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



Министерство экономики Российской Федерации

Самарское государственное научно-прризводственное объединение

(овШСКПй 01

Присудил уЛ

В ¡систем

, ,.....,/,-^Д-ТТ, Л ПК'

на правах рукописи

ЗАХАРОВ Валерий Павлович

маМоапертурные импульсно-периодические электроразрядные лазеры с плазменными электродами И высокой частотой повторения импульсов

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

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Самара 1998

Оглавление

Введение.............................................................................................5

1. Моделирование и проектирование малоапертурных электроразрядных лазеров................................................................................................17

1.1. Численное моделирование импульсно-периодических малоапертурных электроразрядных лазеров............................................................18

1.2. Методология оптимизации и проектирования. Самосогласованная модель..................................................................................... 35

1.3. Предпроектное моделирование малоапертурных электроразрядных лазеров......................................................................................41

2. Особенности формирования импульсно-периодического объемного газового разряда в малых зазорах..................................................................71

2.1. Способы возбуждения объемного газового разряда.......................71

2.2. Условия зажигания скользящего разряда.......................................76

2.3. Использование плазменных образований в качестве электродов электроразрядного лазера.............................................................89

3. Малоапертурные импульсно-периодические СОг- лазеры с плазменными электродами.....................................................................................101

3.1. Плазменные электроды, формируемые на границе раздела твердого и газообразного диэлектриков................................................... 102

3.2. Анализ свойств многоканально-диффузного разряда.................. 106

3.3. Импульсно-периодический СО2- лазер с многоканальным диффузным разрядом..................................................................115

3.4. Импульсно-периодический СОг- лазер с плазмолистовым

предыонизатором................................................................ 122

4. Формирование излучения импульсно-периодического малоапертурного электроразрядного лазера.................................................... ... 129

4.1. Сравнительный анализ и оптимизация характеристик резонаторов для мощных малоапертурный СО2 - лазеров........................ 130

4.2. Исследование многочастотной генерации в малоапертурном СОг-лазере.................................................................. ........ .. 137

5. Генерация второй гармоники излучения С02- лазера при высокой частоте следования импульсов...................................................................142

5.1. Особенности генерации высших гармоник излучения малоапертурного СО2 - лазера....................................................144

5.2. Эффективность преобразования и стабильность характеристик генератора второй гармоники в монокристалле 2пСеР2 в частотном режиме..................................................................157

5.3. Анализ экспериментальных результатов.................... ......... 162

5.4. Генерация второй гармоники в монокристалле 2п6еР2 при

высокой частоте повторения импульсов......................................168

6. Малоапертурные импульсно-периодические НРЮР - лазеры на нецепной

реакции.................................................................................... .......176

6.1. Математическое моделирование процессов в импульсно-периодических НРЮР - лазерах............................................. 178

6.2. Динамика изменения энергетических и спектральных характеристик импульсно-периодического РР-лазера........................ 194

6.3. Влияние параметров резонатора на спектральную яркость

излучения РР-лазера...........................................................209

7.Азотный лазер на скользящем разряде..........................................218

7.1.Численное моделирование азотного лазера на скользящем

разряде........................................................................... 220

7.2.Выходные энергетические, пространственно-временные и спектральные характеристики азотного лазера на плазменном листе.............................................................................. 233

7.3.Азотный лазер с молекулярным фильтром......................... 243

7.4.Азотный лазер на скользящем разряде с кольцевым выводом излучения........................................................................ 250

8. Лазерные медицинские установки серии Альмицин........................ 257

8.1. Основные характеристики установок.................................257

8.2. Результаты медицинских исследований с использованием установок Альмицин........................................................259

Заключение...................................................................................265

Литература....................................................................................272

Введение

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 [1-4]. 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 его ресурс и периодичность регламентных работ.

Развитие эффективных лазерных систем стало возможным благодаря разработке методов возбуждения активной среды высокого давления . Были созданы электроразрядные газовые лазеры с поперечной системой электродов, возбуждаемые самостоятельным электрическим разрядом атмосферного давления [201,202]. Существенные успехи были достигнуты за счет реализации импульсно-периодического режима работы [134,135]. Были созданы лазеры с квазистабильной газовой средой [129 -133], позволяющие реализовать отпаянный режим работы.

Известно [203], 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 [26-40]: искровой, коронный, вакуумный, искровой разряд по поверхности, скользящий разряд. 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 актив-

ного объема, занимаемого катодным слоем, перегрев приэлектродного слоя газа, развитие неустойчивости разряда из-за локальных неоднородностей[176, 203]. Кроме того, за счет плазмо-химических реакций меняется состав газовой среды и, как следствие, выходные характеристики лазера.

В работах [52-59,124-126] разработаны системы формирования объемного разряда с плазменными электродами. Использование плазменных электродов позволяет вновь создавать электрод перед каждым новым импульсом энерговклада, что устраняет ряд проблем, присущих металлическим электродам. Вместе с тем применение плазменных электродов в малоапертурных лазерах с высокой частотой следования импульсов сталкивается с рядом трудностей (перераспределение энергии между плазменным электродом и объемным разрядом, низкий ресурс) 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 [51,77,106,203], 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 характеристики малогабаритных лазеров, особенно чувствительных к взаимному влиянию параметров его подсистем.

