Разработка и исследование характеристик фотодиссоционного XeF-лазера видимого и ультрафиолетового диапазонов с накачкой излучением поверхностного разряда тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

^ 1 Й

На правах рукописи УДК 621-373.826£38.823 + 6213.038.84

МАМАЕВ Сорго а Борисович

"РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ФОТОДИССОЦИОШЮГО ХоР - ЛАЗЕРА ВИДЩ'ОП) И УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ДИАПАЗОНОВ С 11АКАЧК0Л ИЗЛУЧЕНИЕ!! ГОВЕРХКОСТНОГО РАЗРЯДА"

Специальность 01Л4ЛЗ - радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва. 1992 г.

Работа выполнена в научно-производственном объединении "Астрофизика".

Научные руководители: доктор Физико-математических наук,

профессор Зуев B.C., кандидат Физико-математических Hayi

Кашников Г.Н., кандидат физико-математических нау! Михеев Л.Д.

Официальные оппоненты, доктор Физико-математических наук

Казарян М.А. кандидат Физико-математических нау| Беляев ВС

Ведущая организация- Государственный оптический институт

им. С.И.Вавилова, г. С.-Пэтербург

/г-*

Защита диссертации состоится /9- _ 1992 г. В

> . —

часов на заседании специализированного ученого совета Д-003.49Д2 в институте Общей физики РАН по адресу: 117924, Москва, ГСП-1, ул. Вавилова, д. 38.

С диссертацией uosho ознакомиться в библиотеке ИОФАН. Автореферат разослан (ZUorfr1992 г

УчоныЯ секретарь специализированного совота Д-Ю3.49Л2

д.0.-мл. I ВПБыков

( Отг.зл |

-'Г. и^-^т -; ~ ■;*, . ' ----------

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальидсть_тдмн Интерес к созданию модных X®?-лазеров обусловлен уникальным :очетанием физических и спектроскопических свойств ыолекуяы ХеУ. Лазерная генерация развивается на двух электронных переходах жсимара ХеР: в блигней УФ области на пароходе В-Х (МЩ5 инм) и 5 сине-зеленой области спектра на переходе С-А <й,._ОД8 цкй . 1лины волн генерации лежат в полосе высокой прозрачности пгюсферы, а излучение ХеР(с-А)-лазера попадает э область тиболыаей прозрачности морской воды. Широкая спектральная полоса ткминесценции на С-А пероходе допускает возиозшость перестройки ?лины волны генерации в диапазоно ™ 0,435-0,535 шм.

Большая ширина фотодиссоционного шгпшуука ХеР^, высокий шантовий выход частиц на верхние лазерные уровня, элективное шустошение нижних, сравнительно небольшой стоксов сдвиг предопределяют относительно высокий КПД преобразования энергии пирокопо-юсного излучения сильноточных электрических разрядов, кспользуо-5ых в качестве источника оптической накачки, в лазерное из лучшего.

Отсутствио широкополосного нонасыщащзгося погляцэиня на (лине волны генерации молекулярными ионаик бу®ер5шя газоз, обра-укщимнся в активной сродо при элэктроткшучковой или элоитро-¡аз рядной накачках, ставит ХеР-лазер (особенно зидниого диапазона) оптической накачкой вне конкуренции при необходимости обзспзчо-[ия высокой выходной энергии генерация. Относительно несложная •ехничоская реализация и технологичность при эксплуатации Хс?-[азэра с широкополосной опт/ -еской накачкой ( СОН ) излучением ткрытого сильноточного секционированного повар: остаото разряда ОССПР ) делавт ого удобный инструизнтом для лабораторных [р'иионений.

- -

Несомненный интерес представляет использование ХеР-лазера в космических системах связи с подводными лодками, в лазерной локации. в лидарных комплексах, в технике усиления и генерации пикосе-кундных и фвмтосекундных импульсов, для усиления третьей гармоники N4-лазера, в качество источника накачки других лазеров, для визуализации объектов в ночное время, при исследовании эффектов взаимодействия мощного лазерного излучения микросекундной длительности с различными средами и в целом ряде специальных применений.

ЦэлЬ-Р&боту

Создание и исследование характеристик мощного импульсного газового фотодиссоционного ХеР-лаз ера с энергией генерации, превышающей 100 Дк в видимом и УФ диапазонах спектра.

Н&ХНная_новизна

. Достигнута энергия лазерной генерации 117 Дх в видимой и г.'л Дж в УФ областях спектра на С-А. и В-Х переводах молекулы ХеР при 1''°Н излучением электрического разряда.

* Исследованы электротехнические, газодинамические и иэдучатольные ( в рабочую полосу поглощения Хе?2 АХ=130-180 нм ) характеристики открытого секционированного сильноточного разряда, инициируемого скользящим разрядом по поверхности корундовой керамики при удельных мощностях энерговклада в плазму №= 24 - 65 Дж/см-мкс. Яркостная температура источника достигает ~ 55 кК при плотности потока на его поверхности ~ 1,2-Ю2 4 см-2-с-1.

3. Исследованы пространственные, временные, энергетические и спектральные характеристики излучения ХеР-лазера с ШОН излучением ХСЛР в зависимости от давления Хо?2, конфигурации источника закачки и добротности резонатора.

