Оптимизация характеристик ионных лазеров на парах стронция, кальция и кадмия

Фесенко, Александр Анатольевич

Оптимизация характеристик ионных лазеров на парах стронция, кальция и кадмия тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

Фесенко, Александр Анатольевич АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Ростов-на-Дону МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.03 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Оптимизация характеристик ионных лазеров на парах стронция, кальция и кадмия»

Автореферат диссертации на тему "Оптимизация характеристик ионных лазеров на парах стронция, кальция и кадмия"

На правах рукописи

Фесенко Александр Анатольевич

ОПТИМИЗАЦИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ИОННЫХ ЛАЗЕРОВ НА ПАРАХ СТРОНЦИЯ, КАЛЬЦИЯ И КАДМИЯ

Специальность 01.04.03 - радиофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических паук

1 8 ДПР ¿013

Ростов-на-Дону - 2013

005051983

Работа выполнена на кафедре квантовой радиофизики Федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный университет»

Научный руководитель: Чеботарев Геннадий Дмитриевич

доктор физико-математических паук, профессор кафедры квантовой радиофизики ФГАОУ ВПО «Южный федеральный университет»

Официальные оппоненты:

Везуглов Дмитрий Анатольевич, доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ, проректор по учебно-методической работе «Ростовского технологического института сервиса и туризма (филиала) ФГБОУ ВПО «Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса»

Тарасенко Виктор Федотович, доктор физико-математических наук, профессор, заведующий лабораторией оптических излучений «Института сильноточной электроники СО РАН»

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»

Защита состоится » 2013 г. в 1400час. на заседании

диссертационного совета Д 212.208.10 в Южном федеральном университете по адресу: 344090, г. Ростов-на-Дону, ул. Зорге, 5, Южный федеральный университет, физический факультет, ауд. 318.

С диссертацией можно ознакомиться в Зональной научной библиотеке Южного федерального университета по адресу: г. Ростов-на-Дону, ул. Пушкинская, 148.

Автореферат разослан « & » уСщ^/Л. 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.208.10, доктор физико-

математических наук, профессор

Г.Ф. Заргано

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертационная работа посвящена исследованиям методом математического моделирования активных сред ионных лазеров на парах стронция (1=430,5; 1033 и 1091 нм SrII) и кальция (Х=373,7 нм Call), направленным на оптимизацию условий возбуждения, поиск способов повышения их выходных параметров и определение их потенциальных возможностей, а также комплексным исследованиям активной среды ионного лазера на парах кадмия (Х=441,6; 533,7 и 537,8 нм Cdll) при возбуждении в секционированной металло-диэлектрической разрядной трубке. Основные результаты проведенных исследований представлены в работах [1-43].

Актуальность темы. Газоразрядные лазеры на парах металлов представляют собой широкий класс источников лазерного излучения, которые обеспечивают генерацию в УФ, видимом и ИК диапазонах длин волн, обладают высокими энергетическими характеристиками и высоким качеством излучения, имеют достаточно простую и надежную конструкцию и находят практическое применение во многих областях науки, техники, медицины.

Активной средой газоразрядных лазеров на парах металлов является термодинамически неравновесная плазма, при этом состояние плазмы может быть классифицировано по отклонению ее степени ионизации от равновесного для данной температуры электронов значения. При недостаточной для равновесия степени ионизации плазма преимущественно ионизуется, т.е. является ионизационно-неравновесной. В противном случае в плазме преобладают процессы рекомбинации, т.е. плазма является рекомбинационно-неравновесной. Лазеры на рекомбинационно-неравновесной плазме называют рекомбинационными (или плазменными), а лазеры на ионизационно-неравновесной плазме обычно называют газовыми.

Наилучшими характеристиками среди рекомбинационных лазеров обладают ионные лазеры на парах стронция (Х.=430,5 и 416,2 нм SrII) и кальция (^=373,7 и 370,6 нм Call), впервые созданные в Ростовском государственном университете (ныне Южный федеральный университет). Они излучают в коротковолновой области спектра и имеют достаточно высокие значения энергетических характеристик (до ~4 Вт средней мощности и 20 кВт пиковой мощности) и КПД (~0,1%), что делает их привлекательными для многих практических применений. Лазер на парах стронция также является эффективным источником ИК излучения на ряде самоограниченных переходов в спектрах атомов и ионов стронция (Х=6,456 мкм; ~3 мкм Sri и А.-1 мкм SrII). Это излучение обеспечивает эффективную абляцию полимеров и биотканей и делает эти лазеры перспективными для применения в обработке материалов, а также в малоинвазивной медицине.

Для решения актуальной задачи создания эффективных рекомбинационных He-Sr и Не-Са лазеров нужны глубокие знания о физических процессах, протекающих в их активных средах, поэтому представляет интерес проведение дальнейших исследований активных сред рекомбинационных He-Sr и Не-Са лазеров. Наряду с экспериментальными исследованиями удобным и

информативным инструментом исследования активных сред Не-Бг и Не-Са лазеров является метод математического моделирования, с помощью которого могут быть решены задачи поиска возможных способов повышения выходных характеристик, оптимизации условий возбуждения, определения достижимых характеристик генерации рекомбинационных Не-Бг и Не-Са лазеров, а также поиска способов оперативного управления ими. Математическое моделирование позволяет также детально исследовать кинетику возбуждения ИК самоограниченных переходов в спектрах ионов стронция (кальция) и, в частности, кинетику процессов, определяющих предельную частоту следования импульсов.

В накачке ряда ионных переходов в рекомбинирующей плазме (например, в ионных спектрах элементов II группы) существенную роль играют удары второго рода, при которых возбужденный атом или ион буферного газа передает энергию атому примеси. В число наиболее эффективных лазеров, накачиваемых ударами второго рода, входит ионный лазер на парах кадмия с накачкой реакциями Пеннинга (/.=441,6 нм СсШ) и перезарядки (>.=533,7 и 537,8 нм СсШ). При использовании для возбуждения лазера на парах кадмия разряда в полом катоде (РПК) обеспечиваются большие по сравнению с продольным разрядом скорости накачки и более высокие выходные параметры вследствие наличия в плазме РПК группы быстрых электронов. Но лазерам с РПК свойственны такие недостатки, как сложность конструкции, склонность к дугообразованию и продольным неоднородностям разряда, вследствие чего энерговклад в разряд ограничен.

Представляет интерес в качестве способа повышения выходных параметров использовать для возбуждения активной среды ионного лазера на парах кадмия разряд в секционированной металло-диэлектрической трубке («секционированный» разряд), сочетающий положительные качества тлеющего разряда (высокая стабильность разряда, возможность введения паров металлов в активную среду за счет катафореза, конструктивная простота активного элемента) и РПК (наличие группы быстрых электронов в газоразрядной плазме).

Таким образом, вопросы, связанные с исследованиями физических процессов в активных средах ионных лазеров на парах стронция, кальция и кадмия являются актуальными.

Предметом исследований являются оптимальные условия возбуждения активных сред ионных лазеров на парах стронция, кальция и кадмия, способы повышения их выходных параметров, а также физические механизмы, определяющие их потенциальные возможности и возможности управления выходными параметрами.

Цель работы. Целью диссертационной работы являлись исследования активных сред ионных лазеров на парах стронция, кальция и кадмия, направленные на оптимизацию условий возбуждения и повышение их выходных параметров, определение их потенциальных возможностей и поиск способов управления выходными параметрами.

Основные задачи работы. Достижение цели работы предполагало решение следующих задач:

1. Анализ причин существования оптимума по давлению буферного газа гелия в ионных рекомбинационных лазерах на парах стронция (^=430,5 нм SrII) и кальция (^=373,7 им Call) и поиск способов повышения их выходных параметров при высоких давлениях гелия.

2. Численная оптимизация характеристик активных элементов рекомбинационных лазеров на парах стронция и кальция различных конструкций и различных размеров и расчет достижимых значений средней мощности при различных способах охлаждения активных элементов.

3. Численное исследование возможности повышения выходных параметров рекомбинационных лазеров на парах стронция и кальция за счет возбуждения цугами импульсов.

