Широкоапертурный плазмохимический квантовый генератор с телескопическим резонатором сходящейся волны тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

ГСЮУДАРСТВЕННШ КОШТЕТ РФ ПО НАРОДНОМУ ОБРАЗОВАННО Московский Государственный технический университет

На правах рукописи УДН 535; 621 375.

ЕАЛАИЖОВ ВАЛЕРИИ ИВАНОВИЧ 15МРОКОАПЕРТУРШЙ ПЛАЗМОХШИЧЕСКИК КВАНТОВЫЙ ГЕНЕРАТОР

с тел: копическим резонатором сходящейся волны. ( 01.04.14 теплофизика и молекулярная физика. )

РГ6 ОА

2 2 МАЙ 1935

Автореферат диссертации на соискание учбкой степени кандидата технических наук

Москва 1995 г.

Работа выполнэна в Центральном Научно-исследовательском Институте Машиностроения.

Научный руководитель - кандидат технических наук

доцент ЯМШСЮТ В.В.

Официальные ошоненты - доктор технических наук

САВИЧЕВ в!в.

кандидат технических наук ДМИТРИЕВ М.Ф.

Ведущее предприятие - Троицкий институт инновационных и

термоядерных исследований (ТРИНИТИ)

. !. в-О

Защита состоится *20*_О & 1995 года в / Ч часов

на заседании специализированного совета по внергетическим установкам К.053.15.08 Московского Государственного Технического университета по адресу: 107005, Москва, Лефортовская набережная д. I, корпус "Энергомашиностроение".

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ.

Автореферат разослан "/1 " Р \ ~ 1995 г.:

Ваши отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба высылать по адресу: 107005, Москва, 2-я Бауманская улица, д. 5, МГТУ, учбному секретарю Совета К.053.15.08.

Ученый Секре фь специализированного Совета

. 1

КУГУКОБ ю.н.

Заказ 2 ¿>2. Подписано к печати !>'■ о'З" О т". Тир. 100 экз. Объбм !.€ пл. Типография МГТУ.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

_^туадьность_проОлемы. Одним из перспективных направлений развития лазерной техники с целью еб более широкого и эффективного применения является создание источников когерентного излучения коротковолнового ультрафиолетового диапазона с минимальной» близкой к предельной дифракционной, расходимостью пучка излучения. К' таким коротковолновым источникам можно отнести зксимерные лазеры, которые находят самое широкое применение в нелинейной оптике,'фотохимии, в нелинейной лазерной спектроскопии, в экспериментах по лазерному нагреву и сжатию вещества.

В настоящее время существуют импульсные эксимерные лазеры на большом количестве сред, имеющие энергии импульса в несколько килоджоулей при длительностях импульсов в сотни 'наносекунд. Одним из дальнейших возможных путей развития эксимерных лазеров является разработка непрерывных источников когерентного излучения ультрафиолетового диапазона, экспериментальные исследования которых находятся на стадии достижения плотности эксимерных молекул в непрерывном режиме близкой к пороговой. Например, при вводе галоге-ноносителя ( паров НаИ ) в поток плазмы ксенона, получаемого от магнитоплазмодинамического ускорителя (МЦДУ), была зарегистрирована непрерывная в течение нескольких, секунд люминесценция молекул ХеС1* концентрация которых в зоне смешения достигала 5-Ю12 см-3.

Предварительный анализ возможности генерации когерентного излучения в эксимерной среды, поручаемой в результате плазмохими-ческих реакций, протекающих при смешении потоков плазмы инертных газов с галогенами показывает, что эффективность генерации будет определятся целым рядом научных и технических проблем. Прежде всего отметим, что как и в непрерывных химичрг-ких лазерах на диффузном смешении, зона достаточной концентрации эксимеров при стремлении к пороговой плотности будет уменьшатся. Желание эффективного использования потока плазмы и увеличения энергии когерентного излучения потребует разработки специальных схем смешения, что в общем случае приведбт к существенной несимметричности и неоднородности распределения плотности возбужденных молекул по объему с активной средой и большой величине апертуры излучателя.

Стремление к повышению плотности эксимеров приводит так же к повышению требований к источнику плазмы. Различные кинетические

I

процессы и плазмохимическда реакции, .¡ротекающие в зоне смешения, накладывают существенные ограничения на такие параметры плазмы, как плотность ионов и молекул галогенидов, температуры смешиваемых компонент и электронов плазмы, степень ионизации и плотность возбуадбнных атомов инертного газа„ скорость плазменного потока и относительные направления векторов скорости ионов и галогеноноси-телей.