Исследованы зависимости рефракционных потерь и неодно-

родностей показателя преломления от давления Хе?2в активных среда* ХоУ(С-А)-лазера с накачкой излучением ОССПР.

1. Разработан мощный импуяьоно-периодический источник ЧУФ излучения на основе открытых сильноточных разрядов по поверхности корундовой керамики с ресурсом не менее Лр импульсов. Он мохе-найти применение в Фотохимии, люминесцентном анализе, для накачки различных лазерных срод (C^P^I, Кг?,,, Вг2 и т.д.) и рещения других задач.

2. Исследована совместимость с агрессивной фторсодергащей средой некоторых конструкционных материалов и их влияние иа скорость деградации рабочих смесей Фотодиссоционного Хв?-лазора

3. Отработана методика предварительной подготовки лазерной кюветы к работе.

4. Проведен анализ кинетических процессов в рабочих средах ХеР-лазеров с ШОН, в ходе которого определены зависимости количества излученных фотонов из единицы объема активных сред * Зависимости интенсивности насыщения на С-А. и В-Х переходах сгт давления Ха?2 С о - 6 мм рт.ст.), давления (0,4-5 атм) буферных газов ( Не, Ne, кг, Кг, Ng ) и их парциального состава.

5. Создан ХеУ-лазер с энергией генерации, прэвыпащэй 100 Да в видимой и. У© Областях спектра, с накачкой излучением ОССПР.

6. Пэказано, что изменение конфигурации источника накачки приводит к изменению характеристик излучения ХаР-лазера (диаграммы направленности, фор toi импульса генерации).

7. Осуществлена перестройка длины волны генерации Хв2(0~А) лазера с А.ср=480 им на Аср=495 ни в пределах полеты лошкосонции О-А перехода.

8. Установлено, что лучевые пораяения диэлектрических

- е •

покрытия • ЕГО^+БЮ^) т^/4+(3-Б) •ад203>\/4 зеркал происходят при виутркреэонаторных кнтексивностях индуцированного излучения ■ХО.35 ыкм) превышающих 8.5 М&г/см2.

Э. Разработала рекомендации по масштабированию ХвР-лазера с ШОН излучением плазмы разрядов.

2ащиш§емые_половекия

Н диссертации автор защищает:

I Достига -ую энергию лазерной генерации: 174 Дж на В-Х переходе и ТГ7 Д. л а с-г перехода Хв?, включая условия проведения экспериментов

а Результаты исследований пространственных, временных, »нергетическшс и спектральных характеристик излучения созданного х лазера при различных конфигурациях источника накачки.

3 Результаты исследования характеристик активной среды и ее •овместнмости с используемыми конструкционными материалами.

4 Результаты исследования элекротехнических. газодинами-чесю и иэлучательных ( АХя*130-160 км ) характеристик ОССПР при удельных мощностях энерговкдада в плазму и»24-65 Дв/см-мкс.

¿ИЮбйШ-ВЙ&ХЫ

1'сновныь положения диссертации доложены на семинарах лаборатории ФХП отделения КРО ФИАН, на заседаниях секции № 4 НТС * научных конференциях ЕТТК НШ "Астрофизика*.

52ВД1ОТЕ&_1^3мм_дисЕерхации

Дкссерта я состоит из введения, трех глав, заключения, .щложвнкя и занимает объем 151 страницу, включая 9 таблиц и 39 траниц с рисунками. Список цитируемой литературы содержит 92 наименования.

ГГ. С0ДЕР2АНИЕ РАБОТЫ

Во_введ§нии обоснована актуальность темы 7,ан обзор «о-годов накачки ХеР-лазеров. Отмечены особенности активной среды ХвР лазера с ШОН излучением ОССПР и особенности различных -^пособор организации открытых сильноточных излучающих разрядов

В главэ_| рассмотрены спектроскопические свойства дяиора Кв» и кинетические процессы э рабочих средах ХеУ-, -»ера с ИОН

В § Г.1 проведен анализ физико-химических свойств Квр? ■< сопутствующих ему примесей * Хв?4> Ха?б ), выбраны конструкцконные материалы удовлетворительно стойкиэ во фтористых средах

В § 1.2 рассмотрена схема электронных состояний молекулы X»-1' и ээ спектры люминесценни. Эта нолекула является типичным представителем класса эксимерных молекул. Верхние л .зркыо уровни В<1/2' и С(3/2) являются связанными (ионная связь) члектришшми состояниями (ЕС0*4*1О4 см"1) Нианлй уровень лазерное парох^".*. В(1'2) хц/2> является слабосвязаннд.м (ко1.;,1ентная связь-

О Т

!ЕСВ*10 см ) Нижний уровень лазерного перегада 0(3/2) МЗ/2> является разлетныи состоянием.

