Ультрафиолетовая генерация в He-Cd лазере высокого давления с накачкой микросекундным электронным пучком тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

РТ б од

2. По» и

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Томский государственный университет

На правах рукописи

Уварин Виктор Васильевич

УЛЬТРАФИОЛЕТОВАЯ ГЕНЕРАЦИЯ В Не-С<1 ЛАЗЕРЕ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ С НАКАЧКОЙ МИКРОСЕКУНДНЫМ ЭЛЕКТРОННЫМ ПУЧКОМ

(специальность 01.04.05 - оптика)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Томск - 1998

Работа выполнена в Институте электрофизики УрО РАН (г.Екатеринбург). Научный руководитель: доктор физико-математических наук Ю.Н. Новосёлов

Официальные оппоненты: доктор физ.-мат. наук A.M. Янчарина

(СФТИ, г. Томск)

доктор технических наук Г.С. Евтушенко (Институт оптики атмосферы СО РАН, г. Томск)

Ведущая организация: Московский инженерно-физический институт г. Москва

Защита состоится " " .-¿¿¿«-g 1998 г. в_час.

на заседании диссертационного Совета К.063.53.03 в Томском государственном университете (634050, г. Томск, пр. Ленина, 36)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского государственного университета.

Автореферат разослан " 2-Ц " i^tfdiiUJi 1998г.

Учёный секретарь

диссертационного Совета К.063.53.03 кандидат физ.-мат. наук, доцент

Г.М. Дейкова

Общая характеристика работы

Актуальность темы

Не-Сс1 лазер низкого давления - один из наиболее известных лазеров на парах металла. Его основным недостатком является малая выходная мощность лазерного излучения. Существенно увеличить мощность Не-С(1 лазера позволяет применение высоких (до нескольких атмосфер) давлений среды и накачка высокоэнергетичными частицами (ускоренными электронами или продуктами ядерных реакций), обеспечивающая возбуждение больших активных объёмов. Наиболее перспективными из Не-Сс1 лазеров высокого давления являются лазер с ядерной накачкой и лазер с разрядом в полом катоде. С первым связаны надежды на создание мощного, компактного, энергоёмкого и автономного источника коротковолнового (синего и УФ) лазерного излучения. Второй, имея высокие удельные характеристики и большой набор длин волн генерации, является вероятным преемником широко применяемых Не-Сс1 лазеров низкого давления.

Основным фактором, сдерживающим развитие Не-Сс) лазеров с ядерной накачкой и с разрядом в полом катоде, является отсутствие наиболее интересной для приложений УФ генерации на линии /.=325.0 им иона кадмия. Кроме того, ниже ожидаемой оказываются удельные характеристики генерации на синей (Х,=441.6 им) линии.

Необходимость решения проблемы УФ генерации и повышения мощности лазерного излучения на синей линии определяет актуальность дальнейшего изучения процессов в Не-С<1 лазере высокого давления. Удобным источником возбуждения Не-Сс1 смеси при проведении исследований является микросекундный электронный пучок, применение которого позволяет моделировать условия ядерной накачки и, по сравнению с ядерными экспериментами, значительно увеличить скорость исследований. При этом результаты исследований будут применимы и для Не-Сс1 лазера с разрядом в полом катоде, где накачка среды также осуществляется ускоренными электронами.

Для многих применений, связанных с воздействием лазерного излучения на вещество, необходим частотно-периодический режим работы лазера. Использование в качестве источника накачки электронного пучка позволяет относительно легко определить возможности частотной генерации в Не-Сё лазере атмосферного давления с высокой (сотни кГц) частотой повторения импульсов.

Целью работы являлось экспериментальное исследование процессов в Не-С<1 лазере высокого давления с накачкой микросекундным электронным пучком: изучение особенностей заселения лазерных уровней для ультрафиолетовой (1=325.0 нм) и синей (Х=441.6 нм) лнниий иона кадмия; получение и исследование характеристик лазерной генерации в Не-С(] смеси при накачке микросекундным электронным пучком; определение условий осуществления лазерной генерации с высокой (сотни кГц) частотой повторения импульсов.

Научная новизна

Наиболее важные результаты работы получены впервые, а именно:

1. Впервые получена УФ генерация на линии с длиной волны 325.0 нм в Не-Сс! лазере высокого давления при слабой (<100 Вт/см3) мощности накачки.