4. Численное исследование возможности повышения частоты повторения импульсов лазера на самоограниченных ИК переходах иона стронция (А.=1091 и 1033 нм SrII) и определение предельной частоты повторения импульсов.

5. Численное исследование возможности управления выходными параметрами рекомбинационных лазеров на парах стронция и кальция.

6. Численное исследование возможности увеличения пиковой мощности рекомбинационных лазеров на парах стронция и кальция за счет разгрузки резонатора.

7. Расчет расстояния, на которое разряд проникает в полость металлических секций в секционированной металло-диэлектрической разрядной трубке и экспериментальное исследование активной среды ионного лазера на парах кадмия (Х=441,6; 533,7 и 537,8 нм Cdll) при возбуждении в «секционированном» разряде.

Научная новизна диссертационной работы определяется поставленными задачами, методами их решения и полученными впервые результатами:

1. На основе результатов численных исследований активных сред ионных рекомбинационных лазеров на парах стронция (^=430,5 нм SrII) и кальция (^=373,7 нм Call) установлен механизм, определяющий ограничение роста выходных параметров при увеличении давления буферного газа гелия, а также показано, что применение быстрого среза заднего фронта импульса разрядного тока позволяет преодолеть ограничение по давлению гелия.

2. С использованием математических моделей рекомбинационных лазеров на парах стронция и кальция проведена численная оптимизация характеристик активных элементов различных конструкций и различных размеров и найдены достижимые максимумы погонной мощности генерации.

3. Численно исследован режим возбуждения рекомбинационных лазеров на парах стронция и кальция цугами импульсов разрядного тока с малым межимпульсным интервалом как способ повышения выходных параметров и показана перспективность этого способа для повышения характеристик генерации.

4. На основе результатов численных исследований показано, что частота повторения импульсов генерации лазера на самоограниченных ИК переходах иона стронция (^.=1091 и 1033 нм БгП) может достигать ~1 МГц.

5. На основе результатов численных исследований установлена возможность оперативного управления выходными параметрами рекомбинационных лазеров на парах стронция и кальция в широких пределах с применением вспомогательных токовых импульсов небольшой амплитуды, формируемых в послесвечении.

6. Численно исследован режим разгрузки резонатора рекомбинационных лазеров на парах стронция и кальция как способ управления выходными параметрами — пиковой мощностью и длительностью импульсов генерации и показана перспективность этого способа для увеличения пиковой мощности рекомбинационных лазеров.

7. Впервые поставлена и решена задача об определении расстояния, на которое разряд проникает в полость металлических секций в секционированной металло-диэлектрической разрядной трубке.

8. Экспериментально исследован разряд в секционированной металло-диэлектрической трубке как способ возбуждения активной среды ионного лазера на парах кадмия (Х=44\,6ч, 533,7 и 537,8 нм С<Ш), сочетающий свойства тлеющего разряда и разряда в полом катоде, и показана его перспективность для возбуждения ионных лазеров, накачиваемых ударами второго рода.

Практическая значимость диссертационной работы состоит в том, что полученные в ней результаты могут быть использованы при создании эффективных ионных лазеров на парах стронция, кальция и кадмия, излучающих в УФ, видимом и ИК диапазонах спектра и перспективных для практических применений. В частности, результаты численной оптимизации активных сред ионных Не-Бг и Не-Са лазеров и предложенные способы повышения их выходных параметров позволяют осуществлять целенаправленный выбор конструкций и оптимальных способов возбуждения лазеров с заданными параметрами. Использованные в работе математические модели могут служить удобными инструментами исследований активных сред ионных лазеров на парах стронция и кальция. Результаты исследований способов управления характеристиками генерации рекомбинационных Не-Бг и Не-Са лазеров позволяют целенаправленно формировать управляющие импульсы тока в послесвечении разряда для осуществления оперативного управления характеристиками генерации. Результаты исследований разряда в секционированной металло-диэлектрической трубке свидетельствуют о его перспективности как способа возбуждения активных сред с накачкой ударами второго рода, в частности, ионного лазера на парах кадмия.

Результаты проведенных в диссертационной работе исследований были использованы в учебной работе на физическом факультете Южного федерального университета.

Достоверность и обоснованность полученных в диссертации результатов обеспечивается комплексностью исследований и их физической непротиворечивостью, использованием самосогласованных математических моделей, адекватно отражающих реальные активные среды, согласием результатов расчетов с экспериментальными данными, соответствием полученных результатов данным других авторов.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Повышение энергетических характеристик и КПД саморазогревных рекомбинационных лазеров на парах стронция (1=430,5 им SrII) и кальция (1=373,7 нм Call) при давлениях буферного газа гелия, превышающих оптимальное значение, может быть достигнуто с применением быстрого среза заднего фронта импульса разрядного тока, обеспечивающего рост скорости рекомбинационной накачки за счет снижения подогревающего действия заднего фронта на электронный газ.

2. Повышение энергетических характеристик и КПД саморазогревных рекомбинационных лазеров на парах стронция (1=430,5 нм SrII) и кальция (1=373,7 нм Call) может быть достигнуто с применением цугов импульсов разрядного тока, обеспечивающих более эффективную двукратную ступенчатую ионизацию стронция и кальция при малом межимпульсном интервале (~1 мкс) и, соответственно, рост скорости рекомбинационной накачки.

3. Оперативное управление характеристиками генерации саморазогревных рекомбинационных лазеров на парах стронция (А,—430,5 нм SrII) и кальция (1=373,7 нм Call) может быть реализовано с применением вспомогательных импульсов разрядного тока с варьируемыми амплитудой и моментом включения, обеспечивающих в послесвечении управляемое снижение скорости рекомбинационной накачки и инверсии населенностей за счет подогрева электронного газа.

4. При разряде в секционированной металло-диэлектрической трубке роль индикатора, указывающего на степень проявления эффекта полого катода, может выполнять зависимость расстояния, на которое разряд проникает в полость металлических секций, от давления буферного газа и внутреннего диаметра секций, при этом максимум этого расстояния практически соответствует условиям, при которых начинает проявляться эффект полого катода.

Таким образом, положения и результаты диссертационной работы можно квалифицировать как решение задачи оптимизации условий возбуждения активных сред ионных лазеров на парах стронция, кальция и кадмия, поиска способов повышения их выходных параметров и управления ими, имеющей существенное значение в области радиофизики. Личный вклад автора

В исследованиях, представленных в диссертационной работе, автору принадлежат построение модифицированных версий математических моделей He-Sr и Не-Са лазеров, предназначенных для решения конкретных задач,

проведение численных экспериментов и обработка их результатов. Автор также принимал участие в исследованиях «секционированного разряда» как способа возбуждения ионного лазера на парах кадмия. Постановка задач, анализ и интерпретация результатов исследований осуществлялись совместно с научным руководителем. Результаты, составившие основу положений, выносимых на защиту, получены автором лично или при его определяющем участии. В работе, на ее различных этапах, принимали участие E.JI. Латуш и О.О. Пруцаков.

Апробация результатов диссертационной работы

Результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на следующих научных конференциях и симпозиумах:

Всероссийские симпозиумы «Лазеры на парах металлов» (Лоо, 2004, 2006, 2008, 2010, 2012); X, XI, XII, XIII Всероссийские научные конференции студентов физиков и молодых ученых (Москва, Екатеринбург, Новосибирск, Ростов-на-Дону и Таганрог, 2004, 2005, 2006, 2007); The 8th International Conference "Atomic and Molecular Pulsed Lasers" (Tomsk, Russia, 2007); VI Всероссийская научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Инноватика-2008» (Томск, 2008); The 9-th Russian-Chinese Symposium on Laser Physics and Laser Technologies (Tomsk, Russia, 2008); Всероссийская конференция «Лазеры. Измерения. Информация» (Санкт-Петербург, 2010); XVIII International Symposium on Gas Flow and Chemical Lasers & High Power Lasers (Sofia, Bulgaria, 2010), Молодежная школа-конференция с международным участием «Лазеры и лазерные технологии», посвященная 50-летию создания первого в мире лазера (Томск, 2010).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 43 печатные работы, включая 8 статей в журналах, рекомендованных ВАК РФ для опубликования результатов диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук.