Спектр люминесценции ХеР(В-Х) распологен з области 0,35 икм и состоит из ряда полос, соответствующих переходам нанду коло бательными подуровнями электронных состояний. П роход О-А характе ризуется широким континуумом люминесценции б сине-зело; .1 области

В § 1.3 рассмотрена схема основных кинетических процессов, определяющих работу ХоР-лазера с ШОЕ Всобу г данные молекулы ХеР(В,С) образуются в результате фотодиссоцнацни Хв?2 под действием излучения с длиной волны X < 2001Ш. В области 145-220 ни располозена бесструктурная голоса поглощения Ха?2, соответствующая переходу 10бд-»7би. Сечение поглощения в максимуме (Х=1БЗ 'ч> V. полосы - 6,7-КГ17 сы2. При X < 145 нм в спектре поглощения наблк-

лаются ридберговокие арки полос *u(3/2,1/2) -na, nd и бд-пр. в области короче ПО нм при взаимодействии кванта накачки с ХеУ2 образуются Хе+, ХаР", Хв?2 Процессы Фото диссоциации не

накладывают ограничений на эффективность Xeí-лазера (их скорость >

с т

Г(г с ) Средний по полосе накачки квантовый выход образования Же*(В) составляет <р * 0,85 и на порядок превосходит квантовый выход образования ХеР(С". Заселение о-состояния происходит в основном при столкновитй льной передаче возбуждения в-о.

Радиационное время жизни в-состояния зависит от номера колебательного подуровня, его эффективное значение - 14,2 не. Эффективное значение сечения стимулированного излучения на В-х

_тс п

переходе • бэ^ ВХ=4»2'Ю JO см . Радиационное время жизни ^-состояния на порядок больше 100 не. Спектральная зависимость сечения усиления на с-ж переходе имеет колоколообразную форму с максимумом на 481 ±2 км и полушириной 74 нм. Максимальное значение сечания стимулированного излучения - бод=9-Ю"18 см2.

Важную роль и кинетике лазера играют процессы тушения Лога '' в столкновениях компонентами газовой смеси,

колебательной релаксации возбужденных состояний Хо?, передачи возбуждения Bs=o, диссоциативного расселения нижнего уровня xtl/2) Скорость диссоциации (»ТО12 с-1) уровня ж(3/2) не ограничива! • эффективность ХеР-лазера.

На основа теоретической модели, описывающей образование и распад В и 0 состояний димера ХаР при фотолизе паров Хе?2 в смеси буферных газов и отсутствии лазерной генерации, определены количества фотонов, излучаемых из единицы объема активной среды на в-х О и о-А (п°А) переходах при условии полного разложения исходного количества Хе?2.

Зависимости и п°А от давления паров Хе?2 в пределах 0 - 5

мм рт.ст. прослежены для смесей азота с инертными газами !

)при давлении Рг=1,4 атм. С увеличением давления Хе?2 происходит замедление скорости роста и п°А за счет возрастания роли процессов тушения в и о состояний молекулами Хв?2 и продуктами Фотолиза (Хо, И.

Зависимости п*х и п" от давления буферных газов (Л,, Но. Яо, Аг, Кг ) в пределах РГЮ,4 - 3 атм получены при давлении Хе?2 3 ша рт.ст. С увеличением- давления п"к уменьшается за счет роста скорости в->о релаксации и тушения В состояния. Для фиксированного значения Рг число излученных фотонов на В-Х переходе возрастает в РЯДУ Кг, Аг, Не, Не. На аналогичных зависимостях для п°А отмечается максимум для или Кг при Рг»1 атм, а для Аг при РЕЧ2 атм При давлениях нино указанных роль газов в основной сводится г. увеличению скорости в-с перевода, а при более высоких дав ланита преобладает тушение в и с состояний молекулами буферных газов

Расчеты зависимостей п"к и п°А при давлении Ха?2 3 мм ртст и Рг=1,4 атм от парциального состава сыэсэй азот : инертный газ показали, что постепенная замена К^ на Аг (Кг) приводит в существенному (в 2 раза) увеличению п*х и незначительному ( < 10X5 уменьшению п".

Расчеты интенсивностей насыщения на В-Х ( ) я с-а <1£а переходах показывают, что I** и возрастают с повышением давления к буферных газов. Замена Аг на или Кг приводит к росту ( примерно в 3 раза ) и практически не влияет на Глав§__11 посвящена разработке конструкции н исследованию электротехнических, газодинамических и излучатолышх характеристик источника оптической накачки - ОССПР.

В § 2-1 рассмотрены разработанные конструкции ис. чинка оптической накдчки, определены давление и составы рабочих сред Хе?

(В-Ж) и ХеР(С-А) лазеров на основе компромисса между условиями надвигай работы источника накачки ( отсутствие самопробоав, синхронность срабатывания отдельных разрядных промежутков ) и оптимальной кинетикой активной среды.

Сначала сильноточные разряды инициировались по поверхности полиэтиленовой трубки, внутри которой проходил поджигающий электрод, изолированный от электродов основного разряда. Трубка крепилась электродами на плоских фторопластовых основаниях, зафиксированных в баковых окнах рабочей камеры фланцем, который служил обратный токопроводом. На четырех основаниях был организован Еосьыисекциошшй разряд, длина одной секции составляла II см. Капдая пара соседних секций разряда коммутировалась малоиндук-тквиымм шинами с конденсаторной батареей, состоящей из двух соединенных параллельно конденсаторов ИК 25-12 ( ира3=25 кВ ). Инициирование сильноточных разрядов производилось высоковольтным ! 70 кВ ) импульсом ( * 5 Дя), который подавался на поджигающий электрод с блока подвига, собранного на основе импульсного трансформатора. Под действием инициирующего импульса на поверхности диэлектрика от основных электродов развивались скользявдш разряды. Пробой разрядных промежутков происходил за счет перенапряжения при сблигонии поверхностных стриммеров.