2. Впервые обнаружено, что при длительности импульса накачки, превышающей 10 мкс, в Не-Сс1 лазере высокого давления наблюдается ограничение длительности УФ генерации, импульс лазерного излучения заканчивается раньше импульса накачки.

3. Впервые предложено использовать добавки электроотрицательных газов для улучшения характеристик Не-С(1 лазера. В работе впервые показано, что добавка электроотрицательных газов к Не-С<] смеси ведёт к возникновению квазистационарной УФ генерации (>.=325.9 нм) и увеличению мощности генерации на линии 441.6 нм.

4. Впервые реализован частотный режим работы Не-Сс1 лазера с накачкой электронным пучком с частотой повторения импульсов до 330 кГц. Лазерная генерация в частотном режиме получена на синей (^=441.6 нм) и УФ (>..=325.0 нм) линиях иона кадмия.

Положения, выносимые на защиту

1. В Не-Сс1 лазере высокого давления с накачкой электронным пучком длительностью 5 мкс лазерная генерация происходит на синей (>.=441.6 нм) и ультрафиолетовой (>1=325.0 нм) линиях иона кадмия. Максимальная удельная мощность генерации составляет ~60 мВт/см0 для синей линии и ~35 мВт/см' для УФ линии. Ультрафиолетовая генерация в Не-С<1 лазере высокого давления при слабой (<100 Вт/см3) накачке получена впервые.

2. Прн накачке Не-Сё лазера высокого давления электронным пучком длительность:© 40 мкс наблюдается ограничение

длительности импульса ультрафиолетового лазерного излучения, УФ генерация прекращается до окончания действия пучка. Максимальная полученная длительность (на полувысоте) импульса лазерного излучения на УФ линии составила ~7 мкс, максимальная удельная мощность ~ 6 мВт/см3.. Причиной срыва УФ генерации является уменьшение скорости заселения верхнего уровня лазерного перехода. |

3. Добавление к активной среде электроотрицательной примеси (четырёххлористого углерода ССЦ, перфтортолуола С7Р8, йода Ь) позволяет получить в Не-Сс1 лазере высокого давления с накачкой микросекундным электронным пучком квазистационарную УФ генерацию (1=325.0 им) и увеличить мощность генерации на синен линии (А=441.6 нм). Квазистационарная УФ генерация в Не-Сс! лазере высокого давления получена впервые.

4. Впервые для электрононизационных газовых лазеров реализован режим накачки с высокой (до 330 кГц) частотой повторения импульсов. Лазерная генерация в Не-Сс1 смеси в частотном режиме получена на синей (А.=441.б нм) и ультрафиолетовой (/1=325.0 нм) линиях иона кадмия.

Практическая ценность работы

Создана экспериментальная лазерная установка для исследования процессов накачки микросекундным электронным пучком паро-газовых сред с температурой до 500 °С.

Получены данные о характеристиках Не-Сс! лазера высокого давления с накачкой микросекундным электронным пучком при малой (<100 Вт/см3) мощности энерговклада.

Определённые в работе добавки к активной среде лазера (пары СС14, С7р8, Ь), позволяющие получить квазинепрерывную УФ генерацию в Не-Сй лазере высокого давления, могут быть использованы при совершенствовании Не-Сй лазера с ядерной накачкой и лазера с разрядом в полом катоде.

Публикации н апробация результатов работы

Основные результаты диссертации докладывались на Всесоюзном семинаре по лазерам на парах металлов и их применению (1989, Новороссийск; 1991, Сочи), Межотраслевом семинаре по лазерам с ядерной накачкой (1989, Челябинск-70), Всесоюзном симпозиуме по сильноточной электронике (1990, Свердловск), Всесоюзной конференции по модификация свойств

б

конструкционных материалов пучками заряженных частиц (1991, Свердловск), International Symposium on High Power Lasers (1991, Los Angeles, USA; 1992, Los Angeles, USA), International Conference on High Power Particle Beams (1992, Washington, USA; 1996, Prague, Czech Republic), 11 и III Международной конференции "Импульсные лазеры на переходах атомов и молекул" (1995, 1997, Томск), International Conference on Lasers (1997, New Orleans, USA).

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 12 печатных работах, из которых 8 - статьи в центральной печати.