Структура работы

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и двух приложений. Работа изложена на 155 страницах, включая 64 рисунка, 3 таблицы и 170 литературных ссылок, из них 43 - на работы автора.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований, представлены научная новизна, практическая значимость, а также основные положения и результаты, выносимые на защиту, приведено краткое изложение содержания работы.

В первой главе проведен анализ литературных сведений по исследованиям ионных He-Sr и Не-Са лазеров, а также ионного He-Cd лазера. Рассмотрены механизмы формирования инверсной заселенности рабочих уровней, способы возбуждения активных сред, конструкции активных элементов. Приведены типичные характеристики генерации, обсуждаются возможные пути повышения выходных параметров, а также способы управления

ими. В конце главы на основе проведенного анализа сформулированы основные задачи работы.

Во второй главе сделан краткий обзор существующих математических моделей ионных рекомбинационных He-Sr и Не-Са лазеров и дано описание самосогласованной математической модели He-Sr лазера, использовавшейся в работе в качестве базовой модели.

Математические модели He-Sr и Не-Са лазеров включают в себя описание цепи накачки, газоразрядной плазмы, а также электромагнитного поля в резонаторе. Дифференциальные уравнения для параметров цепи накачки решаются совместно с уравнениями для концентраций долгоживущих частиц, населенностей уровней, электронной и газовой температуры, интенсивности внутрирезонаторного лазерного поля.

Кратко описан метод Нелдера-Мида, использовавшийся в работе для решения задач автоматической численной оптимизации характеристик активных сред He-Sr и Не-Са лазеров. Проведено сопоставление результатов математического моделирования лазеров с экспериментальными данными, демонстрирующее их хорошее согласие.

В третьей главе представлены результаты численных исследований активных сред ионных рекомбинационных He-Sr (1=430,5 нм SrII) и Не-Са (1=373,7 нм Call) лазеров, направленных на оптимизацию условий возбуждения и повышение их выходных параметров. Также детально исследованы процессы возбуждения в лазере на самоограниченных ИК переходах SrII (1=1,091 и 1,033 мкм SrII).

Проведен детальный анализ механизмов ограничения роста выходных параметров He-Sr и Не-Са лазеров при увеличении давления буферного газа гелия. Установлено, что ограничение роста средней мощности генерации и КПД при давлениях выше оптимального (см. рис. 1) связано с существованием ограничения скорости охлаждения электронного газа в ближнем послесвечении из-за подогревающего электронный газ действия заднего фронта импульса разрядного тока. Показано, что повышение энергетических характеристик и КПД при высоких давлениях гелия может быть достигнуто за счет снижения накопительной емкости, а также с применением быстрого среза заднего фронта импульса разрядного тока, приводящего к увеличению скорости рекомбинационной накачки за счет снижения подогревающего действия заднего фронта на электронный газ (см. рис. 1).

Проведены численные расчеты достижимых погонных мощностей генерации He-Sr и Не-Са лазеров с учетом влияния факторов, ограничивающих рост выходных параметров при больших поперечных размерах активной среды и высоких частотах повторения импульсов. Такими основными факторами являются формирование пространственной неоднородности плазмы разряда из-за перегрева активной среды на оси и радиального катафореза, а также подъем уровня Ге в послесвечении (обусловленный ростом газовой температуры), приводящий к снижению инверсии.

Показано, что оптимальные частоты повторения импульсов и погонная средняя мощность He-Sr и Не-Са лазеров возрастают при переходе от

саморазогревных лазерных трубок к трубкам с независимым вводом паров металлов и к трубкам с принудительным охлаждением. При этом в лазерных трубках прямоугольного сечения достигаются большие частоты повторения импульсов и мощности генерации по сравнению с трубками цилиндрической геометрии, имеющими диаметр порядка размера узкой стенки. Для всех изученных конструкций лазерных трубок оптимальные частоты повторения импульсов снижаются с ростом поперечных размеров.

(а)

(б)

Рис. 1. Рассчитанные для саморазогревных Не-Эг и Не-Са лазеров зависимости средней мощности от давления гелия; а -Не-Эг лазер: /=45 см, ¿=1,5 см (»,Т,А - экспериментальные данные); б - Не-Са лазер: /=26,5 см, (/=0,7 см (• — экспериментальные данные).

(а)

(б)

Рис. 2. Рассчитанные для саморазогревных Не-Эг лазеров зависимость погонной средней мощности от диаметра активного элемента (*,Т - экспериментальные данные) (а) и временной ход тока разряда (сплошные кривые) и удельной мощности генерации (штриховые кривые) при возбуждении цугами из 5 импульсов (б).

Установлено, что максимальная величина погонной мощности Не-Бг и Не-Са лазеров составляет, соответственно: -6,2 Вт/м (см. рис. 2а) и ~4,4 Вт/м - для саморазогревных трубок; ~7,8 Вт/м и ~5,2 Вт/м - для саморазогревных черненых трубок; -7,7 Вт/м и ~5,3 Вт/м - для трубок с независимым вводом паров; -9,4 Вт/м и -6,2 Вт/м - для черненых трубок с независимым вводом паров; -17 Вт/м и -9,5 Вт/м - для трубок с принудительным охлаждением; -29 Вт/м и -16 Вт/м - для охлаждаемых трубок прямоугольного сечения с соотношением размеров стенок 1:3.

Проведены численные исследования возможности повышения выходных параметров саморазогревных Не-Бг и Не-Са лазеров при возбуждении цугами импульсов разрядного тока с малым межимпульсным интервалом (1 мкс). Показано, что энергетические характеристики и КПД Не-Бг и Не-Са лазеров могут быть увеличены по сравнению с обычным импульсно-периодическим режимом генерации за счет более эффективной двукратной ступенчатой ионизации стронция и кальция при малом межимпульсном интервале, приводящей к росту скорости рекомбинационной накачки (см. рис. 26). В частности, рост энергии импульсов генерации Не-Бг (Не-Са) лазеров во 2-м импульсе в цуге может составить, соответственно, -37% (-37%), рост пиковой мощности - —19% (-14%), а максимальное значение КПД реализуется в импульсах, имеющих.номера п-5-8 (-2-5). Это значение больше, чем КПД в 1-м импульсе на -39% (-37%) и больше чем КПД при обычном режиме генерации на -25% (-15%).

Проведены численные исследования кинетики процессов в активной среде лазера на самоограниченных ИК переходах иона стронция (Х=1,091 и 1,033 мкм БгИ), определяющих предельную частоту повторения импульсов генерации. Установлено, что наблюдаемое при двухимпульсном возбуждении в определенном диапазоне задержек между импульсами увеличение импульсных характеристик генерации во втором импульсе, а также средней мощности и КПД, обусловлено существенной остаточной предымпульсной концентрацией ионов стронция, не успевших прорекомбинировать. Показано, что частота повторения лазерных импульсов может достигать -1 МГц.

В четвертой главе. приведены результаты численных исследований возможностей управления выходными параметрами ионных рекомбинационных Не-Бг и Не-Са лазеров.

Детально исследована возможность управления выходными параметрами Не-8г и Не-Са лазеров путем формирования в раннем послесвечении вспомогательных управляющих токовых импульсов малой амплитуды. Установлена возможность оперативного управления выходными параметрами в широких пределах с применением вспомогательных импульсов разрядного тока с варьируемыми амплитудой и моментом включения, обеспечивающих в послесвечении управляемое снижение скорости рекомбинационной накачки и инверсии населенностей за счет подогрева электронного газа. Установлено, что причиной снижения инверсии при воздействии управляющих импульсов является как снижение скорости рекомбинационной накачки верхних лазерных уровней, так и уменьшение скорости электронного девозбуждения нижних лазерных уровней и рост скорости подзаселения их электронным ударом из основного и метастабильных ионных состояний стронция и кальция. Рассчитаны зависимости характеристик генерации от параметров импульсов управления (см. рис. 3).