В то же время для широкоапертерных активных сред с несимметричным сечением и достаточно неравномерным распределением плотности возбуждённых молекул по апертуре становится важной проблема эффективного преобразования энергии во, Зуадбнных эксимерных молекул со всего обьбма активной среди в когерентный пучок излучения с расходимостью, близкой к предельной дифракционной. Для таких активных сред использование традиционных плоско-параллельных, конфокальных сферических и неустойчивых телескопических резонаторов не позволяет эффективно использовать весь объбм с активной средой и сформировать широкоапертурный когерентный пучок с минимальной расходимостью.

Таким образом для осуществления эффективной генерации когерентного излучения в плазмохимическом квантовом генераторе ( ПХКГ ) на основе эксимерных молекул ХеС1*, получаемых при диффузном смешении потока плазмы ксенона с молекулами ЫаС1, необходимо на основе анализа плазменных потоков от МЦДУ, анализа кинетических процессов и ллазмохимических реакций, протекающих в зоне смешения, анализа процессов диффузии для различных схем смешения определить возможность генерации когерентного излучения и пороговую .отно-сть эксимеров, и оценить влияние на эффективность генерации различных параметров и характеристик как среды, так и всего устройства. Необходимо так же выбрать и рассчитать резонатор, обеспечивающий събм энергии со всего объбма активной среды и формирующий пучок излучения с расходимостью, близкой к предельной диффракци-онной широкоаперт^лого излучателя. •

Ц§4Ь_работыл Целью данной работы являются теоретические и экспериментальные исследования по определению возможности непрерывной генерации когерентного излучения в плазм лимической активной среде на основе эксимерной молекулы ХеС1*. получаемой при диффузном смешении потока плазмы ксенона с молекулами N301, исследования возможности пространственной фазовой синхронизации работы 2

I 1

широкоапертурных зксимерных сред телескопическими резонаторами сходящейся волны, и определение требований к параметрам плазмохи-мической активной среды и ТРСВ, обеспечивающих эффективную генерацию когерентного излучения ультрафиолетового диапазона с расходимостью, близкой к предельной даффракционной.

В диссертации решались следующие задачи:

1. Теоретические и экспериментальные исследования по опреде-' лению возможности генерации непрерывного когерентного излучения в эксимерной среде на основе молекул ХеС1*, получаемых при смешении потока плазмы ксенона с парами МаС1.

2. Теоретические и экспериментальные исследования возможности пространственной фазовой синхронизации работы широкоапертурных активных сред телескопическими резонаторами сходящейся волны.

3. Определение на основе анализа кинетических процессов и плазмохимических реакций, протекающих в зоне диффузного смешения потока плазм^. ксенона с молекулами НаС1, пороговых характеристик, обеспечивающих генерацию когерентного излучения е активной среде на эксимерной молекуле ХеС1*.

4. Определение пространственного распределения плотности эк-симерных молекул по объбму активной среды для различных схем смешения галогеноносителя с полностью ионизованным потоком плазмы инертных газов.

5. Теоретические и экспериментальные исследования телескопических резонаторов сходящейся волны, поведения параксиальных лучей в этих резонаторах и разработка схем ТРСВ для эффективной фазовой синхронизации работы широкоапертурных активных сред различной конфигурации.

6. Разработка и создание широкоапертурного плазмохимического квантового генератора на эксимерной молекуле ХеС1* с телескопическим резонатором сходящейся волны, и выработка требований к активной среде и резонаторам.для обеспечения эффективной генерации когерентного излучения.

Научная_новизна основных положений диссертации заключается в следующем:

I. Теоретически показана возможность генерации непрерывного когерентного излучения в эксимерной. среде на основе молекул ХеП*', получаемых при.диффузном смешении-потока плэзмн ксенона с молекулами ЯаСГ.

I -1

2. Теоретически и экспериментально показана возможность пространственной фазовой синхронизации работы широкоапертурных активных сред телескопическими резонаторами сходящейся волны и разработаны защищенные авторскими свидетельствами схемы ТРСВ для различного рода широкоапертурных активных сред.

3. Определены пороговые условия генерации когерентного излучения ультрафиолетового диапазона в плазмохимической активной среде на эксимерный молекуле Хей*.

4. Определены на основе решения системы нелинейных дифференциальных уравнений диффузии с учбтом самодиффузии, сноса и распада пространственное распределение шкп.юсти эксимеров по объбму активной среды для различных схем смешения.

5. В параксиальном приближении на основе матричного подхода выведена матрица ТРСВ, установлена связь между входными и выходными параметрами пучка при обходе резонатора и выявлен, в отличие от предложенного ранее "дифракционного затекания", механизм пространственной фазовой синхронизации, основанный на геометро-оптических свойствах ТРСВ.

6. Разработана численно-аналитическая программа, позволяющая моделировать процессы генерации когерентного излучения в ПХКГ с ТРСВ, учитывающая как распределение коэффициента усиления по среде, так и поведение лучей в ТРСВ. .