Структура и объём диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения. Материал работы изложен на 149 страницах текста, содержащего 43 рисунка и три таблицы. Список цитируемой литературы включает 136 наименований.

Основное содержание работы

Во введении приводится обоснование актуальности темы исследований, определяются её цели, кратко излагается содержание диссертации, а также перечисляются результаты, впервые полученные в данной работе.

В первой главе дан обзор современного состояния исследований He-Cd лазера высокого давления, приведены основные экспериментальные результаты, описаны главные . теоретические модели процессов в плотной He-Cd плазме.

Б первом параграфе главы рассмотрены основные механизмы накачки лазерных уровней иона кадмия, общие для лазеров высокого и низкого давлений. В результате сравнения характеристик различных газоразрядных He-Cd лазеров показано, что наиболее Перспективным в видимой области спектра является He-Cd лазер с разрядом в полом катоде.

Во втором параграфе рассмотрен He-Cd лазер с ядерной накачкой, описаны конструкция лазера и полученные на сегодняшний день длины волн и мощности генерации при накачке продуктами деления урана и продуктами реакции3Не(п,р) Н. Показано, что в настоящее время He-Cd лазер является наиболее мощным лазером с ядерной накачкой видимого диапазона спектра, причём генерация на синен (>=441.6 нм) линии является самой коротковолновой для лазеров с ядерной накачкой. Основной проблемой He-Cd лазера с ядерной накачкой, как и лазера с

разрядом в полом катоде, является отсутствие УФ генерации на линии >»=325.0 нм, близкой по своим свойствам синей линии Я.=441.6 нм.

В третьем параграфе главы рассмотрены теоретические модели процессов в Не-Сс1 смеси высокого давления, дано описание главных кинетических реакций в плотной Не-Сс1 плазме. Показано, что из-за многообразия плазмохимических процессов при высоком давлении среды и отсутствия надёжных экспериментальных дшшьгх о константах многих реакций результаты моделирования у разных авторов могут значительно отличаться. Это обусловливает необходимость дальнейшего экспериментального и теоретического моделирования Не-Сс1 лазера высокого давления.

В четвёртом параграфе изложены данные о накачке Не-Сё смеси сильноточным электронным пучком наносекундной длительности, главным достижением в этом случае является получение генерации на УФ линии (>.=325.0 нм) иона кадмия. Факт получения УФ генерации, эксперименты с добавками Хе, Аг, N2 к . активной среде лазера, полученные экспериментальные зависимости мощности генерации и длительности импульса от температуры и давления гелия позволили уточнить теоретические представления о процессах в Не-Сс1 среде высокого давления, скорректировать значения ряда констант плазмохимических реакций. В параграфе также обсуждается возможность экспериментального моделирования условий ядерной накачки с помощью электронных пучков. Показано, что сильноточный наносекундный электронный пучок не подходит для моделирования ядерной накачки, поскольку длительность воздействия для него значительно меньше, чем для ядерной накачки, а вкладываемая в газ мощность значительно больше. Поэтому для моделирования процессов в Не-Сс1 лазере с ядерной накачкой необходимо использовать более длительные микросекундные пучки с малой (менее 1 А/см2) плотностью тока.

В заключительной части главы сформулированы конкретные задачи исследований Не-С(1 лазера высокого давления, стоявшие перед автором".

Во второй главе описана экспериментальная установка для исследования процессов возбуждения Не-С<1 смеси электронным пучком микросекундной длительности.

В экспериментальной установке, основными частями которой являются ускоритель электронов и лазерная кювета, впервые для лазера на парах металлов применена поперечная накачка газовой смеси электронным пучком. Для возбуждения активной среды

лазера использовались три режима работы ускорителя: одиночный с длительностью импульса тока пучка (на полувысоте) 5 мкс; одиночный с линейно нарастающим током пучка и длительностью импульса тока (по основанию) ~40 мкс; частотный, пакетом из 20 импульсов, с частотой повторения импульсов в пакете до 330 кГц и длительностью отдельного импульса 0.2-1 мкс. Энергия электронов пучка - 180 кэВ, максимальная амплитуда плотности тока пучка -0.2 АУсм\ что соответствует удельной мощности, вкладываемой в гелий при нормальных условиях, приблизительно 100 Вт/см3. Лазерная кювета, присоединённая к ускорителю электронов через тонкостенный переходник, рассчитана на давление He-Cd смеси 0.52 атм. Рабочая температура активной зоны (длиной 70 см) лазерной кюветы - до 500 °С, активный объём лазера -125 см3.

