Теоретическое исследование оптических и спектральных характеристик импульсных электроионизационных CO₂ -лазеров тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

- $ фРрШВЖШ ОРДЕНА ТРУДОЕОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ .шынто-тичЕскиа шстт

На правах рукописи

•СЕРЕГИН Александр Михайлович

Теоретическое исследование оптических и спектральных, характеристик импульсных электроионизационных СО^ -лазеров

01.04.21 - лазерная физика

"Автореферат

I Т -

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-»атематических наук

Автор:

Москва. - 1993

Работа выполнена в Государственном предприятии особом конструкторском бюро " Гранат . /.. .,•■« , . -

Научный руководитель-: доктор физико-математических наук,. ,

.' -'■' профессор ЧЕВУРКШ Н.В. Официальный оппоненты: доктор Физико-математических наук,:- ;. ' /''Бевдззд ^

доктор технических наук, '.; -' профессор' ИЩЕНКО Е.Ф.. Ведущая организация: Всероссийский1научный центр "Государственный оптический институт км.С.И.Вавилова"

Защита состоится "-0Э—. --., 1993г. в :., часов на заседании специализированного совета. К 053.03.08 в Московском • •• /инженерно-физическом институт© по адресу: •*'./'• .'•'.• • 115409 .г.Ыосква.Кашрское шоссе, Д.31,тел.324-84-98. >• • ,

:'. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИФИ., ! •." Автореферат разослан -. 0^.—- 1993 г.' ... . ■

- . Просим'принять участив в работе совета*или прислать отзыв

в одном экземпляре, заверенный печатью организации. -,[

Ученый секретарь специализированного '1:., ■.^■■У-;-с-.

- довета... С.Т.КОРНИЛОВ ' V

Подписано в печать V !.; :.' Заказ'N Тираж - #0 экз. ;

Типография МИФИ.Кашрское". шоссе,31» . - ''

{

: общая" характеристика работы

Актуальность проблемы. Газовые лазеры на СО2. возбуждаемые электрическим разрядом,занимают осбое место среди других типов лазеров. Они находят все более широкое применение во многих областях науки и техники, а также для решения' многих важных народно-хозяйственных задач. С тех пор, как было обнаружено, что при ..' помощи лазеров на СО*.имеется возможность с высокой •эффективностью "преобразовывать 'электр11чоскую энергию в электромагнитное'излучение, их энергия и.мощность увеличилась'на много порядков. Важную роль эти лазеры играют в создании устройств' военной техники: отработка различных методов локации и режимов поражения объектов военной техники. Б настоящее время созданы электроионизационные лазеры (ЗИЛ) на С02 с мощностью излучения в непрерывном режиме около одного мегаватта (ФИАЭ) я в импульсно-периодическом режиме с энергией в импульсе в несколько килоджоулей (НПО "Астрофизика", НПО "Алмаз").'Систематические исследования позволили получить на крупномасштабных стендах предприятия удельные параметры излучения, близкие к, параметрам лабораторных установок (60 Дж/л и 17 = 15*). ; '.'•• ' ' '

" ."'Однако во многих практических задачах вакную, а часто." опре-■-'делящую роль .играет-расходимость излучения. Полученные на мощных лазерных установках значения расходимости существенно превышают предельные и составляют'-2гЗ*10~3рад. .

Г

Поэтому в настоящее время проводюйюь /экспершвнталъша ' и теоретические исследования с целью создания лазеров с высокой на- . лравленностью.излучения. В этом'плане изучение источников.образования различных оптических неоднородностей в активной среде и'оптимизация параметров резонатора о. неоднородной активной средой является актуальной практической задачей.

Для применения ЗИЛ в различных задачах военной техники, таких как селективное воздействие на приемники космических объектов и оптимизации разрабатываемых установок с целью минимизации потерь излучения в атмосфере, актуальном вопросом становится исследование спектра генерации ЗИЛ.

Целью работы является теоретичекое исследование оптических и спектральных характеристик импульсных злвктроконизационных С02-лазеров. При этом возникла необходимость в разработке- математических моделей, адекватно описывающих физические процессы в активной среде лазера с неустойчивым телескопическим резонатором. Эта задача требовала решения сложных систем нелинейных уравнений в частных производных на оонове, численного "их решения на ЭВМ. Создание таких тюграмм расчета позволило подробно рассмотреть физическую картину формирования спектра и расходимости излучения ЗИЛ, . провести сравнение полученных результатов с экспериментальными данными и выявить характеристики активной среды и резонатора, имеющие определяющее значение для получения заданных параметров зет на углекислом газе. ■

Научная новизна работы.