Практическая_ценность работы состоит в следующем.

1. Исследованы и показаны основные факторы ( температура и плотность потока плазмы, молекул NaCl, степень ионизации и соотношение смешиваемых компонент, скорость плазмохимической ¿.-акции и число воозбуадаемых колебательных состояний эксимера), влияющие на пороговую плотность эксимеров.

2. Разработана численно-аналитическая модель исследования процесса диффузии, позволяющая определять пространственное распределение плотности эксимеров по объЭму активной среда.

3. Разработан^ и исследованы конструкция, защищенные авторе- " кими свидетельствами,телескопических резонаторов сходящейся волны для обеспечения возможности пространственной фазовой синхронизации широкоапертурных активных сред различных :со'-1)игураций.

4. Разработаны матрицы для исследования многозеркальных ТРСВ, и на их основе разработана численно-аналитическая программа моделирования процесса генерации когерентного излечения в ПХКГ с ТРСВ* 4

< t

с учбтом распределения коэффициента усиления по активной среде, позволяющая получить распределение интенсивности генерируемого излучения на выходной апертуре лазера.

Научше_положет!Яг jMro •

1. Результаты теоретических и экспериментальных исследований по определению возможности генерации непрерывного когерентного излучения в активной среде на основе эксимерных молекул ХеС1*, получаемых при смешении потока плазмы ксенона с молекулами NaCl.

2. Результаты теоретических и экспериментальных исследований по определению возможности пространственной фазовой синхронизации работы широкоапертурных активных сред телескопическими резонаторами сходящейся волны.

3. Результаты экспериментальных исследований люминесценции эксимерных молекул ХеС1*, поолучаемых при диффузном смешении потока плазмы ксенона с парами NaCl в плоском резонаторе и ТРСВ.

4. Матр: ную модель исследования поведения параксиальных лучей в многозеркэльных телескопических резонаторах сходящейся волны и определенные на еб основе свойства ТРСВ равномерно распределять лучи пучка, при его внеосевом введении» по апертуре вогнутого зеркала, за счбт геометрооптических свойств телескопа.

5. Теоретическую модель исследования пространственного распределения эксимерных молекул, получаемых при диффузном смешении галогеноносителей с потоком плазмы инертного газа, на основе решения системы дифференциальных нелинейных трбхмерных уравнений диффузии с учйтом самодаффузии, сноса и распада.

6. Численно-аналитическую модель определения рапределения ин- • тенсивности излучения, генерируемого в ПХКГ с ТРСВ, учитывающую поведение параксиальных лучей в ТРСВ и распределение коэффициента усиления по-объёму активной среды.

22С12верность_и_обоснованндсть основных научных положений заключается в том, что экспериментальные исследования являются результатами прямых измерений с использованием современных измерительных средств и аппаратуры, основаны на достоверных независимых опубликованных данных, а полученные теоретические и численно-аналитические результаты проведены на достаточном вычислительном уровне с использованием хорошо разработанных программ и современной вычислительной техники и согласуются с известными ранее экспериментальными результатами и опубликованными исследованиями.

\

• Реализация работы. - Устройство ж*<шнесценци~л эксимерных моле-, кул»:-телескопические,.резонаторы сходящейся волны,^численно-анали- . тические методы исследования, ,,плазмохимической .активной среды и резонаторов используются -на, отраслевом ; предприятии. Конструкции различного рода- ТРСВ,и лазеров на. их основе защищены .авторскими свидетельствами., iJt>;, ' ,. ,

•• и . 'М®о0ация_В§боты. ■ Диссертационная работа заслушана на заседании кафедры. "Плазменные энергетические установки" МГТУ15.02. 1995 г. ;Основные результаты:работы, докладавались.и.оОсувда'лись на' II. Всесоюзном иIII межгосударственном, симпозиумах до' радаацион-. ной плазмодинамике, конференции Физиче...сого общества ЦНИИМаш., ^ Публикации. Основные положения диссертации'отражены в 7 пе-' чатных работах, приьодЭщшх в библиографическом .перечне',, '" '' Объ|м_работы,.. Диссертация .состоит, иэ введения, пяти.глав, и заключения. В;работе страниц.основного .текста 130, страниц с иллюстрациями 156, 3 таблицы и список литературы, включающий. 84 '' наименования,..-, , ,-,. ■.. ■ ..... , ... ",„.//..