Ток Удельно* мощность

( \ 1=0.25 мкс

1 /V ( =1.0 мкс

| I \ Г=0.5мте

0,0 0,2 0.4

0.6 0,8 1,0 I [мкс]

1,2 1,4 1,6

(а)

(б)

Удельная

т„ ^^ 7кВ

(В)

0.0 0.2 0.4 0,6 0,8 1,0 1.2 1,4

(Г)

Рис. 3. Управление выходными параметрами Не-Бг лазера за счет изменения момента включения г управляющего импульса длительностью 1 мкс (а-б) и за счет изменения амплитуды (Уупр управляющего импульса (в-г); штриховые линии - обычный режим генерации.

(а) (в)

Рис. 4. Моделирование разгрузки резонатора Не-Са лазера (штриховая линия - мощность генерации в обычным режиме) (а) и зависимость пиковой мощности при разгрузке резонатора от коэффициента вредных потерь гц (б).

Также детально исследована возможность увеличения пиковой мощности Не-Бг и Не-Са лазеров за счет разгрузки резонатора. Рассчитаны зависимости характеристик генерации от величины коэффициента вредных потерь и длительности включения устройства вывода излучения. Показано, что пиковая мощность типичных рекомбинационных лазеров может быть увеличена за счет разгрузки резонатора примерно на порядок, при этом длительность импульсов генерации может быть значительно сокращена (см. рис. 4).

Пятая глава посвящена комплексному исследованию разряда в секционированной металло-диэлектрической трубке («секционированного» разряда) как способа возбуждения активной среды ионного лазера на парах кадмия (1=441,6; 533,7 и 537,8 нм СсШ), сочетающего свойства тлеющего разряда (высокая стабильность разряда, возможность введения паров металлов в активную среду за счет катафореза, конструктивная простота активного элемента) и разряда в полом катоде (наличие группы быстрых электронов в газоразрядной плазме).

Получено соотношение, позволяющее рассчитывать расстояние х, на которое разряд проникает в полость металлических секций с внутренним диаметром й\

х г

уР- *..... (/"/)'

где i - ток разряда, 7„/р2 - нормальная приведенная плотность тока, р -давление буферного газа, и - падение потенциала на длине сегмента, С/к0 -нормальное катодное падение потенциала, аиЬ- эмпирические коэффициенты.

Рис. 5. Зависимость расстояния, на которое разряд в гелии проникает в полость металлических секций, от параметра рс1. Сплошные кривые - результаты проведенных расчетов, штриховые кривые - данные экспериментов с продольно-поперечным РПК: (а) - ¡'=100 мА, (/=0,6 см; (б) - ¿=90 мА, ¿=0,4 см; (в) - ¡=50 мА, ¿=0,7 см.

Проведен анализ зависимости этого расстояния х от различных факторов и показано, что отношение данного расстояния к внутреннему диаметру секции имеет колоколообразную зависимость (см. рис. 5) от произведения давления буферного газа на диаметр секции (т.е. от параметра рсГ). Показано, что зависимость расстояния х от давления буферного газа и диаметра секций может выполнять роль индикатора, указывающего на степень проявления эффекта полого катода в «секционированном» разряде, при этом максимум расстояния,

на которое разряд проникает в полость металлических секций, практически соответствует условиям, при которых начинает проявляться эффект полого катода.

Проведены экспериментальные исследования спектрально-временных характеристик «секционированного» разряда, на основе анализа результатов которых установлено, что в «секционированном» разряде имеется избыток быстрых электронов (как и в РПК) по сравнению с продольным разрядом, что делает его перспективным для возбуждения активных сред с накачкой ударами второго рода, в частности, ионного лазера на парах кадмия.

Экспериментально исследована активная среда ионного лазера на парах кадмия (>.=441,6, 533,7 и 537,8 нм Сс1Н) при возбуждении в «секционированном» разряде. Получена импульсно-периодическая и квазинепрерывная сине-зеленая генерация на переходах иона кадмия (Х,=441,6; 533,7 и 537,8 нм СсШ), а также непрерывная генерация на синей линии иона кадмия (/.=441,6 им СсШ). Достигнуты относительно высокие значения коэффициента усиления (4 дБ/м для ^=441,6 нм СсШ и 2 дБ/м для Х=533,7 и 537,8 нм СсШ), превышающие коэффициент усиления в продольном разряде, что является свидетельством эффективности накачки ионных уровней кадмия в «секционированном» разряде за счет ударов второго рода.

В заключении сформулированы основные результаты, полученные в диссертации.

В приложениях приведена схема поиска оптимального значения функции с использованием метода Нелдера-Мида и программа, реализующая метод Нелдера-Мида в математических моделях Не-Бг и Не-Са лазеров.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. С использованием самосогласованных математических моделей проведены численные исследования активных сред ионных рекомбинационных Не-Бг и Не-Са лазеров, направленные на оптимизацию условий возбуждения и повышение их выходных параметров, и получены следующие результаты:

- Проведен детальный анализ механизмов ограничения роста выходных параметров саморазогревных Не-Бг и Не-Са лазеров при увеличении давления гелия. Установлено, что ограничение роста средней мощности и КПД при давлениях выше оптимального связано с существованием ограничения скорости охлаждения электронного газа в ближнем послесвечении из-за подогревающего электронный газ действия заднего фронта импульса разрядного тока. Показано, что повышение энергетических характеристик и КПД при высоких давлениях гелия может быть достигнуто за счет снижения накопительной емкости, а также с применением быстрого среза заднего фронта импульса разрядного тока, приводящего к увеличению скорости рекомбинационной накачки за счет снижения подогревающего действия заднего фронта на электронный газ.

- Численно рассчитаны достижимые погонные мощности генерации Не-Бг и Не-Са лазеров с учетом влияния факторов, ограничивающих рост выходных

параметров при больших поперечных размерах активной среды и высоких частотах повторения импульсов. Показано, что оптимальные частоты повторения импульсов и, соответственно, погонная средняя мощность генерации Не-Бг и Не-Са лазеров возрастают при переходе от саморазогревных лазерных трубок к трубкам с независимым вводом паров металлов и к трубкам с принудительным охлаждением. При этом в лазерных трубках прямоугольного сечения достигаются большие частоты повторения импульсов и мощности генерации по сравнению с трубками цилиндрической геометрии, имеющими диаметр порядка размера узкой стенки. Для всех изученных конструкций лазерных трубок оптимальные частоты повторения импульсов снижаются с ростом поперечных размеров, при этом максимальные оптимальные частоты в трубках цилиндрической геометрии с диаметром 1 см составляют: ~55 кГц -для Не-Бг лазеров и -25 кГц - для Не-Са лазеров, а в трубках прямоугольного сечения 0,8x2,4 см: -65 кГц - для Не-Бг лазеров и -50 кГц - для Не-Са лазеров. Установлено, что максимальная величина погонной мощности Не-Бг и Не-Са лазеров составляет, соответственно: -6,2 Вт/м и -4,4 Вт/м - для саморазогревных трубок; -7,8 Вт/м и -5,2 Вт/м - для саморазогревных черненых трубок; -7,7 Вт/м и -5,3 Вт/м - для трубок с независимым вводом паров; -9,4 Вт/м и -6,2 Вт/м - для черненых трубок с независимым вводом паров; -17 Вт/м и -9,5 Вт/м - для трубок с принудительным охлаждением; -29 Вт/м и -16 Вт/м - для охлаждаемых трубок прямоугольного сечения с соотношением размеров стенок 1:3.

-Численно исследована возможность повышения выходных параметров саморазогревных Не-Бг и Не-Са лазеров при возбуждении цугами импульсов разрядного тока с малым межимпульсным интервалом (1 мкс). Показано, что рост энергии импульсов генерации Не-Бг (Не-Са) лазеров во 2-м импульсе в цуге может составить, соответственно, -37% (-37%), рост пиковой мощности --19% (-14%), а максимальное значение КПД реализуется в импульсах, имеющих номера л-5-8 (-2-5). Это значение больше, чем КПД в 1-м импульсе на -39% (-37%) и больше чем КПД при обычном режиме генерации на -25% (-15%). Показано, что повышение энергетических характеристик и КПД при использовании цугов импульсов обеспечивается за счет более эффективной двукратной ступенчатой ионизации стронция и кальция при малом межимпульсном интервале, приводящей к росту скорости рекомбинационной накачки.