I.Разработан метод расчета-импульсного ЗИЛ на С02 с неустой

. ' .... 7 . -5- . .

чишм резонатором в волновом 1фиближении с учетом реальной кине-. тики и газовой динамики рабочей среда, позволивший провести анализ пространственно-временных характеристик излучения.

2.Проведены расчеты, режима работа ' лазера с дополнительной , обратной" связью, образующейся в результате рассеяния лазерного излучения на акустических, возмущениях. Показано существенное изменение режима генерации лазера в этих условиях.

: 3.Проведено теоретическое исследование нелинейных оптических неодаородностей, образующиеся в результате эффекта светоиндуциро-ванного тепловыделения.

4.Теоретически исследовано самовоздействие излучения в неустойчивом' резонзторэ СОо-лазвра. Показано, что при некоторых услот виях резонатор теряет свои сэдактирующио- свойства и приобретает свойства устойчивого резонатора.

' ■ .. 5.Разработана методика расчета спектральных характеристик ; импульсных ЗИЛ.'на СО-, с учетом вклада. в коэффициент усиления дополнительных спектральных полос, что позволило согласовать теорию с экспериментом. ..

П£!Зктическая_ц§7тость работы заключается в том, что - в ней ■ проводится систематическое.исследование оптических неодаородностей' активной, среды мощного импульсного Зил на ССи, являющихся одной из основных причин ухудшения направленности его. излучения. . Развитый в работе метод расчета пространственно-временных. характеристик излучения и активной среды позволил определить реальную величину таких неоднородностей и их влияние на расходимость излу-■' чения, в частностей для условий,' реализуемых, на стендах предприя

тия. Получено хорошее согласие с экспериментами. Результаты,' от- ; носящиеся к исследованию влияния /. оптических; неоднородностой на работу ЗИЛ с неустойчивым резонатором,-'имеют.важное значение для определения 'угловых характеристик, мощных лазеров и нахождения максимально.допустимой степени неоднородности среды. Показанная в работе возможность изменения рознима работы-ЗИЛ с неустойчивым резонатором из-за возникновения дополнительной обратной связи является возможной причиной снижения порога разрушения оптических элементов, наблюдаемого в экспериментах,' Проведенное в работе теоретическое исследование спектральных характеристик С02-лазеров имеет важное практическое значение для оптимизации потерь при прохождении его через атмосферу.

Апробация результатов .работа. По материалам диссертации сделаны доклады на г» Всесоюзной конференции "Оптика лазеров" (Ленинград, 1934г.), VII (Томск, 1986г.) и VIII (Томск, 1987г.) Всесоюзных симпозиумах по молекулярной спектроскопии высокого и сверхвысокого разрешения,на Всесоюзном симпозиуме " Инверсная заселенность и генерация на .'переходах в атомах и молекулах" (Томск, 1986г.-). По теме диссертации опубликовано 6 статей.

Структура и'объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов,.содержит 32 рисунка, включает библиографию из 99 наименований. Полный объем диссертации - 99 страниц ■ машинописного текста. : , - . -

■:. ' . \ - - ' ■■. -7"

Положения, выносимые на защиту

1.Впервые разработаны метод и программа расчета импульсного ЗИЛ на СО2 с неустойчивым резонатором, включающие совместное решение' волновых равнений электромагнитного поля, кинетических уравнений и уравненийй газовой .динамики, на основе которых проведен анализ пространственно-временных характеристик излучения.

2.Показано, что образование дополнительной обратной связи из-за рассеяния на оптических неоднородностях в неустойчивом резонаторе приводит к .существенной пространственоо-врименной перестройке его колебаний, а именно начинают наблюдаться характерные признаки устойчивых резонаторов - уменьшение дифракционных потерь, рост интенсивности на оси резонатора, значительное увеличение расходимости излучения и шчковый характер мезкмодових колебаний.

3.Проведено теоретическое исследование эффекта сьетоиндуци-ровэнного тепловыделения в С02-лазере. Показано, что образующиеся в результате этого оптические неоднородности приводят к значительному ухудшению расходимости' излучения лазера.

¿.Разработана методика расчета спектральных характеристик излучения импульсных ЗИЛ нй С02' с учетом вклада в. коэффициент усиления 'дополнительных спектральных"' полос. Результаты расчета дали.хорошее согласие с экспериментом.

■ '•';' ; СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Б начале' диссертации обосновывается актуальность темы и

на.