При сродней за первый полупериод удельной (в расчете на единицу длины ) мощности энзрговклада в разряд »=46 Дж/см-мкс под действием ударных нагрузок, сопровождающих расширение плазмы, происходило разрушение фторопластовых оснований на первом десятке импульсов. Для повыеэюш ресурса источника накачки одноканалъный ОССПР был заманен на трахканальный разряд с питанием от тех же омкостных накопителей с &=15 Дз/сы -мкс. Расстояние меиду соседними параллельными каналами составляло 3,5 см. Шреход от одноканально-

го ОССПР к трехканальному позволил поднять росурс источника накачки на порядок.

С целью повышения надаяности источника накачки при повыпоюшх мощностях энерговклада в разряд и уменьшения запылэшгл зоркал встроенного резонатора продуктами эрозии полнэтнлонеЗторопдастозиэ основания с трубками были заменены на плоские ячейки ( 100 ж 130 х

о

14 мм ) из алюмооксидной керамики Б1( 91-1. 1Ь девяти пчоок собиралось разрядное основание, устанавливавшие на покрытую листовым диэлектриком маталличоскую стенку юзвзты. Па поверхности каждой ячейки с помощью элэктричоских сводов фиксировался элэптрод основного разряда. Элэктроды поднига в изоляции проходили а продольных отверстиях в ячейках. Схека подогага позсоляла инициировать одноканальиый или трехканальный восы!исо1щио:п1ый ОССПР. Соседние секции разряда коммутировались с тремя паралгэлько соэдиненными кондонсаторами ГШ 25-12. Лазерная хзззвта состоит кз двух рабочих камер ( шестнадцатисокцкошшй ОССПР ).

Особенностью рассматривав кого ХоР-лазера пзляатся формирование активной среды в виде достаточно узкой < I -2,6 см ) еолзш $отодкссоциацни, распространяющейся от источзпша иакачял со скорость» 10-25 юл/с в зависимости от давления Хо?2. Образование волны связано с больший значенном интегрального по врз:.:о:п! потока наглчтш и отсутствием регсшбинации продуктоз йотодиссоцкацки в исходное вещество. Оптимизация характеристик блока подзига, состава и давления рабочих смосей привела к тону, что вэроятаость срабатывания шестнадцати одноканалышх или трохканальних разрядных промежутков при рассинхронизации иепду ними но хуко 0J икс составила 0,7. Это соответствовало 10% иэсовпадению пдзщадой попэречного сочошш воли фотолиза от отдельных секций разрк. при оптимальном (с точки зрения максимума выходной энергии) давлэшга

хв?2 ш1 ртлт-).

В 4 22 приведены результаты исследования электротехнических и газодинамических характеристик ОССЛР в рабочих смесях ХеУ-дазера.

Разряды формировались в смесях азота с инертными газами ( 1^:Аг«=и^:Кг«270:790, Рг«1,4 атм). Расчеты электрической мощности выделяемой на активном сопротивлении ши плазмы разрядов, и энергии вложенной к рассматриваемому моменту в нагрузку

проводились по осциллограммам разрядного тока КО и падения напряжения 17Ш на разрядном промежутка с учетом того, что (ли измеряется на КЬ-цепочка (где ьи) - переменная индуктивность разряда). За первый полупериод токов разрядов в плазме диссипируется 72 - 76Х энергии, запасаемой в конденсаторной батарее (лучшее согласованна для одиоканального разряда). Изменение схемы организации одиоканального ОССПР при переходе от разряда по полиэтиленовой трубка к разряду по поверхности керамических ячеек привело к уменьшению индуктивности разрядного контура на 40%. Длительность первого полупериода тока разряда в одноканальном варианте (Т1/2=€ ыдс) сохранилась, несмотря на увеличение в 1,6 раза емкости конденсаторной батареи. Для трохканального разряда за счет дальней-еого скфацэния индуктивности нагрузки Т1/2-5,2 икс. Максимальные электрические иоцз:ссти Р^12 одиоканального и трехканального разрядов по кораыкка о^цхзалксь примерно равными и развивались чорэз 2,0 икс к 2¡2 шш от нх качала, соответственно, значения и ас пэрвш полупариоды составили 65 Дк/ыкс-сы и 24 Дп/ыкс-см. Заизка Аз? на Ер и введение в скзсь паров хо?2 в количестве 0,5 -6,0 ¡21 ртлт. ко пркмдоли к изменению БАХ разрядов.

