучения, правильно отражая экспериментальные зависимости.

Построена математическая модель, описывающая основные взаимосвязанные процессы: баланс энергии электронов в плазме разряда, формирование импульсов накачки и предыонизации, дина-

мику населенностей лазерных уровней, термодинамические характеристики газовой среды, спектральные и оптические характеристики излучения. Результаты численного моделирования с использованием данной модели отличаются от результатов экспериментов не более, чем на 15%.

Вторая глава посвящена рассмотрению особенностей формирования импульсно-периодического объемного газового разряда в малых зазорах. В первом параграфе на основании литературных данных проанализированы способы возбу>вдения объемного разряда. Сделан вывод о перспективности применения плазменных образований в качестве электродов системы энерговклада. Сформулированы основные требования к подобного рода электродам. Найдены условия зажигания однородного скользящего разряда в зависимости от параметров системы его формирования. На основании представления системы формирования скользящего разряда в виде линии с распределенными параметрами и приближения многоэлектронного инициирования получены аналитические соотношения для распределений нормальной и касательной к поверхности диэлектрика составляющих электрического поля по разрядному промежутку, хорошо согласующиеся с результатами численных решений и экспериментальными данными.

Найдены аналитические зависимости для излучательных характеристик плазмы скользящего разряда, хорошо коррелирующие с известными эмпирическими зависимостями. Показано преимущество газоразрядных систем с использованием плазменного катода, определяемое практически неограниченной эмиссионной способностью плазмы и отсутствием в системах с плазменным электродом катодного слоя в обычном его понимании.

- 15В третьей главе приведены результаты исследований процесса генерации излучения в разработанных малогабаритных С02-лазерах с плазменными электродами при высокой частоте следования импульсов. Проанализированы свойства плазменных электродов, формируемых на границе раздела твердого и газообразного диэлектриков. Найдены требования к толщине диэлектрической подложки, ее диэлектрической проницаемости и величине межэлектродного зазора. Показано, что по многим характеристикам многоканальный диффузный разряд близок к незавершенному скользящему разряду и его можно формировать в виде протяженных плазменных образований. Экспериментально доказано, что плазму многоканального диффузного разряда можно использовать не только как источник УФ предыониза-ции, но и как электрод основного разряда.

Получена эффективная генерация излучения с использованием плазмы многоканального диффузного разряда в качестве электродов лазера. Исследованы выходные характеристики и процессы, имеющие место в С02-лазере сданным плазменным электродным узлом. Использование плазменного электрода на основе многоканального диффузного разряда позволило повысить ресурс работы до 109 импульсов при частоте следования импульсов до 400 Гц и энерговкладе до 260 Дж/л, длительности импульса излучения 40 не и энергии излучения 350 мДж.

Исследован процесс генерации излучения в малоапертурном С02-лазере с плазмолистовым предыонизатором. За счет минимизации индуктивности контура системы накачки достигнута концентрация электронов предыонизации в межэлектродном объеме 1012см"3. Найдены условия использования плазмолистового предионизатора, по зволяющие обеспечить стабильный энерговклад при частотах следо-

вания импульсов вплоть до 800 Гц в активный объем 5x5x200 мм, энергию в импульсе излучения 30 мДж при его длительности 30 не и КПД 7%.

В четвертой главе рассмотрена проблема формирования вы-сокояркостного излучения в малоапертурных лазерах. Показано, что в системах с малым значением эквивалентного числа Френеля (~1.1) возможно применение неустойчивых резонаторов для эффективной генерации одномодового излучения. Предложены оригинальные схемы трехзеркальных телескопических резонаторов с зеркалом обратной дополнительной связи, применение которых позволило вдвое поднять яркость излучения при значительном (более, чем на порядок) увеличении лучевой прочности и ресурса оптических элементов. Экспериментально показано (рис.1,2):

- в многомодовом режиме трехзеркальный телескопический резонатор обеспечивает по сравнению с устойчивым резонатором снижение расходимости выходного излучения без изменения выходной энергии и при компактном выводе излучения (поперечное сечение пучка в дальней зоне-круг),

- в одномодовом режиме телескопический резонатор со смещенной осью обеспечивает по сравнению с устойчивым резонатором снижение расходимости и увеличение энергии выходного излучения на 25-30% (поперечное сечение пучка в дальней зоне - эллипс с малым эксцентриситетом).