учная новизна работы, изложена постановка задачи и ее практическая ценность, сфорлулироваш основные положения, выносимые "на за-' щиту. Описана структура диссертации, кратко проведен'анализ влия--ния возмущений активной'среды на оптические и спектральные характеристики мощных импульсных электроионизациотгах • С02-лазеров.

Рассматриваются причины ухудшения амплитудно-фазовых. характеристик импульсных электроионизационных ' СО^-лазеров, основными из которых являются неоднордность рабочей среды и . неидеальность ' оптического резонатора. Приведены оценки величины оптических не-однородностей, вызванных различными источниками. Показаны нексзто-рые принципиальные пути улучшения выходах параметров лазеров на основе метода обращения волнового фронта. Проведен аналитический обзор теоретических методов исследования лазеров с неустойчивым резонатором, заполненным неоднородной средой. Подробно рассмотрены методы решения соответствующих уравнений и отмечены их-достоинства с точки зрения точности и экономичности расчетов.

Далее проанализированы основные факторы, влияющие на спектральные характеристики СО^глазеров высокого давления с неселективным резонатором. Указана определяющая роль вкладав коэффициент усиления основной полосы 0Л°1-[10о0,0го0] и дополнительных спект-' ральнкх полос: "горячей" полосы 0Г1-[11,о.03,0]1 2 и полосы секвенции 00°г-[10о1,02°1], который.может в рассматриваемых случаях достигать 10%. , • ': -

/ В диссертации подробно рассмотрены пространственные, характеристики излучения СО-^-лазеров в условиях неоднородного возбуждения активной среды. .Описан применяемый в дальнейшем метод расчета

.¿Л:пространственных характеристик импульсного' С02-лазера с неустой. чивым резонатором, включающий в себя.,совместное решение уравнений электромагнитного поля в резонаторе, газовой.динамики и кинетики активной средн. На основе указанного численного .-.итода исследовалось. образование волны срыва усилэния в течение импульса генера-ции;.вызванной, характерной неравно -мерю стыо пространственного ■ распределения мощности накачки. • Показано,. что если в начале им--пульса генерации основной, вклад в выходную мощность дает- одна по" ловила выходной апертуры лазера,- то в конце импульса - другая. Рассчитана соответствующая динамика распределения интенсивности излучения по углам. Из расчетов видно, ;что в результате неравномерного нагрева, активной среды -величина расходимости излучения в течение■ импульса генерации, может в 1.8г2 раза превосходить минимальную.- . '

Далее проводится исследование ■ расходимости излучения ., ■ С02-лазера в условиях неоднородного возбуждения. Приведен приближенный, анализ влияния на расходимость излучения неодаородностей, " ,: образующихся на грашцах эяе'рговклада, и обсуждаются некоторые •возможности улучшения расходимости: сглаживание пространственного . распределения накачки,. повышение коэффициента увеличения резона. тора М выше оптимального по энергетике :

: Б работе проводится подробный анализ характеристик лазера в режиме паразитной обратной связи, который возникает в реальных • лазерах из-за рассеяний части излучения на оптических, неоднород-ностях внутрь резонатора. Разработанный в диссертации алгоритм решения нестационарной самосогласованной системы уравнений пезво

-10- ■ - '. ' Л."

лил провести исследование такого режима, который характеризуется значительным изменением димамики генерации лазера. В результате рассеяния излучения внутрь резонатора происходит подпитка многих типов колебаний, величина которой сравнила с интенсивностью отраженных волн на краю резонатора. Край теряет свои селектирующие свойства. При этом' вначале потери мод изменяются таким образом, что основная мода остается наиболее добротной. Однако, при этом ее структура изменяется, а угловые характеристики излучения ухуд-иаются. Начиная с некоторого времени, рассеяние становится таким,'. что сразу несколько мод становятся близкими по потерям, следствием чего является рлжим нерегулярных колебаний. В результате свой-, ства такого заполненного резонатора; становятся аналогичными из- . вемным свойствам устойчивого резонатора, характеризующегося . высокой расходимостью излучения. : - ■..•'-'.