Дгаюаша Сорбирования поверхностных разрядов исследовалась Сотсграйирогшаши этих процэссов скоростной &отокашро;. БЭУ-1. При

- D -

я=24 Дж/мкс -см видимые границы тепловых областай разрядов е сивсясг Kj с Аг и N2 с Кг в течение первых 12 икс совпадает- с точностью дс< 10%. При и=б5 Дж/мкс-см после 3 икс скорости р^-широния каналов в смесях, содоряащих Аг на 25-ЗОХ вольно, чем в сносях, содорпадиг Кг. Скорости движения передних границ плазмы разрядов прякзрно два раза больше скорости двняенил ее боковых грашгц вследствие магнитного взаимодействия прямых и обратных то коз. Нагышалькая начальная скорость расширения плазмы достигает В км/с для одноканальных разрядов, для треяканальных разрядов ока ка Я)-35х меньше. Особенность трехканального разряда заключается в том. что отдельные каналы не сливаются друг с другом. Взаишюэ отражение УВ, вызванных расширением соседних боковых гразиц плаз данных кака-лов, приводит к тому, что отраженная УВ п, ! движении к "своэну разряду, начиная с 12 икс (для сг.осой с Art и с 14 икс (да -кзсос с Кг), как поршень, сжимает плазму d направлзнли порпрндииулярнок оси разряда. При этом повышается яркость сгочэнил разряда.

В § Z3 приведены результаты исследования кзлучатолышх хараи теристик источника накачки в завкслкостн от состава газовой срэды ( М2:Аг=270:790 ИЛИ 1^-Дг=270.7!?0. Рг=1.4 атн), срэднзЯ за порвый полупорнод разряда удельной мощности эиергозкяада ( г?« 24 - 65 Дз/см'мкс) и числа каналов разряда. Цэлъп сгянэртшэнтсэ было опро делзнко условий достижения высоких сгяростой навачкн ЛоР-я?лора

Кзлучателышо хар&ктэртотгая разр.тдоэ а рлСсчэй полого пог.ть дания ХоР2 ( ЛХ=130-па ini) исслодогалгсь гзтолсч даг^лкчосгай актинометрии. Пэтояя Сотс.чоз ( <?и ) в о/рпсэд! иегэр»?кят" шки и и косности (Рн), пэлучмшя разрядам» етрололягпз» иэ сеттяс-эткгкга

в <t) -vact) .no.R(t) /T(t) < для сд!Я5йигагыгого квточгпсл)

- LM -

'»о

Ф (t) ---------»--------------'для трехканального),

r(t)/R(t)+2'H(t) *r(t) /[В*( t) +аж ]

Р <t)-fil'*T(t)-b'hKjj'Ojjtt) »где

й0 концентрация Xe?2, R(t) - радиус вол:« фотодиссоциации, v^t) во скорость, г( t) - радиус разряда, L - длина разрядов, hvH средняя энергия кванта накачки, а - расстояние между каналами

рк накачке среды гадучеккем одного канала волна фотолиза ймоот форму правильного полого полуцилиндра, что свидетельствует о высоко* однор эдности излучения разряда по азимутальному углу. При грохканальной накачке образуются три отдельные волны Фотолиза, которые затем сорммруют одну волну, представляющую собой часть дуги ¿липшей; бользая ось эллипса параллельна поверхности керамики Кпзииэсцрифщ из воли фотолиза наблюдается в течение 34 мкс при грохЕ&нахьной накачке и в течение 46 икс - при одноканальной.

вс ма импульса излучения плазмы в точение первого полупериода близка к кояоиэлообразной. Излучательные характеристики ОССПР оп-юдэлгвтгсп составов буфзриых газов, а ко плозкообразующими веществами с поверхности корашшк. В условиях проведенных экспериментов «факторные величины Ри составляет- (2-8) -Ю7 Вг для отдельных разрядных промежутков, причем PR повышается при росте мощности акорговклода и замене в смесях Кг на Аг. Максимальная мощность в иолосу поглощения Хо?2> излучаемая трэхнанальныи (в сумме по трем каналам) разрядом по кораиике, для смесей Kg с Аг и tt, с Кг выше, соответственно, на 45* и S5S максимальной мощности, излучаемой однокакалышм ХХЛ1Р по корешке в тех se смесях. Площадь излучающей поверхности трохканального ОССПР в среднем в 1,8 раза ■Тольво площади одиокаиального источника.

В зависимости от величины я иовно отметить два режима работы

исследованных поверхностных разрядов. При 57=24 Дп/сн-мкс и 57=46 Дж/мкссм P,j<t> повторяет временной ход Рэ(t>. При Г7=65 Ди/ккс -см происходит сдвиг максимума PH(t) на более позд-.ло моменты времени по сравнению с максимумом Pg(t): в смеси, содержащей Кг, .на 0,5 0,8 мкс, а в смеси, содержащей Аг, на 1,5 - 1,7 икс. Увеличение я с 46 Дх/см-нкс до 65 Дж/см'мкс не приводит к росту плотности потока излучения с поверхности разрядов; происходит не.сынотш яркости ОССПР в используемых газовых смесях в рабочей яолосо поглощения XePg. Be личины ®и при ЯМ35 Дя/см-мкс в области максимальных значений Pg(t) достигают I.IS'IO24 см-2-с-1 (для сиэсой с Кг) и 1,24 »Ю2^ см"2-о-1 (для смесей Я2 с Аг), что соответствует эквивалентным яркостным температурам черного тола 55-57 нК в полосе /Л=130 - 180 нм. Повышение мощности га луче ия разряда после спада разрядного тока происходит за счет увеличения плогдзди излучающей поверхности расширяющегося оптически непрозрачного разряда.