-Проведены численные исследования кинетики процессов в активной среде лазера на самоограниченных ПК переходах иона стронция (>^=1,091 и 1,033 мкм Бг11), определяющих предельную частоту повторения импульсов генерации. Установлено, что наблюдаемое при двухимпульсном возбуждении в определенном диапазоне задержек между импульсами увеличение импульсных характеристик генерации во втором импульсе, а также средней мощности и КПД, обусловлено существенной остаточной предымпульсной концентрацией ионов стронция, не успевших прорекомбинировать. Показано, что частота повторения лазерных импульсов может достигать -1 МГц.

2. С использованием самосогласованных математических моделей проведены численные исследования возможностей управления выходными параметрами ионных рекомбинационных Не-Бг и Не-Са лазеров и получены следующие результаты:

-Численно исследована возможность управления выходными параметрами Не-Бг и Не-Са лазеров путем формирования в раннем послесвечении вспомогательных управляющих токовых импульсов малой амплитуды. Установлена возможность оперативного управления выходными параметрами в широких пределах с применением вспомогательных импульсов разрядного тока с варьируемыми амплитудой и моментом включения, обеспечивающих в послесвечении управляемое снижение скорости рекомбинационной накачки и инверсии населенностей за счет подогрева электронного газа. Рассчитаны зависимости характеристик генерации от параметров импульсов управления.

- Установлено, что причиной снижения инверсии населенностей при воздействии управляющих импульсов является как снижение скорости рекомбинационной накачки, так и уменьшение скорости электронного девозбуждения и рост скорости подзаселения нижних лазерных уровней электронным ударом.

- Численно исследована возможность увеличения пиковой мощности Не-Бг и Не-Са лазеров за счет разгрузки резонатора. Рассчитаны зависимости характеристик генерации от величины коэффициента вредных потерь и длительности включения устройства вывода излучения. Показано, что пиковая мощность типичных рекомбинационных лазеров может быть увеличена за счет разгрузки резонатора примерно на порядок, при этом длительность импульсов генерации может быть значительно сокращена.

3. Проведены комплексные исследования разряда в секционированной металло-диэлектрической трубке («секционированного» разряда) как способа возбуждения активной среды ионного лазера на парах кадмия и получены следующие результаты:

-Получено соотношение, позволяющее рассчитывать расстояние х, на которое разряд проникает в полость металлических секций. Проведен анализ зависимости этого расстояния от различных факторов и показано, что отношение данного расстояния к внутреннему диаметру секции имеет колоколообразную зависимость от параметра р(1. Показано, что зависимость расстояния х от давления буферного газа р и диаметра секций й может выполнять роль индикатора, указывающего на степень проявления эффекта полого катода в «секционированном» разряде, при этом максимум расстояния х практически соответствует условиям, при которых начинает проявляться эффект полого катода.

- На основе анализа результатов экспериментальных исследований спектрально-временных характеристик установлено, что в «секционированном» импульсном разряде имеется избыток быстрых электронов (как и в РПК) по сравнению с продольным импульсным разрядом в широком диапазоне давлений гелия (до ¿>не~Ю0 Тор). Исходя из анализа результатов измерений

расстояния х, на которое разряд проникает в полость металлических секций в смеси He-Cd, установлено наличие эффекта полого катода в «секционированном» непрерывном разряде, который в наибольшей степени проявляется на растущей ветви зависимости расстояния х от давления гелия (т.е. в диапазоне давлений />Не~Ю-50 Тор). Наличие свойств РПК в «секционированном» разряде свидетельствует о перспективности данного разряда как способа возбуждения ионных лазеров, накачиваемых ударами второго рода, в частности, лазера на парах кадмия.

- Экспериментально исследован «секционированный» разряд как способ возбуждения активной среды ионного лазера на парах кадмия (Х=441,6; 533,7 и 537,8 нм Cdll), сочетающий свойства тлеющего разряда и РПК. Получена импульсно-периодическая и квазинепрерывная сине-зеленая генерация на переходах иона кадмия (Л.=441,6; 533,7 и 537,8 нм Cdll), а также непрерывная генерация на синей линии иона кадмия (^=441,6 нм Cdll). Достигнуты относительно высокие значения ненасыщенного коэффициента усиления (4 дБ/м для Х=441,6 нм Cdll и 2 дБ/м для ^=533,7 и 537,8 нм Cdll), превышающие коэффициент усиления в продольном разряде, что является свидетельством эффективности накачки ионных уровней кадмия в «секционированном» разряде за счет ударов второго рода.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Чеботарев Г.Д., Латуш E.JL, Гумберг C.B., Фесенко A.A. Исследование генерации на переходах Nel, Krll и Cdll в продольных сегментированных разрядах типа положительный столб - двойной слой (ПС-ДС) и положительный столб - полый катод (ПС-РПК). // Тезисы докладов Симпозиума «Лазеры на парах металлов». - Ростов н/Д: РГУ, 2004. С.22-23.

2. Фесенко A.A. Исследование продольного сегментированного разряда типа положительный столб - двойной слой (ПС-ДС) как активной среды газовых лазеров. // Тезисы докладов 10-й всероссийской научной конференции студентов физиков и молодых ученых - Москва: 2004. С.703-704.

3. Фесенко A.A. Газовые лазеры на комбинированных разрядах типа положительный столб - полый катод (ПС-РПК) и положительный столб -двойной слой (ПС-ДС). // Тезисы докладов 11-й всероссийской научной конференции студентов физиков и молодых ученых - Екатеринбург: 2005. С.361-362.

4. Фесенко A.A., Самарцева Е.С. Исследование возможностей повышения энергетических характеристик рекомбинационного He-Sr лазера за счет увеличения давления активной среды. // Тезисы докладов 11-й всероссийской научной конференции студентов физиков и молодых ученых - Екатеринбург: 2005. С.362-363.

5. Фесенко A.A. Управление энергетическими характеристиками рекомбинационного He-Sr+ лазера при помощи дополнительного импульса напряжения. // Тезисы докладов 12-й всероссийской научной конференции студентов физиков и молодых ученых - Новосибирск: 2006. С.501-502.

6. Чеботарев Г.Д., Фееенко A.A., Латуш Е.Л. Исследование возможностей повышения энергетических характеристик ионных рекомбинационных лазеров за счет увеличения давления активной среды. // Тезисы докладов Симпозиума «Лазеры на парах металлов». — Ростов н/Д: РГУ, 2006. С.27-29.

7. Чеботарев Г.Д., Фееенко A.A., Латуш Е.Л. Управление энергетическими характеристиками ионных рекомбинационных лазеров. // Тезисы докладов Симпозиума «Лазеры на парах металлов». — Ростов н/Д: РГУ, 2006. С.30-32.

8. Латуш Е.Л., Чеботарев Г.Д., Фееенко A.A. Исследование возможности повышения кпд и энергетических характеристик ионных рекомбинационных лазеров в режиме возбуждения пачками импульсов. // Тезисы докладов Симпозиума «Лазеры на парах металлов». - Ростов н/Д: РГУ, 2006. С.33-35.

9. Чеботарев Г.Д., Латуш Е.Л., Фееенко A.A. Анализ возможности повышения пиковой мощности и укорочения импульсов генерации He-Sr+ лазера методом разгрузки резонатора. // Тезисы докладов Симпозиума «Лазеры на парах металлов». - Ростов н/Д: РГУ, 2006. С.36-38.

10. Фееенко A.A., Чеботарев Г.Д., Латуш Е.Л. Управление энергетическими характеристиками рекомбинационного He-Sr+ лазера при помощи дополнительного импульса тока. // Сборник статей «Фундаментальные и прикладные проблемы современной техники», девятый выпуск. Издательство СКНЦ ВШ, Ростов н/Д, 2006. С. 100-114.