Одним из важнейших этапов работы является впервые .'теоретически рассмотренное автором влияние светоиндуцирсванного тепловыделения на характеристики С02-лазера.Подробно описан механизм • свбтоиндуцированного тепловыделения в активной среде С02-лазера. . Приьедены результаты приближенного расчета разности температур.па границе световой области. Получены прибликяшшв решения, динамики акустичгских волн, образующихся на этой.границе. Призедеш. оценки величины оптических нзоднородностей, которые в характерных случа- ■ ях имеют.вид движущейся фокусирующей линзы с фокусным"расстоянием , /=п0а4т /а0р0(7-1)7-, которая движется со скоростью звука '.к оси '■' .' пучка и за время импульса т проникает в оптическую область на расстояние ст, (п0 - показатель преломления активной .среда, а --',..;','

.." "апертура пучка, .j - показатель адиабаты, I --длина активной сре-■ да, р0 - постоянная Гладстона-Дейла, а0'~ коэффициент, получаемый из"расчетов'кинетических уравнений). Расчеты показывают, что максимальные углы рассеяния излучения на этих неодпородностях могут составлять О/Г, -10 м . . . -

.Приведено описание физической картины эволюции амплитуд све-" тойндуцированкнх неоднородностей, основанное на некоторых количественных- оценках, сделанных в.работе Г10]. Простые аналитические соотношения позволяют глубже понять основные свойства процесса в зависимости от характеристик.активной'среда и параметров накачки.

В работе проведено исследование влияния светоиндуцированно-го тепловыделения на выходные характеристики электроионизационного лазера с неустойчивым резонатором. На основе решения разработанной авторомсистомы.уравнений, исследовались лазеры со сравни-'тельно малыми эквивалентными числами Френеля Nи большими

... <7 <3

30. Показано,- что при малых механизм светоиндуци'рованного тепловыделения приводит к образовании оптических неоднородностей активной среды по всему объему резонатора, причем это может вызвать перестройку резонатора из неустойчивой области в устойчивую с об. разованиеад. пичкового режима генерации и значительным ухудшением расходимости излучения.. При относительно больших 77э, когда дифракция уже не вызывает .крупномасштабных'изменений плотности ла-- зерного излучения, а тблько мелкомасштабную ее модуляцию с характерной пространственной частотой 'v ~ происходит перераспределение шля либо с,усилением во времени пространственных неодно

■ ■; • -12- с-:/.:-; •:;

родностей, либо с их сглаживанием." .Л"' .,' ■■ ' ' v '•*

Вторая часть диссертации посвящена изучению спектральных характеристик мощных электроионизационных С02-лазеров. Проведен, анализ процесса формирования колебательно-Бращательного спектра усиления в мощных С02-лазерах высокого давления. Приведена формула для расчета коэффициента усиления, учитывающая тонкую структуру h вращательных переходов, участвующих в усилении основной, "горячей" и секвенциальной полос. .

Да^ее приведены разработанная автором методика и основные результаты расчетов спектров генерации электроионизационных СС^лазероь. Математическая модель включает в себя уравнения колебательной кинетики и уравнения для ишенсйвностай излучения' в резонаторе на всех участвующих ■ в; генерации . колебательно-. вращательных переходах. Показано,.что динамика спектра -генерации, качественно различна при квазистационарном к нестационарном. (~ I мке ) режимах генерации. Кроме того, важную роль играют температура и состав активной среды, добротность резонатора и уровень

НьКЗЧКИ. . ,'' ', ;

Проведено подробное сравнение результатов расчета с известными зкеперементальными данными и получено кх хорошее согласие. Отмрче.;:о, что указанное в работе Ell ]. рассогласование : спектров генерации, полученных в этой работе и в навей работе [3 3, уже было ранее устранено вкашейдругей работе [8 }, что явилось следствием получения более полной информации о значениях частот центров линий "горячей" полосы молекулы С02. Это еще раз лодчеркива--ет вакность вклада-дополнительных 'спектральных полос в коэф5>щи

; ент''усиления активной среды лазера." "'

, ; .....V - - 0 ' Заключение ; ' .

- - •;,,'Основные;результаты диссертации состоягв следующем :

I .Впервые разработан метод расчета пространственно-временных . характеристик импульсного электроионизационного С02-лазера с неустойчивым резонатором в волновом приближении с .учетом реальной теине тики и газовой динамики активной среды.

2.Проведен анализ величин оптических неоднородностей и пространственно-временных характеристик излучения лазера.

■ 3;Проведены расчеты режима работы' лазера с дополнительной обратной связью, образующейся в; результате рассеяния лазерного излучения на акустических возмущениях. Показано, что такой режим генерации, характеризующийся нестационарными биеш!ями мбй'ДУ ПОЛ?-речтллт модами, приводит к значительному, увеличению расходимости излучения и локальным радиационнш^^пврегрузкам зеркая резонатора. .. / "4. Впервые теоретически исследован механизм светоиндуцирован-.ного тепловыделения, вызывающий заметное..ухудшение оптического качества активной средн.. Показано^ что величина оптических неод-; кородностей растет при увеличении интенсивности излучения и мощ-. нести возбуждения среды. •■■••■•