Световой КПД разрядов, определяемый как отношение anepi-.iK. излученной з полусферу (источник расположен на плоскости, геометрический фактор использования излучения накачки ГОД5) з полосу поглощения XoPg, к энергии, запасенной в конденсаторах, оказался примерно одинаковым для одно- н трзхканальних разрядов х составлял за все время их свечения 10-12%. В рабочем объема лазера поглощается до 60S излученной в полосе накачки энергии.

посвящена разработке конструкции и исследованию энергетических, временных, простракстзоюшх и спектральных характеристик ХоР-лазера с ШОН в зависимости от давлэтгая Хо*0, v -фигурации источника оптической накачк:! и добротности резонатора.

В § 3.1 списана конструкция лазерной гое-зти, рассмотрены схемы ее вакуумироваиия н газонапуска. Кгвета состоит из дву> одинаковых камор прямоугольного поперечного сечен:т ' Т < х га:

мм2 ! и длиной НПО иы каждая. К торцовый фланцам кюветы крепятся ястировочные узлы оригинальной конструкции, позволяющие при дренаже газа чэ камеры до минимума сократить попадание влаги атмосферного воздуха в кювету и ее депассивацию при постановке зеркал резонатора Встроенный резонатор исключает деформацию зоркая и потери на дополнительных оптических элементах, что важно

-Я -Т

при низких коэффициентах усиления 0« 3-Ю см -1), характерных для ХвРС А)-лазера с оптической накачкой. Оптическая длина резонатора составляет 1^-280 -и. Световая апертура круглых 0 220 мм зеркал представлял прямоугольник 100 х 200 мм2 со скругленными углами. На боковой стенке кюветы располагался источник оптической накачки ОССПР. Схема подвига позволяет инициировать одноканальный или грзхканйлышй 16-тисекциошшй разряд. Каналы разрядов расположены вдоль оптической оси кивоты. Активная длина лазера с учетом поракрытия волн фотолиза от отдельных разрядов составляет ьа=190 си. По. ¡ая запасаемая энергия в конденсаторной батарее Ео=90 кДж.

Описана процедура подготовки кюветы к экспериментам, включающая пассивацию внутренних поверхностей сх?3 и длительное обезгавквание наветы. Отработана методика пассивации насыщенными параш Ка?2' что позволило расиирить перечень используемых материалов. По результатам испытаний окончательно выбраны материалы, сделан вывод о возможной использовании стали Х18НШТ и герыетиков на основе эпоксидных смол в конструкциях фотодис-соционных ХеУ-лазвров с рабочим объемом несколько десятков литров.

Рабочее смеси приготавливались в потоке при пропускании предноси »2 с 1г ли к^ с Кг через поликристаллически* ХаР2. Концентрация Хв?2 и скорость деградации рабочих смесей определялись по поглощению света на длине волны 253,7 нм ( б****т=1.15«10"19 см2- ) при отборе проб из лазерной поветы в специальную кюветку.

Н «. 3.2 описаны оптические схвмы юстировки резонатора и оис темы регистрации лазерного излучения, которая позволяет исследовать спектральные, пространстве иные (в в шт. .! и дальней зонах) временные и энергетические характеристики генерации Схвмы включают следующие устройства, юстировочный лазер -Щ"-7Р автоколлиматор АК- 1600, скоростную Фотокамеру ВЭУ-1. калориметр ТПИ-? 5, Фотодиод 9Э-1ПА, спектрограф ДФС-452, зеркальны« клин экран засвеченной и проявленной матовой ^атобуыагой, линзу 'И[ф- 1500 мм), пластинку, покрытук. сплицияаток натрия светофильтры, отклоняющие зеркала и клоснепараллельные пластины Б 3.3 и 3.4 приведены результаты исследования зав иск.-* ос той энергии генерации ХеР(В-Х) и Х®?(0-А) лазеров от давления паров ХвР? ч б мм рт.ст.), конфигурации исто1 ¡ка оптической накачкх и добротности резонатора.

Зависимости энергии генерации от давления ХеР2 имеет макскыуь в области 2-3 мм рт.ст. При малых давлениях Хэ?2 снижение эне] ах генерации обусловлено тем, что значительная часть излучения накачки падает ка стенки кюветы. При давлениях Хв72 больпос оптимального увеличиваются неоднородности активной среды, приводящие к росту рефракционных потерь, и скорости тупения в и о с ос тоет и й димера Хв? продуктами фотолиза (Хе, Ж) и молекулами Хе?2

При работе Хв?-лазера на 0-А переходе с цэльо предотвращения развития эффективной генерации на конкурирующем В-Х переходе, для которого сечение усиления на порядок больше, использовались рабочие смеси с Кг и зеркала с пропусканием не моныпч 80" в области 0,35 мям.

При накачке смеси ,3270:733 <Р=1,4 атм) излуче-

нием одноканального СССП? по ворамшса максимальная экэргля гонэра-цзга на С-Д переходе составила 93 Дд. Использовался плоски,. розова-

гор с коэффициентами отражения диэлектрических зеркал 1^=0,99 и 1*2=0,77 в области 480 нм. Импульс генерации имел колоколообразную форму с затянутым спадом интенсивности. Длительность генерации (по полувысоте) составила "1Л=4,7 мкс. С повышением давления Хе?2 от Т «ч от.ст. до 2,3 мм рт-ст. ее длительность возрастала с 5,8 мкс дс ?.б мкс (по основанию). Дальнейшее повышение давления Хе?2 до 4 мм рт-гт не приводило ни к росту выходной энергии, ни к увеличению длительности генерации.