Показано, что применение внутрирезонаторной ячейки с эле-газом позволяет осуществлять плавную перестройку частоты излучения генерации вблизи максимумов усиления полосы 00°1-10°0 и полосы 00°1-02°0 молекулы С02 за счет изменения давления БЯб в

ячейке. Найдены условия (рис.3), когда возможна одновременная многочастотная генерация на данных переходах с плавно изменяемой долей общей энергии. Многочастотная генерация наблюдалась как в одномодовом, так и многомодовом режиме генерации. Поляризация излучения для всех генерируемых частот совпадала.

Рис.1. Зависимость относительной интенсивности I от относительной энергии излучения

Рис.2. Зависимость относитель-

ной яркости от пропускания (%

В пятой главе теоретически и экспериментально исследован эффект генерации второй гармоники С02-лазера на серии нелинейных кристаллов при высокой частоте следования импульсов и предельной лучевой нагрузке на кристалл. Показано (рис.4), что наибольшая эффективность преобразования достигается на кристаллах АдСавег и гпСеР2, однако последний обладает лучшими ресурсными характеристиками.

Экспериментально показано (рис.5), что в импульсно-периоди-ческом режиме генерации второй гармоники эффективность преобразования на кристалле 2пСеР2 составляет 4.5%, не изменяется вплоть до частот повторения 300 Гц и ограничена только лучевой стойкостью его поверхности.

Экспериментально исследована нестабильность характеристик второй гармоники. Показано (рис.6), что нестабильность энергии второй гармоники более чем вдвое превышает нестабильность выходной энергии первой гармоники.

О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

— О — 001-100: Р(20)+Я(20) —О-001-020: Р(20)

- - Л- - 001-020: (?(26)

Рис.3. Спектральный состав излучения в зависимости от давления ЗР6. Состав С02:Ы2:Не=2:1:8 при р=2 атм

+0,2 0,4 0,6 0,8 1

-•-1 -«-2

— -Д— -4 — -О- —5

1,2 1,4 1,6 - - А-- '3

Рис.4. Зависимость КПД генерации второй гармоники излучения от плотности энергии накачки (Дж/см2). 1..5 - образцы кристалла гпСеР2.

юоо £ 800 4-

14 15 16 17 18 19 20 21 Е1, мДж

- О-.

■ - Ж- ■

-№2, (=250 Гц •№М=300Гц •№1^=100

30 20 10 О

Сд- ■ .о- •

.. -О - - -о - •

10 20

30 г, Гц

40 50 60

Рис.5. Зависимость энергии второй гармоники излучения Е2 от энергии накачки Е1 (многомодо-вый режим)

- - О- - • 1 гармоника

— -Л — 2 гармоника многомод.режим —О—2 гармоника, одномод.режим

Рис.6. Нестабильность энергии первой и второй гармоник излучения для кристалла гпСеР2.

На основании проведенных исследований сформулированы практические рекомендации по созданию генератора второй гармоники на основе монокристалла 2пСеР2:

- наибольшая эффективность достигается при использовании излучения накачки с длинной волны 9.3 мкм;

- необходимо использовать одномодовый режим генерации с однородным пучком эллиптического сечения, который может быть сформирован в трехзеркальном телескопическом резонаторе;

- максимальная длина нелинейного взаимодействия, при которой не происходит обратной перекачки энергии второй гармоники в энергию накачки, составляет 9-10 мм;

- юстировку кристалла по простанственным углам относительно нормали к его поверхности следует проводить с точностью ~30';

- длительность импульса накачки не должна превышать 30 -35 не с минимизацией доли энергией в «хвосте» импульса;

- нестабильность энергии импульса накачки не должна превышать 5%;

- в процессе работы, во-первых, температура нелинейного кристалла не должна превышать 50°С и, во-вторых, должна быть обеспечена автоматическая подстройка угла синхронизма при изменении температуры с точностью ~30'.