При проведении экспериментов мощность и форма импульса лазерного излучения- измерялась калиброванным фотоэлементом ФЭК-29, сигнал с которого поступал на осциллогаф С9-27. Регистрация спектров излучения He-Cd смеси и измерение длины волны лазерной генерации осуществлялась с помощью спектрографа ДФС-452, для исследования сигнала люминесценции на отдельных линиях использовался монохроматор МДР-23 совместно с фотоумножителем ФЭУ-100.

Поскольку состав рабочей смеси оказывает сильное влияние на характеристики He-Cd лазера, большое внимание уделялось очистке He-Cd смеси от нежелательных примесей. Для этого во время проведения экспериментов осуществлялась непрерывная очистка гелия при его медленной прокачке через лазерную кювету и газовые фильтры. При изучении влияния добавок электроотрицательных примесей на характеристики генерации He-Cd лазера пары примеси из специального испарителя вводились в поток гелия, поступающий в лазерную кювету. Концентрация примеси измерялась газовым хроматографом ЛХМ-8МД.

В главе также приведены схемы и определены погрешности измерений основных электрических и оптических величин.

В третьей главе приведены результаты исследований He-Cd лазера с накачкой электронным пучком длительностью 5 микросекунд.

Лазерная генерация была получена в He-Cd смеси высокого давления как на синей (>.=441.6 им), так и на УФ (>.=325.0 нм) линии нона кадмия, причём импульс генерации для обеих линий наблюдался во время действия пучка (рис.1). Удельная мощность лазерного излучения составила -60 мВт/см3 для синей линии и -35 мВт/см3 для УФ линии.

Определение порога генерации проводилось с помощью регулирования тока электронного пучка. Результаты представлены на рис.2 в виде зависимостей удельной мощности генерации !УГС„ от плотности тока электронного пучка ]пуч- Генерация на линии 325.0 нм зафиксирована при минимальной плотности тока пучка 0.07 А/см2, тогда как

I, мкс

Рис.1 Осциллограммы импульсов: а) - плотность тока пучка электронов;

линия 441.6 нм начинала Х=441.6 нм (1) и Х=325.0 нм (2). Т= 400 С, . п

„№=1.з.ю"см-'. юлу;!ат^ пР" ^=0-03

А/см . Эти данные соответствуют удельной мощности накачки ~30 Вт/см3 для УФ линии и ~12 Вт/см3 для синей линии. При дополнительной очистке гелия и тщательной подготовке лазерной кюветы удалось снизить плотность порогового тока для УФ линии до значения 0.01 А/см2, что соответствует удельной мощности накачки ~ 4 Вт/см3.

При исследовании Не-Сс1 лазера высокого давления также определялись зависимости мощности лазерной генерации от концентрации гелия и температуры среды, основное внимание при этом уделялось УФ линии. Лазерная генерация на линии Х=325.0 нм наблюдалась в диапазоне температур 335 + 440 СС и при

(рис.3). Наличие оптимума по

концентрации гелия (1*2.2)1019 см-3

тА/см2

температуре связано с конкуренцией процессов заселения верхнего . уровня лазерного перехода 5э2 2ВШ + 5р 2Р1Я в реакциях перезарядки и Пеннинга при увеличении концен-

Рис.2. Завйсимость удельной мощности лазерной тРации каДМИЯ и

генерации'от плотности тока пучка. 1-Х=325.0 нм, процесса девозбужде-

2-^=441.6 нм, 3-Х=325.0 нм (с очисткой гелия). им верхнего уровня

Т= 400 "С, пцс=1.7-10" см"3. лазерного перехода в

геа'

мВт/см

30 -

20 -

10 ■

о

реакции конверсии иона СсГ в молекулярный ион Сс^*. С ростом концентрации гелия увеличивается поток накачки на верхний лазерный уровень, поэтому уменьшение населённости уровня в реакции конверсии начинается

320 360 400 440 т. °с Рис.3. Зависимость удельной мощности лазерной "Ри более высокой генерации иа пшши с длиной волны >-=325.0 ни ох температуре. Это при-температуры среды при различных концентрациях водит к повышению гелия.Плотность тока эл. пучка-140 мА/см . оптимальной температуры для лазерной генерации при увеличении концентрации гелия. Для лазерного излучения на синей линии оптимальная температура генерации составляет -430 °С.