Максимальная энергия генерации ХеР(С-А) -лазера Ег-И7 Дж была получена при накачке смеси ХеР2:К2:Кг=г,8270:790 <Р^1,4 атм) кзлучэнием трахканального ОССПР по керамике. Использовался плоский резонатор с 1^=0,99 и 1^=0,77 Средний удельный энергосъем лазера «г'л,1-ш»ил Дж/л при КЦД по энергии. запасаемой ь

конденсаторах, пк=€ДЗХ и КЦЦ по энергии, вложенной в активную среду, >?а-2,6Х. Ш сравнению с генерацией при накачке излучением одноканального ОССПР фронт импульса генерации стал более крутым, зе длительность составила 1Л=3,3 мкс (по пслувысоте) , а по оскоь..лию - 1Ъ2 мкс. Повышение давления Хо?2 с I мм ртст до 3 им рт.ст. приводит к увеличению длительности генерации с 2,8 икс до ЪЛ икс (по основанию), дальнейшее повышение давления Хе?2 до 6 мм рте не приводит к увеличению длительности генерации. Такая же картина на. задается и при работе на В-Х переходе.

Максимальная энергия генерации на В-Х переходе Ег=174 Дж была аолучена при накачке смеси Хо?2^ :Аг=2,8270:790 (Р=1,4 атм) излучением трахканального ОССПР по керамике. Использовался плоский резонатор с коэффициентами отражения диэлектрических зеркал 0,99 и 0,5 в области 350 нм. Средний удельный энергосъем составил Еуд=4,3 Дж/л при т}„=€Д93 и п„ =3,6*Длительность импульса генерации (по

А £1

полувысоте) составила а„=2,8 мкс, а по основанию - 5,2 икс.

В % 3.5 представлены результаты исследования направленности излучения Фотодиссоционнога Хо?(С-А) -лазера в зависимости эт добротности резонатора и давления паров Хо?2 при накачке рабочик сред излучением одноканального и трехканального ОССПР. На основе данных о направленности излучения оценены рефракционные потерн в активных средах ХеР(С-А)-лазеров

Диаграмма направленности лазерного излучения р видимо» диапазоне восстанавливалась по распределения плотности иноргин с Фокальном пятно. Очертание каждого ожога на £ютобу?гаге в фокусе линзы при одноканальной накачке представляет полукольцо с некото рой шириной <1, а при трехканальной накачке форма ожогов близка г прямоугольной. При одноканальной накачке излучение ХеКС-д) - лазера распространяется вдоль образующей поверхности кругового конуса, г при трехканальной - также вдоль образующей конической поверхности но в основании конуса лежит эллипс, большая ось которого парал лельна разрядным основаниям. Направление нормали к волновому ©рон ту излучения отклоняется от направления оптической оси резонатора в сторону внешней границы зоны генерации из-за распространения излучения в резонаторе лазера вдоль направления максимального усиления ( под углом т^/с к оптической оси резонатора в сторону от источника накачки ) и возникновения малых ( порядка Ю-7 неоднородностей показателя преломления в активной среде лазера Скачок показателя преломления обусловлен, во-первых, разрывом химических связей в молекуле Хе?2 и, во-вторых, газодинамическим возмущением вследствие тепловыделения в волне фотолиза

—7 — т

Результирующий градиент пок )атоля преломления (порядка 10 см ^ направлен от источника оптической накачки.

Угол между осью лазера и нормалью к волновому фронту <и„_; ;вязан с изменением показателя преломления активной среды ап

. го -

соотношением

V ч/г-Ап. х^ /о СП

При накачке рабочих срад из луче нивы одноканального разряда 'РМ/2) регистрировался как внешний радиус полукольца в фокусе ляизы (?). Измеряя Вер и Тф. по (I) можно оценить ¿а

Неоднородиость показателя преломления в активной среде приво шла к появлению рефракционных потерь, коэффициент которых оценивался по фор уле:

Г » бн'Н0л/г-Ап.ьа

где бн=3,35'Ю~17 сн2 - среднее сечение поглощения излучения накачки молекулами Хв?2 в полосе ЛХ=130 - 180 нм.

В таблице приведены значения и._, и Г для различных дернений Хв?2 при одкоканальной накачке (1^1Кг=г70:790, Р=1,4 атм. 1^=0,95 и 1^=0.78). С ростом давления Хе?2 увеличиваются неоднородности показателя преломления в активной среде.

Таблица

о РХоУж' °ср' Vo- Дп. Г.

п нм рт.ст. Дж Ю"4 рад М-5 I0"8 ID"3 см"1

I 1.9 69.6 2.78 8.7 2.7 0.48

1 2.1 76,2 3.09 8.6 3,6 0.52

i 2.7 70.3 3,4 6,3 5.7 0.84

1 3.2 44.5 3,7 5,3 . 7.4 I.I3

5 3.4 25.4 4.2 5.2 9,8 1.35

Ч 3.6 '5,2 4,63 4,9 12,6 1.62

Точность настройки резонатора ( I" ) была достаточной для тетрадки наведенных неодкородностей в активных средах при давлениях ХеР_ бо. ше 1,9 мы рт.ст.