В шестой главе исследована возможность использования плазменных электродов на основе многоканального диффузного разряда для создания химического НРЮР-лазера на нецепной реакции. Проведено обобщение математической модели, описанной в главе 1,

на случай учета химических реакций, имеющих место в НРЮР-лазере. На основании построенной модели проведено исследование динамики работы лазера. Сравнение с экспериментальными результатами показывает, что энергетические характеристики лазера определяются по данной модели с точностью до 10%.

3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 4 а) новая смесь

лШ!

3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 А 3,5 3,6 3,7 3,8 3,9 4

6) 6-103 импульсов

в) 10 импульсов

Рис.7. Динамика изменения спектра излучения ОР-лазера. Смесь 8Р6:02=6:1, р=130 торр.

Приведены результаты экспериментальных исследований зависимостей энергетических характеристик и спектрального распределения от состава и давления газовой смеси, условий энерговклада, частоты следования импульсов, параметров блока химпоглотителя и геометрии газоразрядной камеры. Показано, что спектральная яркость излучения наиболее чувствителена к изменению химического состава лазерного вещества. Найдены условия, при которых длительность генерации излучения со стабильными энергетическими и спектральными характеристиками (ресурс работы на одной заправке смеси) повышена более, чем на порядок (рис.7). Исследовано влияние параметров резонатора на спектральную яркость излучения, позволившее добиться повышения (до 80%) яркости излучения в области 4 мкм.

В седьмой главе представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований азотного лазера на скользящем

разряде. Построена система балансных уравнений для населенностей уровней молекулы N2, учитывающая все процессы прямого электронного удара, колебательного возбуждения и девозбущения нижнего уровня, а также процессы вынужденного излучения на 2+- и 1+-полосах. Построенная модель в совокупности с остальными модулями математической модели главы 1 позволила полно описать динамику изменения инверсии населенности, генерируемую форму импульса и спектральный состав излучения.

Экспериментально исследованы выходные энергетические, пространственно-временные и спектральные характеристики азотного лазера на плазменном листе. Показано, что для достижения высокой эффективности генерации излучения следует минимизировать длительность энерговклада и повышать крутизну переднего фронта импульса накачки. Получен КПД генерации 0.3% при частоте следования импульсов 300 Гц и средней выходной мощности излучения 28 мВт. Найдена зависимость выходных характеристик от параметров системы накачки и характеристик плазменного листа (рис.8). Установлено, что в азотном лазере на скользящем разряде максимум КПД достигается при давлении азота 40..50 торр (рис.9,10), в то время как однородное горение скользящего разряда наблюдалось вплоть до 200 торр. Распределение интенсивности излучения по сечению соот-ветсвует распределению поля в скользящем разряде, которое характеризуется существенной неоднородностью в поперечном направлении. При этом величина неоднородности в значительной мере определяется толщиной и материалом диэлектрика-подложки и величиной межэлетродного зазора для плоской конфигурации. При относительно небольших зазорах (15...20 мм) распределение интенсивности (рис.11)

1.2 1

= 0-8 о 0,6 ш" 0,4 0,2 0

10 12 14 16 18 20 22 ио, кВ

— О—1 —О—1,5

200

- - О- - '2,2 — -д- -3,3

- -X — 4,7

Рис.8. Зависимость относительной эффективности генерации от напряжения. В обозначениях указана величина емкости накопителя.

1,2 1

Э 0,8 ^ 0.6 5 0,4 0,2 0

10 40 70

Р. торр --0--1 —Д-2

Рис.10. Зависимость средней мощности излучения от давления для плоской (1) и цилиндрической (2) геометрии.

■2 ...... 1

Рис.9. Зависимость относительной средней мощности излучения от давления для азота особой чистоты (1) и воздуха (2).

I, мм

--Д---1 -О-2

Рис.11. Распределение интенсивности излучения в поперечном направлении скользящего разряда для плоской (1) и цилиндрической (2) геометрии.