11. Фееенко A.A., Аверков Д.Г. Повышение КПД и энергетических характеристик He-Sr+ рекомбинационного лазера с помощью режима возбуждения пачками импульсов. // Тезисы докладов 13-й всероссийской научной конференции студентов физиков и молодых ученых - Ростов н/Д, Таганрог: 2007. С.439-440.

12. Фееенко A.A., Ситало А.Е. Повышение пиковой мощности и укорочение длительности импульса генерации He-Sr+ рекомбинационного лазера с помощью режима разгрузки резонатора. // Тезисы докладов 13-й всероссийской научной конференции студентов физиков и молодых ученых — Ростов н/Д, Таганрог: 2007. С.440-441.

13. Фееенко A.A., Чеботарев Г.Д., Латуш Е.Л. Энергетические характеристики рекомбинационных He-Sr+ лазеров. // Инженерный вестник Дона. 2007. №2. С.111-122.

14. Chebotarev G.D., Latush E.L., Fesenko A.A. Optimization and Controlling of Output Characteristics of The He-Sr+ (Ca1) Recombination Lasers. // Abstracts of the 8-th Int. Conf. "Atomic and Molecular Pulsed Lasers". Tomsk, 2007. P.20.

15. Soldatov A.N., Polunin Yu.P., Vasiljeva A.V., Chebotarev G.D., Latush E.L., Fesenko A.A. Opportunities to Increase PRR in SrVL. // Abstracts of the 8-th Int. Conf. "Atomic and Molecular Pulsed Lasers". Tomsk, 2007. P.52.

16. Фееенко A.A., Чеботарев Г.Д., Латуш Е.Л. Энергетические характеристики рекомбинационных He-Sr+ лазеров. // Сборник статей «Фундаментальные и прикладные проблемы современной техники», десятый выпуск. Издательство СКНЦВШЮФУ, Ростов н/Д, 2007. С.118-131.

17. Солдатов А.Н., Юдин H.A., Полунин Ю.П., Васильева A.B., Толстоброва А.О., Чеботарев Г.Д., Латуш Е.Л., Фееенко A.A. Визуализация ИК излучения

лазера на парах стронция. // «Инноватика-2008»: Материалы VI всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных - Томск: ТГУ, 2008. С.118-123.

18. Солдатов А.Н., Юдин H.A., Полунин Ю.П., Васильева A.B., Чеботарев Г.Д., Латуш Е.Л., Фесенко A.A. Лазер на самоограниченных переходах иона стронция с частотой следования импульсов до 1 МГц. // «Инноватика-2008»: Материалы VI всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных - Томск: ТГУ, 2008. С.124-131.

19. Чеботарев Г.Д., Латуш Е.Л., Пруцаков О.О., Фесенко A.A. Кинетика активной среды рекомбинационного He-Sr+ лазера. I. Пространственно-временные характеристики. // Квант, электроника. 2008. Т.38. №4. С.299-308.

20. Чеботарев Г.Д., Латуш Е.Л., Фесенко A.A. Кинетика активной среды рекомбинационного He-Sr+ лазера. II. Достижимые энергетические характеристики. // Квант, электроника. 2008. Т.38. №4. С.309-318.

21. Чеботарев Г.Д., Латуш Е.Л., Фесенко A.A. Оптимизация и управление выходными характеристиками He-Sr+(Ca+) рекомбинационных лазеров. // Оптика атмосферы и океана. 2008. Т.21. №8. С.682-690.

22. Солдатов А.Н., Юдин H.A., Васильева A.B., Полунин Ю.П., Латуш Е.Л., Чеботарев Г.Д., Фесенко A.A. О предельной частоте следования импульсов генерации самоограниченного He-Sr+ лазера. // Оптика атмосферы и океана. 2008. Т.21. №8. С.696-699.

23. Солдатов А.Н., Юдин H.A., Васильева A.B., Полунин Ю.П., Чеботарев Г.Д., Латуш Е.Л., Фесенко A.A. Условия одновременной генерации на самоограниченных и рекомбинационных переходах стронция. // Сборник трудов Симпозиума «Лазеры на парах металлов». - Ростов н/Д: ЮФУ, 2008. С.75.

24. Чеботарев Г.Д., Латуш Е.Л., Фесенко A.A. Анализ возможностей повышения энергетических характеристик ионных рекомбинационных лазеров при увеличении объема активной среды и частоты следования импульсов. // Сборник трудов Симпозиума «Лазеры на парах металлов». - Ростов н/Д: ЮФУ, 2008. С.95-96.

25. Чеботарев Г.Д., Латуш Е.Л., Фесенко A.A. Оптимизация рекомбинационных He-Sr (Са+) лазеров по энерговкладу в активную среду. // Сборник трудов Симпозиума «Лазеры на парах металлов». - Ростов н/Д: ЮФУ, 2008. С.97-98.

26. Чеботарев Г.Д., Латуш Е.Л., Фесенко A.A. Возбуждение лазерно-активных сред в разрядных трубках с металлическими сегментами. // Сборник трудов Симпозиума «Лазеры на парах металлов». - Ростов н/Д: ЮФУ, 2008. С.99-100.

27. Soldatov A.N., Yudin N.A., Polumin Yu.P., Vasil'eva A.V., Tolstobrova A.O., Chebotarev G.D., Latush E.L., Fesenko A.A. Visualization of IR radiation of a strontium vapor laser. // Proc. 9-th Rus.-Chin. Symp. on Laser Physics and Laser Technologies. Tomsk, 2008. P.47-50.

28. Soldatov A.N., Yudin N.A., Vasilieva A.V., Polunin Yu.P., Chebotarev G.D., Latush E.L., Fesenko A.A. A laser on self-terminated strontium ion transitions with

high pulse repetition frequency. // Proc. 9-th Rus.-Chin. Symp. on Laser Physics and Laser Technologies. Tomsk, 2008. P.61-70.

29. Солдатов A.H., Юдин H.A., Васильева A.B., Полунин Ю.П., Чеботарев Г.Д., Латуш E.JL, Фесенко A.A. О предельной частоте следования импульсов генерации ионного самоограниченного лазера на парах стронция. // Квант, электроника. 2008. Т.38. №11. С.1009-1015.

30. Чеботарев Г.Д., Латуш Е.Л., Фесенко A.A. Исследование комбинированного разряда в трубке с металлическими сегментами как активной среды газоразрядных лазеров. // Известия ТПУ. 2008. Т.313. №4. С.78-86.

31. Чеботарев Г.Д., Латуш Е.Л., Фесенко A.A. Энергетические характеристики генерации ионных рекомбинационных лазеров на парах стронция и кальция. // Труды конференции «Лазеры. Измерения. Информация». С-Пб., 2010. С.87-88.

32. Солдатов А.Н., Полунин Ю.П., Юдин H.A., Латуш Е.Л., Чеботарев Г.Д., Фесенко A.A. Ионизационно-рекомбинационныйлазер на парах стронция. // Сборник трудов Симпозиума «Лазеры на парах металлов». - Ростов н/Д: ЮФУ, 2010. С.84.

33. Чеботарев Г.Д., Латуш Е.Л., Фесенко A.A. Общие закономерности, присущие активным средам саморазогревных He-Sr+ и Не-Са+ лазеров. // Сборник трудов Симпозиума «Лазеры на парах металлов». - Ростов н/Д: ЮФУ, 2010. С.97-98.

34. Чеботарев Г.Д., Латуш Е.Л., Фесенко A.A. Достижимые характеристики генерации He-Sr+ и Не-Са+ лазеров. // Сборник трудов Симпозиума «Лазеры на парах металлов». - Ростов н/Д: ЮФУ, 2010. С.99-100.

35. Чеботарев Г.Д., Латуш Е.Л., Фесенко A.A., Несветаев Д.Г. Характеристики генерации Не-Са+ лазера в режиме возбуждения цугами импульсов. // Труды Симпозиума «Лазеры на парах металлов». - Ростов н/Д: ЮФУ, 2010. С. 101102.