..у,-.:.., СОДЕРШНЕ РАБОТЫ.,., , , ;г

.г . Во введении показана-актуальность,- поставленной задачи.' Дано изложение »новцзрц,-в црове^бшшх,^.исследованиях и указаны основные положения, которые выносятся на защиту. Представлено краткое описание ¡¡структуры,работы«,.;, ... ............,,V„'."".,', , '

В главе I рассмодрено^. современное. рцс^ояние." эксперименталь^ ных^И:.тэора,тическта.,исщедований. непрерывных шшзмохимичес л. источников .^юминесценщ^/пкоротковрдарвд^о .ультрафиолетового диапазона ^ и.. проаудированы, .оснрвныэ ^проблемы,', которые могут возникнуть при разработка эксимерных щ^уыщи ното'фж^в .'когврвнта<ь излучения. ^Ощраны. и.-ддаанализ^ваны экспершентальгаё 'иссЛе-дрвада,.,долине сцеццт эксимерных, молекул., ХеС!*, получаемых при диШзно^емадерь, ^'э^сщ " с' .молекулаш ilaCI_,

дотекающими > ;из;.от£врсти$; .в.^о^бдоно^ом, j

поток-.плазмц ■ ¡пердецди^л^що .эдч^ opij, р'д&с^отатсм'кЫ'Ш"6ск патока, на,границе., катеднр^.стрщ, и, .

;;, >h.... .Оцененц, параметру #<Щка .плазмы"отJflj^ 'iiö-

рам^тры ударной ,волш1,аэознжащей jjtaf^Показано, что .дои.лредальнч^

I I

ток 2500 А, мощность 100 кВт ),в;зоне смешения при.осевом расположении молибденового цилиндра-имели "замороженный" по-ионизацио-нно-рекомбинационньм процессам,поток полностью-ионизованнбй плаз- .. мы ксенона-с плотностью ионов 10'5 см"3, температурой электронов .. I эВ и слабой ударной волной.(М < 1 ).

Разработаны плоские кварцевые,зеркала, с.напылением 21 слоя попеременно Hf02. Si02 с коэффициентом,-отражения _ 99,6% на длину-, волны излучения 308нм. и проведены.эксперименты по оценке ,вли-, яния зеркал на характеристики . люминесценции9 показавшие устойчивое уменьшение ширины .линии излучения на 25», в плоском, резонаторе. При близких плотностях ионов ксенона, и молекул Май в , зоне . диффузного смешения в I015 см"3 и температуре, плазмы в I эВ, спе-., ктральная интенсивность люминесценции достигала-.бО.Вт/, см2,, при .' к.п.д. преобразования 4%.-.. . . • ' ,..,.... . >м

Во-второй главе на основе анализа'литературных источников по, константам р; личных кинетических, процессов и реакций и.рассчита- , нных аналитически характерных времен протекания этих процессов, для двух значений плотности среды (..при которой, проведены,эксперименты и при которой возможна генерация когерентного излучения), выбрани, по критерию времени пребывания компонент в зоне, диффузного смешения, , основные. кинетические.процесса и реакции, которые,, будут существенно: влиять-не-образование и тушение возбуждённого, состояния эксимерной.молекулы 'Хей*,. индуцированные и нерезонен-.',

оные-поглощения рабочего излучения. ., ,, „ ,,.. ......

- Составлено и решено нестащ»онарноб уравнение, кинетики обра-(, зования зксимерных молекул, учитывающее процессы рождения и тушения эксимеров в результате реакций

Хе+ + NaCl - ХеС1*(В/С) +*Nat. ••-.>.* , , ХеС1*(В/С). • :,., .ХеС1(Х).+ ta>308 ,. . .. , ХеС1*(В/С) +.hv-- XeCl(X) + 2,hv . ." , „', ' XeCl (В/О) + е.-. - .Хе-+ С1. + 2.е, ..

ХеС1*(В/С)- + е_:->; Хе + 01 + .§ спонтанный распад в разлбтнов' .состояние, эксимера. р излучение кваг та" с длиной волны ' 308нм, индуцированное поглощение ; , возбукденрым, эксимером этого кванта, и конкурирующими с .процессом, индуцировэц-^ ноГо поглощения процессами тушения, электронами, по двум реакциям,--, девозбуждения и ионизации... В приближении слабого, поля решение .уравнения канатики имеет.вид .; ,- . , . , "

1 I

N* = (К* Nx Nm)/(K6 + Ц) ne где N , Kx, Nm, ne - плотности эксимеров, ионов ксенона, молекул NaCl и электронов соответственно, а К*, Kg, Ку - константы скоростей реакций рождения эксимеров, тушения эксимеров электронами по каналам девозбуждения и ионизации. Оценки показали, что при равенстве плотностей ионов ксенона и электронов и температуре электронов меньше I эВ, стационарная плотность эксимеров связана с плотностью молекул NaCl соотношением N* = 1,7 10~3 Nm.