имеет вид кривой с двумя «острыми» максимумами, расположенными несимметрично относительно оси межэлектродного промежутка. Во всем диапозоне исследуемых давлений генерация возбуждается

только на длинах волн 337.1 нм, 357.7 нм и 315.9 нм, что соответсвует переходам 0-0, 0-1,1-0 2+-полосы молекулы Ы2. При этом интенсивность линии 0-0 2+-полосы N2 превосходит интенсивность других линий на порядок.

Получена генерация на воздухе. Экспериментально установлено, что характер зависимостей выходных характеристик лазера от его параметров при использовании в качестве активной среды воздуха и азота особой чистоты не изменяется, а энергия излучения уменьшается в 2.5 раза (рис.9). Показано, что азотный лазер на скользящем разряде слабо чувствителен к изменению концентрации азота в азотно-воздушной среде при относительной концентрации азота превышающей 0.92. Это позволило применить молекулярный фильтр и использовать окружающий воздух как резервуар рабочего вещества, что фактически эквивалентно неограниченному ресурсу лазера по потребляемому рабочему веществу.

Получена генерация излучения с расходимостью, близкой к дифракционной, при использовании скользящего разряда по диэлектрической цилиндрической поверхности. Толщина плазмы разряда, измеренная по ее спонтанному излучению, составила 0.5 мм. Установлено, что распределение инверсии населенностей вдоль образующей цилиндрической поверхности соответсвует распределению, полученному в случае плоской геометрии плазменного листа, а максимум выходной мощности лазерного излучения для цилиндрической конфигурации сдвинут в сторону меньших значений давления на 10% по сравнению с плоской конфигурацией разряда (рис.10).

Для цилиндрической конфигурации разряда интенсивность излучения перераспределяется из-за кривизны плазмы разряда и за счет геометрического «расплывания» излучения оно в дальней зоне

представляет собой сплошное кольцо, при этом распределение интенсивности излучения по полярному углу «сглажено» по сравнению с распределением энергии в плазме разряда, а максимум энергетического распределения сдвигается к центру (рис.11).

В восьмой главе описаны лазерные медицинские установки серии Альмицин, разработанные на основе азотного лазера на скользящем разряде, и имеющие следующие характеристики: средняя выходная мощность - 0.25..20 мВт; длительность импульса - 4..6 не; время подготовки - 3 мин; время экспозиции - 0.1 ..30 мин; масса - 27 кг.

Использование данных установок позволило практически вдвое сократить длительность лечения туберкулеза легких.

Основные результаты и выводы

1. Теоретически и экспериментально обоснована возможность использования плазмы в качестве электрода импульсно-периодиче-ских лазеров малой апертуры с высокой частотой следования импульсов энерговклада. Показано, что по многим характеристикам многоканально-диффузный разряд близок к незавершенному скользящему разряду и его можно сформировать в виде протяженных плазменных образований.

Экспериментально получена генерация излучения в малоапертур-ном С02-лазере при использовании в качестве электрода плазмы многоканального диффузного разряда.

-252. Экспериментально показано, что при частотах следования импульсов до 300 Гц ресурс плазменных электродов на основе диэлектрических подложек из лейкосапфира и ситала превышает 109 импульсов, а диэлектрические подложки из лейкосапфира допускают их использование вплоть до частот 1 кГц.

Получены аналитические соотношения для распределений нормальной и касательной к поверхности диэлектрика составляющих электрического поля по разрядному промежутку скользящего разряда. Использование представления разряда в виде емкостной линии с распределенными параметрами и модели многоэлектронного инициирования позволило найти качественную зависимость излучательных характеристик плазмы скользящего разряда от параметров системы его формирования, хорошо коррелирующие с известными эмпирическими результатами.

3. Разработана математическая модель малоапертурного элекгро-разрядного лазера с плазменными электродами, учитывающая основные физические процессы и взаимовлияние систем лазера (системы электропитания, системы предыонизации, электродного узла, резонатора, газодинамического тракта), а также конструктивные и компоновочные особенности лазерных установок. Построенная математическая модель позволила прогнозировать характеристики С02-, НЯ-, ОР-, Ы2-лазеров с учетом динамики изменения характеристик системы накачки, газодинамического тракта, химических реакций с точностью до 15%.