Особенности применения малогабаритных лазеров часто требуют особого подхода к формированию лазерного излучения [16-18], управления спектром излучения, нелинейного преобразования излучения [78-80, 90,91], 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 его применения в медицине [193]. 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 [153-163] сдерживал его применение. В настоящее время достигнут КПД азотного лазера близкий к 1 % [175]. 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 диффузности и равномерности вклада энергии по объему плазмы разряда. Впервые обратили внимание на возможность создания азотного лазера на скользящем разряде авторы работ [186-188]. Однако, полученная ими эффективность не превышала 0.01% при низком ресурсе электродного узла, 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 на-пряженностях поля и микросекундной длительности импульса, а для снижения вероятности развития неустойчивости объемного разряда с высоким энерговкладом требуется создание полей высокой напряженности и малой дли-

тельности. 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-периодических электроразрядных лазеров малой апертуры с плазменными электродами при высокой частоте повторения импульсов и поиск методов обеспечения высокой эффективности и перестройки частоты генерации, повышения яркости и пиковой мощности излучения, стабильности выходных характеристик.

На основании вышеизложенного можно сформулировать следующие задачи, требующие решения:

1. Исследование характеристик плазменных электродов и прежде всего их зависимости от параметров системы формирования плазмы.

2. Исследование объемных разрядов в системах с плазменными электродами в малых зазорах при высокой частоте повторения импульсов.

3. Разработка математической модели, позволяющей с достаточной степенью точности описывать динамику развития процессов в малоапертурных электроразрядных лазерах с учетом взаимовлияния отдельных систем.

4. Создание экспериментальных стендов и разработка малогабаритных лазеров с плазменными электродами на различных газовых средах. Исследование их характеристик.

5. Исследование оптических систем формирования лазерного излучения с целью обеспечения высокой яркости излучения, а также управления спектром излучения.

6. Исследование стабильности характеристик генерации второй гармоники в нелинейных кристаллах с целью обеспечения перестройки спектра излучения лазера. Разработка эффективных генераторов второй гармоники излучения для СОг-лазера.

7. Исследование медицинских применений УФ лазерного излучения.

Представленная диссертация обобщает результаты работ, выполненных в 1985-1998 г.г. , и состоит из введения, восьми глав, заключения и списка цитируемой литературы.

Первая глава посвящена построению численно-аналитической модели малогабаритного электроразрядного лазера. Рассмотрен процесс разработки лазера и место математических моделей в нем. Предложено проводить численное моделирование и оптимизацию лазера в две стадии. На первой стадии производится оценка основных внутренних характеристик систем лазера и потребный диапазон их регулирования. При этом используется численно-аналитическая модель предпроектирования, включающая в себя упрощенные процедуры математических моделей систем лазера и аналитические связи их параметров. На второй стадии проводится численное моделирование систем лазера в выбранном диапазоне изменения параметров, а также оптимизация характеристик лазера. Сформулированы основные аналитические зависимости, описывающие работу основных систем лазера (системы предыонизации, системы накачки, объемного разряда, газодинамического тракта, оптической системы) с учетом их конструктивных особенностей. Развита самосогласованная

численная модель, описывающая основные взаимосвязанные процессы: баланс энергии электронов в плазме разряда, формирование импульсов предыониза-ции и накачки, динамику населенностей лазерных уровней, термодинамические характеристики газовой среды, спектральные и оптические характеристики излучения. Применение данной модели позволило добиться согласия между численным решением и экспериментальными значениями выходных характеристик с точностью до 15%.

Вторая глава посвящена рассмотрению особенностей формирования им-пульсно-периодического объемного газового разряда в малых зазорах. В первом параграфе на основании литературных данных проанализированы способы возбуждения объемного разряда. Сделан вывод о перспективности применения плазменных образований в качестве электродов системы энерговклада. Сформулированы основные требования к подобного рода электродам. Во втором параграфе 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 приближении многоэлектронного инициирования получены простые аналитические соотношения для распределений нормальной и касательной к поверхности диэлектрика составляющих электрического поля по разрядному промежутку, хорошо согласующиеся с результатами численного решения и экспериментальными данными. В третьем параграфе найдены излу-чательные характеристики плазмы скользящего разряда, хорошо коррелирующие с известными эмпирическими зависимостями. Показано преимущество газоразрядных систем с использованием плазменного электрода.

В третьей главе обоснована возможность использования плазменных электродов для создания малогабаритных импульсно-периодических электроразрядных лазеров с высокой частотой следования импульсов и высокой стабильностью выходных характеристик в течении длительного времени работы. 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 плазму многоканального диффузного разряда можно использовать не только как источник УФ предыонизации, но и частично как электрод основного разряда. Впервые получена эффективная генерация излучения с использованием плазмы многоканального диффузного разряда в качестве электродов лазера. Описан СОг-лазер, разработанный на основании данного плазменного электродного узла. Использование плазменного электрода 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. Рассмотрены характеристики малоапертурного СОг-лазера с плазмолистовым предыонизато-ром. Была достигнута минимальная индуктивность контура системы накачки при максимальной концентрации электронов системы предыонизации в межэлектродном объеме. Это позволило обеспечить стабильный энерговклад при частотах следования импульсов вплоть до 800 Гц в активный объем 5x5x200 мм3, энергию в импульсе излучения 30 мДж при длительности 30 не и КПД 7%.

В четвертой главе рассмотрены проблемы формирования высокояркост-ного излучения в малоапертурных лазерах. Предложены оригинальные схемы трехзеркальных телескопических резонаторов с зеркалом обратной дополни-

тельной связи, применение которых позволило вдвое поднять яркость излучения при значительном увеличении лучевой прочности и ресурса оптических элементов. Показано, что применение внутрирезонаторной элегазовой ячейки позволяет осуществлять пла