В приближении однородного поля оценены основные параметры и характеристики среды, влияющие на проце"с генерации когерентного излучения в плоском резонаторе. На основе анализа спектральных характеристик люминесценции выявлено, что в результате плазмохими-ческой реакции эксимерная молекула возникает не более чем в 10-20 колебательных состояниях, которые до плотности средь; I018 см-3 не успевают за время спонтанного распада "ссыпаться" из-за столкновений на основное колебательное состояние с известным сечением индуцированного поглощения о*.

В предположении, что сечения индуцированных поглощений каждого колебательного состояния близки, получена на основе требования превышения коэф1ициента усиления коэффициента поглощения с учбтом потерь в добротном резонаторе по самой быстрой реакции неиндуци-рованного поглощения рабочего излучения на возбужденных атомах ксенона, зависимость требуемой плотности возбуждЗнных атомов ксенона от плотности ионов при близких им плотностях молекул NaCl, требующая не более 0,2% от плотности ионов в среде. При эт~ч величина пороговой плотности эксимеров во всех колебательных состояниях N* = 5'1014 см-3, требующая плотность ионов ксенона и молекул NaCl а З'Ю17 см-3.

§_1Е§тьей_главе на основе анализа процессов, протекающих при диффузном смешении потока однократно ионизованной плазмы инертного газа с галогеног'жителем, показано, что стремление к пороговой плотности эксимеров, обеспечивающей генерацию когерентного -злу-чения уменьшает размеры зоны с достаточной плотностью эксимеров. В связи с этим для обеспечения достаточной мощности генерируемого излучения необходимо разрабатывать схемы смешени... обеспечивающие большой объбм с эксимерной средой, что приводит к необходимости определять размеры области диффузии и влияния на эти размеры скорости потока плазмы, скорости шшзмохимических реакций, соотноше-8

»

нив плотностей потока плазмы ксенона и молекул 11аС1.

Определение пространственного распределения плотности зксиь-меров ХеС1*, и влияние на это распределение характеристик среды; проведено на основе исследования процесса диффузии молекул ШЛ-» истекающих из отверстий в молибденовом цилиндре как навстречу потку плазмы, так и перпендикулярна ему. Составлены стационарные' одно и трехмерные нелинейные дифференциальные уравнения диффузии с: учбтом сачодиффузии, сноса и распада.

На основе машинного моделирования численно-аналитически решены трёхмерное линейное уравнение диффузии молекул КаС1 в обтекающий молибденовый цилиндр поток плазмы ксенона, имеющее; вид в-цилиндрических координатах ( г.ср.а 1

и А д Ош А, _ ¿)соар, ^ +

Зг г А г г2 а <р2 0 Иг Р г г2 0 г

+ V 1 (П ^эЬхф. ^Дп - Р N = О,1

р Г Г^ в- ф т'

и система нелинейных уравнений диффузии компонент среды В! зоне диффузного смешения с учЗтом самодиффузии, сноса и распада.

д Щ

г

где Кт> - плотности молекул Ка01 а ионов ксенона, В0 -линейны® коэффициент диффузии, ^ - абсолютная Евличина скорости- потока: плазмы, Кщ^ - константа скорости шгазмохлмической реакции1,. -нелинейный коэффициент диффузии, учитывавши самодиффузша и диффузию в продуктах реакции и определённый р приближении средней: длины свободного пробега.

На основе численно-аналитического решения этих уравнений! получены наглядные распределения плотности эксимерных. молекул' определены основные параметры среды, влияющие- на;.размеры- зона; сноской плотности эксимеров. Выявлено-, что для,- рассматриваемо® плв-змохимической реакции с константой скорости, близкой гадонинети'-ческой, при оптимальных условиях- смешения размир области л-чстпто -чной плотности экскмеров по одной координате- близок нескольким-длинам пробега молекул "а01 в ионах ксенона.

На основе анализа распредели гая- плотности: о!г-:;гм-:-г'т> п-> пг.^р-

( !

туре и влияния на это распределение параметров потока плазмы й молекул, предложена,' с целью более эффективного'использования потока, снижения требований к МПДУ и увеличения размеров зоны высокой плотности, схема смешения с двумя противоположными внесениями га-логеноносителя в поток плазмы - "перпендикулярно этому потоку.'-

?-Цетв«ртой главе проведён анализ основных'-проблем ,-:возника-' юших пря осуществлении генерации когерентного пучка - излучения с расходимостью, близкой к предельной дифракционной,'в лазерах'с ши-рокоадартурной активной средой, с неоднородным и достаточно несимметричным распределением коэффициента усиления '(плотности "возбужденных атомов или молекул) и коэффициента преломления (плотности рассеивающих излучение компонент) по обьбму; - - ... .

-Известно, что минимальная дифракционная расходимость-когерентного пучка реализуется при равномерном распределении интенсивности л фазы по вых^чной апертуре квантового генератора. Неравномерность распределения коэффициента усиления как по апертуре, так и вдоль объема с активной средой "слабо сказывается на величине осевой силы света в дальней зоне и дифракционной расходимости. В-той.е время незначительные отклонения коэффициента преломления существенно влияют на формирование качественного "когерентного пучка.