4. На основании проведенных исследований малоапертурных лазеров созданы головные образцы:

-26- импульсно-периодического TEA С02-лазера с плазменными электродами на основе многоканального диффузного разряда, обеспечивающего объемный энерговклад в безгелиевую смесь до 300 Дж/л и выходную энергию излучения в импульсе 350 мДж при частоте следования импульсов до 400 Гц и ресурсом до 109 импульсов;

- импульсно-периодического С02-лазера с плазмолистовым пред-ыонизатором и габаритами активной среды 5x5x200 мм, выходной энергией излучения 30 мДж при длительности импульса 30 не и частоте следования импульсов до 1 кГц.

5. На основании теоретических и экспериментальных исследований энергетических, временных и спектральных характеристик мало-апертурных HF- и DF-лазеров с электродами на основе многоканального диффузного разряда определены факторы, влияющие на ресурс их работы. Найдена зависимость энергораспределения по спектру излучения в процессе работы в зависимости от исходных параметров лазера (напряженности поля накачки, состава и давления смеси), а также времени непрерывной работы лазера. Установлено, что наиболее чувствительно к влиянию внешних параметров - энергораспределение излучения по спектру и его стабильность в процессе работы. При этом изменение спектрального энергораспределения не зависит от частоты следования импульсов и полностью определяется числом импульсов, т.е. изменением химического состава смеси в процессе работы. Это приводит к исчезновению в спектре излучения DF-лазера линий генерации в области 4 мкм и 3.6 мкм. Применение блока химочистки (с наполнителем ИКС 04,5мм) в сочетании с электрофильтром позволяет

увеличить более чем на порядок ресурс работы на одной заправке смеси при поддержании не только стабильных энергетических выходных характеристик лазера, но и спектрального распределения излучения.

6. Исследованы особенности формирования лазерного излучения в малоапертурных лазерах с плотностью мощности излучения близкой к порогу лучевой прочности оптических элементов и экспериментально показана возможность использования в них неустойчивых телескопических резонаторов. Установлено, что использование телескопических резонаторов с зеркалом дополнительной обратной связи в малоапертурных импульсно-периодических лазерах с плазменными электродами и высокой частотой следования импульсов обеспечивает увеличение яркости выходного излучения в два-три раза при одновременном обеспечении повышения лучевой прочности оптических элементов резонатора и, как следствие, ресурса работы лазера.

7. Применение внутрирезонаторной ячейки с плавным изменением давления 5Р6 позволяет осуществить перестройку частоты генерации вблизи максимумов усиления полосы 00°1-10°0 и полосы 00°1-02°0 молекулы С02. Экспериментально установлено, что возможен режим многочастотной генерации (на линиях Р(20) и Р(20) полосы 00°1-10°0, Р(20) полосы 00°1-10°0 и Р(20) полосы 00°1-02°0, Р(20) и И(26) полосы 00°1-02°0) с плавно изменяемой долей общей энергии, излучаемой на этих переходах. При этом многочастотная генерация осуществляется одномоментно с одинаковой поляризацией излучения для всех переходов как в случае одномо-довой, так и многомодовой генерации.

-288. Экспериментально показано, что наибольшая эффективность преобразования во вторую гармонику излучения малоапертурного С02-лазера при высокой частоте следования импульсов и предельной лучевой нагрузке на нелинейный кристалл достигается при использовании нелинейных кристаллов АдСаЭег и гпСеР2, однако последний кристалл обеспечивает больший ресурс работы. Установлено, что КПД генерации второй гармоники излучения на нелинейном кристалле 2пСеР2 составляет 4.5%, не зависит от частоты следования импульсов вплоть до 300 Гц и ограничивается лучевой прочностью его задней грани. Экспериментально показано, что влияние температурных эффектов, возникающих при больших частотах следования импульсов, может быть компенсировано путем автоматической подстройки углов синхронизма. Установлено, что энергетическая нестабильность второй гармоники более чем вдвое превосходит нестабильность энергии генерации лазера накачки.

9. Предложен способ создания азотных лазеров за счет использования в качестве рабочей среды плазмы скользящего разряда. Теоретически и экспериментально исследованы его энергетические, временные и спектральные характеристики. При этом получена эффективность генерации 0.3% при высокой частоте следования импульсов (вплоть до 300 Гц) и габаритах активной области 0.3x10x200 мм.