Направленность излучения ХвРсо-1) лазера улучьяется понижением давления ХеР2, а при трехканальной накачке и уменьшением добротности резонатора. Рас ходкие ь излучения лазера с одноканальным источником накачки (при давлении Хе?2 2 мм ртхт Ег =90 Дж) составляет 2-0=4-Ю-4 (по уровню энергии 84х)

В § 3.6 рассмотрены спектры излучения ХеР(В-» и ХеР(С-д лазеров.

Спектр ХеР(В-Х)-лазера состоит из кескол. их линий: 348,8 нм 251,1 нм, 353.1 нм, 353,3 нм, 353,4 нм, 353,5 им и 353,7 нк Наиболее интенсивная генерация развивается на 353,1 нм н 353,7 ни Типичный спектр ХеР(С-А)-лазера (Ер»«? Да, .1:790

Рг=1,4 атм) занимает диапазон шириной 20 нм с центром на 479 ни Изменение спектральной зависимости коэффу ¡ентоэ отражения зеркал в пределах полосы люминесценции 0-А перехода привел к перестройке длины волны генерации ХеР(С-А) -лазера с Хср=479 нм на ^>=493 та В спектре присутствуют линии поглощения возбужденных ат об ксенона.

В § 3 7 обсуждены результаты экспериментов Во всех генерационных экспериментах на В-Х порэходе средняя по генерирующей апертуре лазера интенсивность внутрирезонаторного потока излучения превышала интенсивность насыщения (300 кВт/си2 На с-а переходе при максимальной энергии генерации П7 Д» средняя по апертуре лазера интенсивность внутрирез .аторного потока излучения составила 25« от интенсивности'насыцэнкя ( 8,3 МВг/см2 ). В момент максимальной мощности генерации вну-ри розонаторный поток достигал интенсивности потока насыщения.

Для сносей ,0270.750 получзиы завнеи-

пости от времени начальных коэффщконтоз усилэнля сегатвотствонт на 3-Х и С-А переходах при однеканальной и трахкакальной :акач'лх

Усреднение по поперечному сочетаю генерирующего объема их значения

_з

при одноканалыгой накачка составляют на С-А переходе - 3,1*10 см-1, на В-Х переходе - 9Д- 10~3 см-1, при трехканальной накачке 3,6-Ю-3 си-1 и 8,6'Ю-3 см"1, соответственно. Проведена оценка различных коэффициентов потерь в активных средах ХеР(С-А) -лазера, показано, что определяющими являются рефракционные потери. Для сиеск показано, что в случае накачки среды

треху анальный источником происходит 10% снижение внутрирезонаторых потерь по сравнении с накачкой одноканальным источником.

Проаналтаироааны пути масштабирования ХеР-лазера. Дальнейшее повывекие выходной энергии и удельных характеристик ХеР-лазера иоает быть достигнуто при увеличения эффективности резонатора за счет роста мощности накачки, приводящей к повышению коэффициента усиления среды, увеличении активной длины, а также за счет .¿ггкмиэации гоомотрки источника накачки, приводящей к "виравчивагаио" коэффициентов усиления по сечению рабочей среды.

В 2аЕ$2$!Ш кзлохдны основ!ше результаты и выводы диссертационной работы.

В ШШ5352ШШ "а основе литературных данных о поляризуемости компонентов рабочих сиэсей показано, что, изменяя состав буферных газов Хог(О-А) -лазера, могно уменьшать наведенную неоднородность показателя преломления в волне фотолиза, это открывает возмозкость сюеео}шл рефракционных потерь и повышения направленности излучения ХвР(О-д) -лазера.

fc~.roриалы дкссортацик опубликованы в следующих работах: :. ЕСЗурв, ГЯКашшков, НЛКозлов, С.Б.Мамаов, ЕК-Орлов, ЕСЛТротасоп, ВХСорокии. Характеристики ХеР(С-А)-лазера видимого диапазона с оптической накачкой из лучайком скользящего разряда. - Квантовая электроника, 1685, т. 13. и

12, С.2521-2523.

. В.С.Зувв, Г.Н.Кашников. В.В.Кириленко, С.Б.Маиаев, RAjCo рокин, Вф.суховэрхов ФОТОДНССОЦИОННЫЙ ХвР-;.а39р видиыогг и УФ диапазонов с накачкой излучение« секционированного поверхностного разряда. Квантовая электроника,, 1589. т.16, N 6, с.1154-1158.

J. В.СДуев, Г.Н.Кашников, С.Б.Мамаев Лазерная генерация не переходе D'-A' молекулы Вг2 при оптической накачко секционированным поверхностным разрядом. - Препринт Я 126 Москва, ФИАН. 1990.

4. В.СЗуев, Г.Н.Кашников. С.Б.Мамаев Лазерная генерация нь переходе D'-A' молекулы Вг2 при оптической накачке секционированным поверхностным разряд: м. Квантов«, электроника, 1991, т.18, N2, с.Ш-183.

5 ВС.Зуев, Г.Н.Кашников, С.Б.Мамаев. Исследование Хэ* ла зера с оптической накачкой излучением поверхностных разрядов. - Препринт н2 23, ФИАН, 1992 г - 23 с