При использовании традиционных плоско-параллельных или сферических концентрических' резонаторов в лазерах с большими объёмами активных сред формируемые моды с малыми дифракционными потерями имеют малый объбм (с диаметром перетяжки для гауссовой моды с нулевым поперечным индексом й^ = ( X Ьг),/г. где*. -длина волны излучения, 1>г - расстояние между зеркалами), и соответствующую дифракционную расходимость = 1.22 Х/А^. Разнесение зеркал резонатора на большие ^ .сстояния трудно технически. ..... -

Использование неустойчивых телескопически*, резонаторов, в которых активная среда расположена в осевой области телескопа симметрично относительно оси, возможно в средах с высоким коэф$ици- ' битом усиления, так как основной объбм широкоапертурной'активной среда используется как усилитель формируемого в дифракционной осевой области пучка с малой апертурой.

В этой главе также рассмотрены и проанализированы основные подхода к решению задачи пространственной" фазовой синхронизации работы лазеров с пирокоапертурными активными средами, включающие в себя; когерентное сложение пучков, работу лазера по схеме'- "зато

t

дающий генератор. - усилитель", оптическую связь резонаторов, использование аксиконной оптики, обладающих как достоинствами, так и недостатками. В этом ряду, одним йз,эффективных подходов к проблеме пространственной фазовой.синхронизации является использование, телескопических резонаторов сходящейся волны .(.ТРСВ ), предложенный, в основной,,своей модификации на основе софокусных сфери-' ческих зеркал и плоского, ..зеркала обратной связи для химических лазеров с.радиальным истечением активной среды в США С 1976 г.) Однако немногочислешлю.и. .противоречивые. . публикации "как за рубежом,. так.и,в'России не позволяюх. гсворить об эффективности работы лазеров с ;таким.i резонаторами и о возможном механизме фазовой синхронизации ТРСВ. .... *'.

- В связи с,этим автором 'диссертации'в рамках ряда тем института.проведены,теоретические и экспериментальные исследования по определению. возможности,.' пространственной фазовой , синхронизации различного., рода'ртрркоапертурных. активных сред ТРСВ и выявлению механизма*синхронизации.'Предложен ряд.схемных решений ТРСВ, ра-' сшряющих диапазон применения и повышающих эффективность использования,.таких, резонаторов, защищенных,авторскими свидетельствами и внедрёнными, в. работах'отраслевых институтов.

.т.., В,этой.главе,так'же.проанализированы' различные'подходы к исследованию многозеркальных, аирокоапертурных резонаторов, как пассивных, так и'с активной средой,'таких как"ТРСВ. Исследование^су-ществовашш. возможных,мод. ТРСВ,,проведено на основе решения скалярного волнового'уравнения в. системе параболических координат вращения:. . '. "....... ""

1 _ i [1 гй-с&'г - о.

od+ %d а да, да. ;:-т:? дх „ с + -г. дцг сс дХ где о,т,(р - параболические координаты-вращения. I - волновая функция, и в границах: До,,г,<#::= Г(ог.л.<р) = 0 - условия равенства нулю волновой функции на поверхности 'зеркал', Г(о,0,<р) < Const -условие огращче.нности функции в осевой области и £(а,<х>,ф) = 0 -равенств ^Rjbip'^poJiaVpi^, "f?o,4,<|>)'> '1(р,т,<|н21С) - периодич-нос.ти. ^ азго^та^нои "коорддаате;•'' •''" ; '

'Решение ГволновогрУу^ методом " разделения пе-'

коордашатйм о,а к гипер-_ геометрическим уравнением" Кдммер'арешения которых для милых поперечных аЗуШ^таль^^^Шд^ксрв ш = 0,1,2 ) получе1ш в виде Фун-

I I

яощй Векселя а Ханкедя. Эти решения имеют вид сходящихся и расходящихся сферической и шюскоЯ волн, сдвинутых по фазе, интерференция шторяз. м Формирует устойчивую моду. Показано влияние на распределение интенсивности по апертуре азимутального индекса, сделан вывод о возможности существования в пассивном телескопе мод с ¡рэшредалвнаем ашгелсиввости по азимуту, близким к равномерному и малой плотностью излучения в приосевой области.