10. Показано, что без существенного изменения КПД азотный лазер на скользящем разряде может работать на воздушной среде, обогащенной азотом до 92...94%. Создан азотный лазер с молекулярным фильтром, использующий в качестве активного вещества ок-

ружающий воздух и имеющий практически неограниченный ресурс по рабочему веществу.

11. Показана возможность использования кольцевого скользящего разряда для получения эффективной генерации на азоте с расходимостью излучения, близкой к дифракционной.

По теме диссертации опубликрвано 36 работ, в том числе

1. Захаров В.П., Кислецов A.B., Левченко O.A. Основы проектирования малогабаритных электроразрядных лазеров, Куйбышевский авиационный институт, Куйбышев, 1990. - 92с.

2. Электромагнитное поле экранированной двухпроводной линии/ Захаров В.П., Кислецов A.B.,Мосолов А.Ю., Кривопустов A.B.// Электричество. -1990. -№5. - с.22-24.

3. Внутреннее поле экранированной двухпроводной линии/ Захаров В.П.. Кислецов A.B., Кривопустов A.B..Мосолов А.Ю.// Электричество. -1990. - №7. - с.46-52.

4. Захаров В.П., Кузнецов С.С., Левченко O.A. Формирование многоспектрального лазерного излучения с помощью нелинейного внут-рирезонаторного фильтра// Тез. Докл. У1 Всесоюз.конф. «Оптика лазеров». - Ленинград, 1990. - с.140.

5. Новый лазерный метод лечения туберкулеза легких/ Алимов Д.Т., Захаров В.П., Каримов Х.Я. и др//Тез.Межд.конф. «Новое в лазерной медицине и хирургии». - Москва, 1990. - с.289.

6. Исследования малоапертурного лазера с трехзеркальным телескопическим резонатором/ С.В.Давыдов, В.П.Захаров, А.В.Кислецов и др.// Тезисы Всес.конф. «Оптика лазеров». - Л. 1990. - С.22.

- 307. Захаров В.П., Левченко О.А., Осипов В.В., Тельнов В.А. Система предионизации для малоапертурных импульсно-периодических лазеров// Тезисы докл. У Всесоюз. конф. по физике газового разряда, кн.1. - Омск, 1990. -с. 127.

8. Захаров В.П.. Кислецов А.В. Малогабаритные электроразрядные лазеры// Тез. Докл. У1 Междун. Конф. по квант.электронике. -Варна,1990. - с.89.

9. Патент №2064801 RU С1 Способ лечения деструктивных форм туберкулеза легких и устройство для его осуществления/Алимов Д.Т.. Захаров В.П., Зикрин Б.О. и др. Приоритет от 9.04.91.

10. Zakharov VP., Kisletsov A.V. Compact electric-discharge lasers. //In Lasers - Physics and Applications. World Scientific Publishing Co.Pte.Ltd. - 1991. -p.178-210.

11. Давыдов C.B., Захаров В.П., Павленко B.H. Нелинейные процессы в связанных трехволновых системах.// Физика плазмы. -1993. -Т.19, вып.З. - с.359-364.

12. Ultraviolet laser endocavital irradiation in combined treatment of patients with lung tuberculosis/ Prokhorov A.M., Dobkin V.G., Kuzmin G., Zakharov V.P et al// Minimal Invasive Medizain. -1993, №4 - p.3-5.

13. Генерация второй гармоники излучения импульсного С02-лазера в кристалле ZnGeP2/A.A.BapbiKHH, С.В.Давыдов, В.П.Дорохов, В.П.Захаров, В.В.Бутузов// Кв.элекгроника. -1993. - т.20, №8. - с.794 -800.

14. Эндокаветарное облучение ультрафиолетовым лазером «Альми-цин» в комплексном лечении больных туберкулезом легких/ Дмитриченко А.И., Добкин В.Г.. Багиров М.А., Кузьмин Г.П., Захаров В.П.// В кн.: «Новые достижения лазерной медицины». Материалы Межд.конф.- Москва-Санкт-Петербург, 1993. -с.72-73.