36. Чеботарев Г.Д., Латуш Е.Л., Фесенко A.A. Характеристики генерации Не-Са+ лазера в режиме разгрузки резонатора. // Сборник трудов Симпозиума «Лазеры на парах металлов». - Ростов н/Д: ЮФУ, 2010. С.103-104.

37. Soldatov A.N., Yudin N.A., Polunin Yu.P., Vasil'eva A.V., Chebotarev G.D., Latush E.L., Fesenko A.A. Development of a strontium vapor laser with pulse repetition frequency up to 1 Mhz. // XVIII International Symposium on Gas Flow and Chemical Lasers & High Power Lasers. Sofia, Bulgaria. 30 August - 3 September 2010. Book of Abstracts. P.21.

38. Фесенко A.A., Несветаев Д.Г., Чеботарев Г.Д., Латуш Е.Л. Оперативное управление характеристиками генерации ионного рекомбинационного лазера на парах кальция. // Труды Молодежной школы-конференции с международным участием «Лазеры и лазерные технологии», посвященной 50-летию создания первого в мире лазера. Томск, 2010. С.179-180.

39. Фесенко A.A., Чеботарев Г.Д., Латуш Е.Л. Параметры и свойства активных сред саморазогревных ионных рекомбинационных лазеров на парах стронция и кальция. // Труды Молодежной школы-конференции с

международным участием «Лазеры и лазерные технологии», посвященной 50-летию создания первого в мире лазера. Томск, 2010. С.181-182.

40. Soldatov A.N., Yudin N.A., Polunin Yu.P., Vasilieva A.V., Chebotarev G.D., Latush E.L., Fesenko A.A. Development of a strontium vapor laser with puise répétition frequency up to 1 MHz. // Proceedings of SPIE. 2010. V.7751. 7751 OU. doi: 10.1117/12.881004.

41. Солдатов A.H., Юдин H.A., Латуш Е.Л., Чеботарев Г.Д., Фесенко A.A., Полунин Ю.П., Васильева A.B., Костыря И.Д., Куксгаузен Д.А. Высокочастотные лазеры на парах стронция. // Сборник трудов Симпозиума «Лазеры на парах металлов». - Ростов н/Д: ЮФУ, 2012. С.68.

42. Чеботарев Г.Д., Фесенко А.А., Латуш Е.Л. Трехволновый ионный лазер на парах кадмия с возбуждением в сегментированной металло-диэлектрической разрядной трубке. // Сборник трудов Симпозиума «Лазеры на парах металлов». - Ростов н/Д: ЮФУ, 2012. С.86-87.

43. Чеботарев Г.Д., Фесенко А.А., Латуш Е.Л. Возможность повышения пиковой мощности рекомбинационного He-Sr+ лазера методом разгрузки резонатора. // Электромагнитные волны и электронные системы. 2012. №6. С.56-60.

Подписано в печать 27.02.2013 г. Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Печать цифровая. Объем 1,0 уч.-изд. л. Тираж 100. Заказ № 1571.

Отпечатано в типографии ООО «Диапазон-Плюс». 344011, г. Ростов-на-Дону, пер. Островского, 124 Лиц. ПЛД № 65-116 от 29.09.1997 г.

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Фесенко, Александр Анатольевич, Ростов-на-Дону

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

04201356052

Фесенко Александр Анатольевич

ОПТИМИЗАЦИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ИОННЫХ ЛАЗЕРОВ НА ПАРАХ СТРОНЦИЯ, КАЛЬЦИЯ И КАДМИЯ

Специальность 01.04.03 - радиофизика

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: доктор физико-математических наук

Чеботарев Геннадий Дмитриевич

Ростов-на-Дону - 2012

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 5

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ 17

1.1. Механизмы создания инверсии населенностей в рекомбинационных

He-Sr и Не-Са лазерах 17

1.2. Конструкции рекомбинационных He-Sr и Не-Са лазеров. Типичные выходные параметры 23

1.3. Повышение выходных параметров рекомбинационных He-Sr и Не-Са лазеров 27

1.4. Повышение частоты повторения импульсов лазера на самоограниченных

ИК переходах Srll 32

1.5. Управление выходными параметрами рекомбинационных

He-Sr и Не-Са лазеров 34

1.6. Механизмы генерации и способы возбуждения лазера на парах кадмия 39

1.7. Выводы. Постановка задач 44 ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ЧИСЛЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

РЕКОМБИНАЦИОННЫХ He-Sr и Не-Са ЛАЗЕРОВ 47

2.1. Моделирование He-Sr и Не-Са лазеров 47

2.2. Описание математической модели He-Sr лазера 48

2.2.1. Электрические схемы накачки 48

2.2.2. Долгоживущие частицы в газоразрядной плазме 49

2.2.3. Кинетика населенностей уровней 51

2.2.4. Уравнения для электронной и газовой температуры 51

2.2.5. Интенсивность лазерного поля 52

2.2.6. Ненасыщенный коэффициент усиления 52

2.2.7. Самопоглощение резонансного излучения 53

2.2.8. Выходные параметры 53

2.2.9. Саморазогревной режим 53

2.2.10. Начальные данные для моделирования 54

2.3. Численная оптимизация He-Sr и Не-Са лазеров 55

2.4. Сопоставление результатов моделирования He-Sr и Не-Са лазеров с экспериментальными данными 57

2.5. Выводы 60 ГЛАВА 3. ПОТЕНЦИАЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ АКТИВНЫХ СРЕД

РЕКОМБИНАЦИОННЫХ Не-8г и Не-Са ЛАЗЕРОВ 61

3.1. Повышение выходных параметров рекомбинационных Не-8г и Не-Са лазеров путем увеличения давления буферного газа 61

3.2. Повышение выходных параметров рекомбинационных Не-Бг и Не-Са лазеров путем увеличения активного объема 72

3.3. Повышение выходных параметров рекомбинационных Не-Бг и Не-Са лазеров путем увеличения частоты повторения импульсов 77

3.4. Повышение выходных параметров рекомбинационных Не-8г и Не-Са лазеров за счет возбуждения цугами импульсов 80

3.5. Повышение частоты повторения импульсов лазера на самоограниченных

ИК переходах ЭгП 86

3.6. Выводы 92 ГЛАВА 4. УПРАВЛЕНИЕ ВЫХОДНЫМИ ПАРАМЕТРАМИ РЕКОМБИНАЦИОННЫХ Не-8г и Не-Са ЛАЗЕРОВ 95

4.1. Управление выходными параметрами рекомбинационных Не-Бг и Не-Са лазеров с применением вспомогательного токового импульса 95

4.1.1. Управление за счет изменения момента включения вспомогательного импульса 96

4.1.2. Управление за счет изменения амплитуды вспомогательного 99 импульса

4.2. Увеличение пиковой мощности рекомбинационных Не-Бг и Не-Са

лазеров за счет разгрузки резонатора 104

4.3. Выводы 112 ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ АКТИВНОЙ СРЕДЫ ЛАЗЕРА НА ПАРАХ КАДМИЯ ПРИ ВОЗБУЖДЕНИИ В СЕКЦИОНИРОВАННОЙ МЕТАЛЛО-ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ РАЗРЯДНОЙ ТРУБКЕ 114

5.1. Расчет расстояния, на которое разряд проникает в полость металлических секций 114

5.2. Спектрально-временные характеристики разряда в секционированной металло-диэлектрической трубке 121

5.3. Исследование Не-С<1 лазера с возбуждением в секционированной металло-диэлектрической трубке 126

5.4. Выводы 130 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 132

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. СХЕМА ПОИСКА ОПТИМАЛЬНОГО ЗНАЧЕНИЯ

ФУНКЦИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДА НЕЛДЕРА-МИДА 136 ПРИЛОЖЕНИЕ 2. ПРОГРАММА, РЕАЛИЗУЮЩАЯ МЕТОД

НЕЛДЕРА-МИДА 137

ЛИТЕРАТУРА 141

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Диссертационная работа посвящена исследованиям методом математического моделирования активных сред ионных лазеров на парах стронция (1=430,5; 1033 и 1091 нм SrII) и кальция (1=373,7 нм Call), направленным на оптимизацию условий возбуждения, поиск способов повышения их выходных параметров и определение их потенциальных возможностей, а также комплексным исследованиям активной среды ионного лазера на парах кадмия (1=441,6; 533,7 и 537,8 нм Cdll) при возбуждении в секционированной металло-диэлектрической разрядной трубке.