В трваиетрооптнческсм приближении на основе матричного подхода разработана матрица для исследования поведения параксиального щучка, .-составленного из лучей, связанных между собой сферической геометрией франта, при его ьнэосевом введении в телескоп. Показано, что тага® цучок, ограниченный выходной апертурой среды, после полшага обхода телескопа равномерно заполняет апертуру вогнутого зеркала и начинает расходится в телескопе, не достигая дифракционной зоны, за счЕт тчюметрооптических свойств телескопа. Определена свазь между входными и выходными координатами лучей, показавшая, -что в параксиальном приближении выходная координата зависит в осшвдсм от входного угла ( уп = 1 Мп 0о ), а Ьыходной угол от входа® координата { = - У0/( Гг Мп ). где Тг - фокусное расстояние вэгэдтого зеркала, Ы - коэффициент увеличения телескопа,

®о ~~ координата и угол луча на поверхности вогнутого зеркала соответственно, ал- чжаю проходов телескопа, при котором входной .¡цуч выходит из вего.

С лсполгьзоъанйем матрицы обхода телескопа разработана матрица для исследования поведения параксиальных лучей в ТРСВ, содержащим сйфокуенве сферические зеркала и плоское зеркало обратной связи:

где у0. 30 - координаты начала луча, расположенные на поверхности плюса®!® зеркала, а уп| - координаты конца луча на поверхности того же зеркала после одного полного обхода ТРСВ с п -чвм^м обходов тедесэгола с коэффициентом увеличения М. К = ржст&даае от плоского зеркала до вогнутого, выраженное в длине фжусного расстояния вогнутого зеркала Г2-

В результате матричного исследования ТРСВ выявлено, что при

, « ■

установке плоского зеркала перпендикулярно оси телескопа и пересекающего ось в точке фокуса софокусных зеркал, пучок лучей с начальной координатой на плоском зеркале и имевший сферический Фронт, ограниченный апертурой среды, после полных четырех обходов ТРСВ -сходится в начальной точке. Следовательно, ТРСВ с установкой плоского зеркала обратной связи в точке фокуса находится на границе устойчивости.

Проведены экспериментальные исследования ТРСВ, выполненного на основе софокусных параболических зеркал и плоского зеркала обратной связи с отверстиями. Зеркала сделаны на кварцевой основе с алюминиевым напылением с коэффициентом отражения 98%. Исследования показали, что при вводе в телескоп через одно из отверстий в плоском зеркале пучка излучения гелий-неонового лазера параллельно оси телескопа, поверхность вогнутого зеркала равномерно засвечивалась красным цветом, а на выходе из большего отверстия наблюдался интенсивный пучок с расходимостью, близкой входой. Слабая " разъюстировка ТРСВ приводила к резкой неравномерности засветки и снижению интенсивности излучения в выходном отверстии..

В_пятой_главе диссертации приведены результаты исследования разработанной конструкции ПХКГ с ТРСВ. ПХКГ на основе эксимерной молекулы ХеС1*, получаемой при диффузном смешении, основанном на перпендикулярном потоку плазмы вводе молекул НаС1 в поток с двух противоположных сторон молибденового цилиндра, а ТРСВ состоит из софокусных параболических выпуклого и вогнутого зеркал, плоского полупрозрачного кольцевого зеркале обратной связи.

' На Рис. I. приведена схема ПХКГ с ТРСВ, на котором поз.: I -

плоское кольцевое зеркало, 2 - условно показанный объбм с активной средой, 3 - молибденовый цилиндр с отверстиями и с молекулами ИаС1, 4 и 5 - выпуклое и вогнутое софокусные сферические зеркала телескопа, 6 - поток плазмы ксенона. Плоское кольцевое зеркало установлено перпендикулярно оси телескопа и пересекает эту ось в точке фокуса.

Проведены экспериментальные исследования по определению возможности пространственной фазовой синхронизации работы эксимерной среды, помещенной в ТРСВ, которые показали сужение спектра люминесценции . и наличие люминесценции в тех областях кольцевой апертуры' ТРСВ, где нет активной среды.

Рассмотрены некоторые численно-аналитические подходы к решению уравнения переноса излучения в параксиальном приближении и предложено анализировать эволюцию излучения на основе матричного подхода с учбтом влияния среды через коэффициент усиления по ходу лучей. Разработана вычислительная программа, описывающая поведение лучей в ПХКГ с ТРСВ с учбтом распределения плотности эксиме-ров по апертуре, и получено распределение плотности излучения по апертуре ТРСВ.

Разработанный и созданный ПХКГ с ТРСВ для фазовой синхронизации работы широкоапертурной плазмохимической эксимерной активной среды, показавший совпадение расчбтных характеристик и позволивший выявить требования к эффективному использованию его, внед-рбн на предприятии. Проведбн анализ возможностей таких ПХКГ с ТРСВ и предложен ряд путей, позволяющих повысить выходные параметры эксимерного лазера. К ним необходимо прежде всего "тнести ограничения на температуру полностью ионизованной плазмы до I эВ с плотностью возбу. .Знных атомов ксенона не более 0,4% и схемой диффузного смешения, позволяющей использовать б^чьшую часть потока плазмы.