15. Применение скользящего разряда для накачки наносекундных газовых лазеров/ Захаров В.П., Левченко О.А., Кузьмин Г.П., Тарасов А.И.// Тез.докл. УП конф. по физике газового разряда. -Самара, 1994. - с.76.

16. Интракавернозное облучение ультрафиолетовым лазером «Альмицин» в комплексном лечении больных деструктивным туберкулезом легких/ Дмитриченко А.И., Добкин В.Г., Кузьмин Г.П., Захаров В.П. и др.//4 нац.конгресс по болезням органов дыхания. -Москва, 1994. - с.483.

17. Ультрафиолетовая эндокавитарная лазеротерапия в комплексном лечении больных деструктивным туберкулезом легких./ Дмитриченко А.И., Добкин В.Г., Кузьмин Г.П., Захаров В.П., Багиров М.А.// В кн.: «Актуальные вопросы лазерной медицины и операционной эндоскопии». - Видное, 1994. - с.46-48.

18. Генерация второй гармоники излучения импульсного С02-лазера в монокристалле AgGaSe2 и ZnGeP2./ Андреев Ю.М., Бутузов В.В., Верозубова Г.А., Грибенюков А.И., Давыдов С.В.. Захаров В.П.// Физика лазеров. - 1995. -т.5, №5. - с.1014-1020.

19. «Al'mitsin» laser medical Apparatus for the treatment of destructive forms of pulmonary tuberculosis/ Prokhorov A.M., Kuzmin G.P., Kislet-sov A.V., Zakharov V.P., Dobkin V.G.// Laser Physics - 1996. - v.6,№2. -p.420-422.

20. UV laser ALMICIN endocavital irradiation in combined treatment of patients with fiber-cavernous lung tuberculosis/ Prokhorov A.M., Kuzmin G.P., Kisletsov A.V., Zakharov V.P., Dobkin V.G.// Int.Conf. on laser methods for Biological and environmental applications. - Heraklion, Greece, 1996. - p.29.

- 3221. A sliding-discharge nitrogen laser with a ring profile of output radiation/ Zakharov V.P., Zakharov V.V.,Kuz'min G.P. et al.//Laser Physics. -1997,- v.7, №4. - p.935-937.

22. A Nitrogen laser with a molecular filter/ Zakharov V.P., Zakharov V.V.,Kuz'min G.P. et al.//Laser Physics. - 1997,- v.7, №5. - p.1041-1044.

23. Медицинский УФ-лазер на скользящем разряде/Добкин В.Г., Захаров В.П., Кислецов А.В., Кузьмин Г.П.//Тез.Конф. «Лазерные техно-логии'98». - Шатура, 1998. - с.51.

Цитированная литература

1. Плазмолистовой С02-лазер / С.ИАндреев, И.М.Белоусова, П.Н.Дашук и др. // Кв. Электроника. -1976. - т.З, №8. - с.1721-1725.

2. Об использовании скользящего разряда для предыонизации газов в газоразрядном лазере / Д.Ю.Зарослов, Н.В.Карлов, Г.П.Кузьмин и др. // Кв.Электроника. - 1978. - т.5, №8. - с.1843 -1847

3. Карлов Н.В.. Кузьмин Г.П., Прохоров A.M. Газоразрядные лазеры с плазменными электродами // Известия АН СССР. Сер.Физическая. -1984. -т.48, №7. - с. 1430 - 1436.

4. Бирюков А.С., Решетняк С.А.. Шелепин Л.А. Об электронной кинетике молекул.// Труды ФИАН СССР. М.: Наука. -1979. - т.107. -с.179-194.

5. Осипов В.В., Савин В.В., Тельнов В.А. Характеристики С02-лазер-ных сред с высоким уровнем накачки //ЖПМТФ. -1982. - №2. - с.Ю-17.

6. Азотный лазер на основе скользящего по поверхности диэлектрика разряда/ Брынзалов П.П.. Зикрин Б.О., Карлов Н.В. и др.// Кв.электр. - 1988. - т.15, №10. - с.1971-1973.