Газоразрядные лазеры на парах металлов представляют собой широкий класс источников лазерного излучения, которые обеспечивают генерацию в УФ, видимом и ИК диапазонах длин волн, обладают высокими энергетическими характеристиками и высоким качеством излучения, имеют достаточно простую и надежную конструкцию и находят практическое применение во многих областях науки, техники, медицины. Использование импульсно-периодического возбуждения при высокой частоте повторения импульсов позволяет достигать высоких значений выходных параметров генерации, при этом применение саморазогревного режима способствует достижению достаточно высокого практического КПД [1-8].

Наилучшими характеристиками среди рекомбинационных лазеров обладают ионные лазеры на парах стронция (1=430,5 и 416,2 нм SrII) и кальция (1=373,7 и 370,6 нм Call), впервые созданные в Ростовском государственном университете (ныне Южный федеральный университет) [5-6, 9]. Они излучают в

коротковолновой области спектра и имеют достаточно высокие значения энергетических характеристик (до ~4 Вт средней мощности и 20 кВт пиковой мощности), коэффициента усиления (до 0,15 см"1), частоты повторения импульсов (до 50 кГц) и КПД (~0,1%), что делает их привлекательными для многих практических применений. В частности, He-Sr лазер, излучающий в фиолетовой области спектра, может применяться в лазерных проекционных микроскопах в качестве усилителя яркости, а также в цветных лазерных проекционных системах; Не-Са лазер, излучающий в УФ области спектра, может использоваться для засветки фоторезистов в микроэлектронике; также рекомбинационные He-Sr и Не-Са лазеры могут быть использованы для целей преобразования длины волны лазерного излучения и в качестве источников излучения для оптической накачки, для спектроскопии комбинационного рассеяния и флуоресцентной спектроскопии, для дистанционного мониторинга атмосферы [9].

С обычным (неселективным) резонатором генерация, как правило, осуществляется на переходах ^=430,5 нм SrII и А,=373,7 нм Call, поскольку генерация на вторых компонентах дублетов (А,=416,2 нм SrII и 370,6 нм Call), подавляется вследствие конкуренции переходов по верхнему уровню. [5-6].

Лазер на парах стронция также является эффективным источником ИК излучения на ряде самоограниченных переходов в спектрах атомов и ионов стронция (к=6,456 мкм; ~3 мкм Sri и мкм SrII) [7, 10]. Это излучение обеспечивает эффективную абляцию полимеров и биотканей и делает эти лазеры перспективными для применения в обработке материалов, а также в малоинвазивной медицине. [11-12].

Для решения актуальной задачи создания эффективных рекомбинационных He-Sr и Не-Са лазеров нужны глубокие знания о физических процессах, протекающих в их активных средах и ответственных за формирование инверсии населенностей. Поэтому представляет интерес проведение дальнейших исследований активных сред рекомбинационных He-Sr и Не-Са лазеров, необходимых для создания лазеров с высокими выходными и эксплуатационными характеристиками.

Наряду с экспериментальными исследованиями удобным и информативным инструментом исследования активных сред He-Sr и Не-Са лазеров является метод математического моделирования [4, 9, 13-16]. С помощью самосогласованных математических моделей He-Sr и Не-Са лазеров могут быть решены задачи анализа

физических механизмов, ограничивающих рост выходных параметров, поиска возможных способов повышения характеристик генерации, а также способов оперативного управления ими. При реализации методов численной оптимизации возможно также решение задач поиска оптимальных условий возбуждения для активных элементов различных конструкций и различных геометрических размеров, а также определения достижимых характеристик генерации рекомбинационных Не-Эг и Не-Са лазеров. Математическое моделирование позволяет также детально исследовать кинетику возбуждения ИК самоограниченных переходов в спектрах ионов стронция (кальция) и, в частности, кинетику процессов, определяющих предельную частоту повторения импульсов.

В накачке ряда ионных переходов в рекомбинирующей плазме (например, в ионных спектрах элементов II группы) существенную роль играют удары второго рода. В число наиболее эффективных лазеров, накачиваемых ударами второго рода, входит ионный лазер на парах кадмия с накачкой реакциями Пеннинга (А,=441,6 нм СсШ) и перезарядки (А,=533,7 и 537,8 нм СёП). При использовании для возбуждения лазера на парах кадмия разряда в полом катоде (РПК) обеспечиваются большие по сравнению с продольным разрядом скорости накачки и более высокие выходные параметры вследствие наличия в плазме РПК группы быстрых электронов [2, 5-6]. Но лазерам с РПК свойственны такие недостатки, как сложность конструкции, склонность к дугообразованию и продольным неоднородностям разряда, вследствие чего энерговклад в разряд ограничен.

Представляет интерес в качестве способа повышения выходных параметров использовать для возбуждения активной среды ионного лазера на парах кадмия разряд в секционированной металло-диэлектрической трубке («секционированный» разряд), сочетающий положительные качества тлеющего разряда (высокая стабильность разряда, возможность введения паров металлов в активную среду за счет катафореза, конструктивная простота активного элемента) и разряда в полом катоде (наличие группы быстрых электронов в газоразрядной плазме).

Таким образом, вопросы, связанные с исследованиями физических процессов в активных средах ионных лазеров на парах стронция, кальция и кадмия являются актуальными. Актуальность исследований обусловлена тем, что они позволяют определить оптимальные условия возбуждения ионных лазеров на

парах стронция, кальция и кадмия, найти возможные способы повышения выходных параметров и способы управления ими, а также определить достижимые характеристики генерации.

Объектом исследований являются физические процессы в активных средах ионных лазеров на парах стронция, кальция и кадмия.

Основные задачи работы. Достижение цели работы предполагало решение следующих задач:

1. Анализ причин существования оптимума по давлению буферного газа гелия в ионных рекомбинационных лазерах на парах стронция (А,=430,5 нм SrII) и кальция (1=373,7 нм Call) и поиск способов повышения их выходных параметров при высоких давлениях гелия.

4. Численное исследование возможности повышения частоты повторения импульсов лазера на самоограниченных ИК переходах иона стронция (А==1091 и 1033 нм SrII) и определение предельной частоты повторения импульсов.

7. Расчет расстояния, на которое разряд проникает в полость металлических секций в секционированной металло-диэлектрической разрядной трубке и экспериментальное исследование активной среды ионного лазера на парах кадмия (А,=441,6; 533,7 и 537,8 нм Cdll) при возбуждении в «секционированном» разряде.

1. На основе результатов численных исследований активных сред ионных рекомбинационных лазеров на парах стронция (А,=430,5 нм SrII) и кальция (А.=373,7 нм Call) установлен механизм, определяющий ограничение роста выходных параметров при увеличении давления буферного газа гелия, а также показано, что применение быстрого среза заднего фронта импульса разрядного тока позволяет преодолеть ограничение по давлению гелия.

4. На основе результатов численных исследований показано, что частота повторения импульсов генерации лазера на самоограниченных ИК переходах иона стронция (^=1091 и 1033 нм SrII) может достигать ~1 МГц.

6. Численно исследован режим разгрузки резонатора рекомбинационных лазеров на парах стронция и кальция как способ управления выходными параметрами - пиковой мощностью и длительностью импульсов генерации и показана перспективность этого способа для увеличения пиковой мощности рекомбинационных лазеров.

8. Экспериментально исследован разряд в секционированной металло-диэлектрической трубке как способ возбуждения активной среды ионного лазера на парах кадмия (Х.=441,6; 533,7 и 537,8 нм СсШ), сочетающий свойства тлеющего разряда и разряда в полом катоде, и показана его перспективность для возбуждения ионных лазеров, накачиваемых ударами второго рода.