В заключении содержатся основные выводы по проведбнным теоретическим и экспериментальным исследованиям и сделан вывод о возможности использования ПХКГ с ТРСВ в практических применениях.

выводы

В результате проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

1. Теоретически показана возможность генерации непрерывного когерентного излучения в эксимерной активной среде на основе молекул Хей*, получаемых при диффузном смешении потока плазмы ксенона с молекулами Пай.

2. Теоретически и экспериментально показана возможность пространственной фазовой синхронизацл работы широкоапертурных активных сред телескопическими резонаторами сходящейся волны и предложены защищенные авторскими свидетельствами схемы ТРСВ, повышающие эффективность их использования для различного рода широкоапе-ртурных лазеров.

3. Экспериментально исследована люминесценция шюзмохимичес-кой активной ХеС1* эксимерной среды в резонаторе, и при плотностях ионов ксенона и молекул и'аС1 в Ю15см~3 в зоне смешения получено устойчивое сужение спектра люминесценции с 6 нм до 4нм при интенсивности люминесценции 60 Вт/смг - . и плотности эксимеров 5-1012 см-3.

4. На основе анализа основных кинетических процессов и плаз-мохимических реакций, протекающих в зоне диффузного смешения, определена пороговая плотность эксимеров всех колебательных состояний 5Л014 см-3, требующая плотности смешиваемых компонент 3-Ю17 см-3 при температуре полностью ионизованной плазмы I эВ и плотно-ности возбужденных атомов ксенона не более 0,4%.

5. Разработан на основе решения системы нелинейных ди<1фэрен~ циальных уравнений диффузии с учбтом самодифрузии, сноса и распада численно-аналитический подход к определению пространственного распределения плотности эксимеров по объбму с активной средой и получено это распределение для различных схем смешения.

6. Составлена многопроходная матрица ТРСВ, выполненного ь виде софокусных параболических зеркал и плоского зеркала обратной связи, разработана численная программа исследования поведения лучей в ТРСВ и выявлен, в отличие от предложенного ранее "дифракционного затекания", механизм пространственной фазовой смнхроннзм-ции широкоапертурной активной среды, основаннкй на м<ом.л¡готических свойствах ТРСВ.

1Г-

7. Разработана программа численно-аналитического расчбта интенсивности излучения в ПХКГ с ТРСВ, учитывающая поведение лучей в ТРСВ и распределение коэффициента усиления по апертуре ПХ среды и получено распределение интенсивности излучения по апертуре эк-симерного лазера.

8. Разработан, создан на предприятии и испытан шгазмохимиче-ский квантовый генератор на эксимерной молекуле ХеС1* с телескопическим резонатором сходящейся волны, содержащий софокусные сферические зеркала и плоское зеркало обратной связи, переданный в технические предложения смежного предприятия.

Материала диссертации отражены в следующих работах:

I. Шалаижов в.И. Широкоапертурный плазмохимический источник на эксимерной молекуле ХеС1* с ТРСВ // Тезисы докладов 3-го межгосударственного симпозиума по радиационной плазмодинамике. -М., 1994. -С. 34-35.

2. Шалашков В.И. Резонаторы для плазмохимических источников ультрафиолетового диапазона // Тезисы докладов 3-Го межгосударственного симпозиума по радиационной плазмодинамике. -М., 1994.

-С. 168-169.

3. Марченко В.Г., Шалашков В.И. Телескопические резонаторы сходящейся волны для шйрокоапертурных активных сред // Метрология.

-1994. -N4, -С. 23-37.

4. Марченко В.Г., Шалашков В.И. Исследование телескопических резонаторов сходящейся волны // Теоретические и экспериментальные исследования вопросов общей физики.-Калининград, 1994. -С. 33-42.

5. A.c. 1628364 СССР, МКИ HOIs 3/08. Устройство ^.я лазерной обработки лучом льцевого сечения / В.И.Шалашков, В.Г.Марченко (CCCP).-N 4670793/25; Заявлено 19.01.89; Опубл. 15.12.91, Бюл. N6 // Открытия. Изобретения. -1991. -N6. -С. 194.

6. A.c. 1803Э50 СССР, МК/ Н01в 3/08. Резонатор/ В.И.Шалашков. В.Г.Марченко (СССР). -N 4815497/25; Заявлено 19.04.90; Опубл.23. 08.93. Бюл. N 11 // Изобретения. -1993. -N11, -С. 103.

7. A.c. 1835571 СССР, МКИ Н01 s 3/05. Фазовый синхронизатор /В.И.Шалашков, В.Г.Марченко (CCCP).-N 4834725/25; Заявлено 19.04. 90; Опубл. 23.08.93. Бюл. N 31 // Изобретения.-1993.-N 31,-С. 61.

те