Б.Теоретически исследовано са'мовоздействие излучения в резонаторе С02-лазера. Показано,'что при некоторых условиях неустойчивый резонатор теряет*свои селектирующие свойства и приобретает свойства устойчивого резонатора. •

6.Разработана методика расчета спектральных характеристик

излучения импульсных С02-лазеров с учетом, вклада в коэффициент . усиления дополнительных спектральных полос, что позволило согласовать результаты теории и.эксперимента. ... '-'•'- ■ '•.". ,

Основные результаты диссертации -опубликованы в следующих работах: ■ ..• ■ ''■'•'" ; ....■/- •/■: ' ;• . ■. . '

1.Л.А.Васильев, М.Г.Галушкин, А.М.Серегин, Я.В.Чебуркин. '.-'•■ "Нелинейные оптические неоднородности в. активных средах газовых ' лазеров".- Квантовая электроника", IS8I, т.8, N9, с.1987-1ЭЗЭ. """./

2.».П.Высоцкий, W.Г.Галушкин, Л.В.Ковальчук, А.Ю.Родионов,. A.M.Серегин, Н.В.Чебуркин.. "Нелинейный оптические неоднородно- .

сти в СО,-лазерах".-*IV Всесоюзная конференция' "Статика /лазеров".г* • . .. Л., ГОИ, 1934, с.86. . :' - ' .• V."■ ' -

3.Н.Н.Воробьева, М.Г.Галушкин, Е.П.Глотов, В.Г.ЛякишевГ В.И.Родионов, A.M.Серегин, Н.В.Чебуркин, С.К.Чекин."Исследование спектральных характеристик импульсных СО^- лазеров высокого давления".- Квантовая электроника, 1934, т.II, N7-, с.1454-1458.-

4.М.Г.Галушкин, Л.В.Ковальчук, А.Ю.Родионов, A.M.. Серегин, Н.Д.Устинов, Н.В.Чебуркин. "СамовоздейстБяе излучения б резона!о-; ре С02-лазера"Квантовая электроника, '1985, т.12, N5, с.868-' 871. '.'.:■• . ■ . ; :'/ ' .. / .. ;

5.М.Г.Галушкин, П.В.Зарубин, В.Г.Лякииев, .В.И.Родионов,

А.М.Серегин. Н.В.Чебуркин." "Влияние неактивных зон резонатора 'на . спектр излучения электроионизационных С0?-лазеров".- КвантоБйя электропика, 193Г, • т. 13,' N2, с.255-259. : / . • ' '■""■ v.

'.'■ б.А.Д.Вжов, М.Г.Гапушкин," б.И. Родионов,'A.M.Серегин,

г?.'-'л О.Н.Улеников, Н.В.Чебуркян. "Спектр излучения--СС^Члазеров высоко- • Ч-С, го-давления".- Сборник "Труда VI Всесоюзного симпозиума по молекулярной спектроскопии высокого и : сверхвысокого разрешения", ; Томск: Наука, 1986, с.78-81. - .-

7.Î,¡.Г.Галушкин, Л.В. Ковальчук, A.M. Серегин,.. H.B.Чебуркин.-V - "Влияние нелинейных' оптических неоднородностей среды на простран-'"'" ственный спектр излучения .в • ©¿¿-усилителе ".- Квантовая - электроника, 1937» т.14, NS, C.I24T-I246. . --. - -"-.8".А.Д.Быков, М.Г.Галушкин,. П.В.Зарубин, В.Г.Лякишев. В.И.Родионов, ' А.М.Серегин, О.Н.Улеников, Н.Д. Устинов; Н.В.Чебур;син.

. "Спектральные'характеристики 12С1вб?-лазера". Труды vu Всесоюз-- • ', того симпозиума по молекулярной спектроскопии - высокого и сверхвысокого разрешения, ч. III" ■,Томск, 1987, с. 164-168.

• . 9.А.Д. Быков, М.Г.Галушкин,.' ' В.Г.Лякишев, В.И.Родионов, ■. А.М.Серегин, Н.В.Чебуркин. " Влияние изотопического состава акти-1 вной среда на параметры излучвният COg-лазеров".-Квантовая электроника, 1988, т.15, C.I773.-I779. . ; : .

. Ю.М.С.Юрьеп. Оптика и спектроскопия ; IS87, т.62, KI, с.136-139 11.В.Г.Востркков, И.Д.Матющенко, В.ГЛГаумов, В.Д.Письменный, П.А.Свотин, В.U.Пашков,- Квантовая .электрошока, IS90, т. 17, Ы5, ; -.982-986. V ;..';>' - /Л" -