Таким образом применение микросекундного- электронного пучка впервые для Не-Сс1 лазера высокого давления позволило получить УФ генерацию при вкладываемой в газ мощности ~100 Вт/см3, характерной для лазеров с ядерной накачкой. Вместе с тем, в главе показано, что 5-ти микросекундный электронный пучок не обеспечивает условия возбуждения Не-Сй среды, полностью аналогичные условиям возбуждения при ядерной накачке. Для реального моделирования ядерной накачки Не-Сс1 лазера с помощью электронного пучка" необходимо значительно увеличить длительность импульса тока пучка при сохранении амплитудного значения плотности тока.

В четвёртой главе представлены результаты экспериментов по возбуждению Не-Сд смеси электронным пучком с линейно нарастающим током при длительности фронта импульса ~40 мкс. В этом случае накачка среды электронным пучком моделирует условия начальной части импульса ядерной накачки. Лазерная . генерация для 40 микросекундной накачки Не-Сё лазера получена, как и в случае 5-ти микросекундной накачки, на синей (1=441.6 нм) и на УФ (Я=325.0 нм) линии иона кадмия. Однако, если на синей линии генерация является квазистационарной, она продолжается с момента возникновения до конца импульса возбуждения, то для УФ пшши наблюдается ограничение длительности лазерного импульса, УФ генерация прекращается ещё во время действия пучка (рис.4). Максимальная удельная мощность генерации на синей линии -

и

10

30

t, мкс

Рис.4. Осциллограммы импульсов: а) - плотность тока пучка электронов, б) -лазерная генерация на Х=325.0 нм и Л=441.6 им. Т= 400 °С, пне=1.3-1019 см"3.

15 мВт/см3. Для УФ линии максимальная полученная длительность лазерного излучения составила ~7, максимальная удельная мощность ~6 мВт/см3.

Причиной срыва УФ генерации может быть возникновение в среде сильного паразитного поглощения, связанного, по данным теоретического моделирования, с наработкой атомов кадмия в метастабшьном 5р 3Р2° состоянии. Поглощение в этом случае осуществляется крылом линии с длиной волны >.-325.25 им атома Cdl. В настоящей работе экспериментально установлено/ что для срыва УФ генерации достаточно, чтобы поглощение На линии А,=325.0 нм составляло ~2 %/м. При этом в центре линии >.=325.25 нм среда будет практически непрозрачной, поскольку отстройка от линии Я.=325.0 нм, равная 0.25 нм, намного превышает столкновительную ширину линии (0.02 нм). Сильное самопоглощение линии, учитывая, что оно возникает нелинейно при наработке метастабилей Cd, должно отразиться на временном

поведении спонтанного излучения среды на линии 325.25 им.

На рис.5 показаны рассчитанное с учётом паразитного поглощения метастаби-лями кадмия и измеренное экспериментально поведение интенсивности люминесценции среды для центра линии с длиной волны Х=325.25 нм. Как следует из рисунка, зависимость соответствует линейно нарастающей накачке среды,

40 I, мкс

Рис.5. Интенсивность люминесценции на линии 325.25 нм, расчитапная для случая сильного поглощения в центре линии (а) и экспериментальная наблюдаемая в эксперименте (б). Т= 375 °С, пце=1.310|9см"3.

в то время, как теоретически рассчитанная зависимость носит выраженный нелинейный характер. Это свидетельствует о том, что в условиях наших экспериментов самопоглощение линии 325.25 нм отсутствует, и, следовательно, поглощение на краю этой линии не может быть причиной срыва генерации на УФ линии (А,=325.0 нм) иона С(Г.

Для определения причин ограничения длительности импульса УФ генерации проводились спектральные исследования Не-С<1 смеси высокого давления, регистрировалось излучение с верхнего и нижнего уровней лазерных переходов. Осциллограммы импульсов люминесценции для перехода с >.=325.0 нм, а также импульс лазерной генерации, показаны на рис.6. Интенсивность свечения на >.=226.5 нм с нижнего уровня 5р 2Р1/2 УФ перехода практически повторяет форму импульса накачки, в то время, как на осциллограмме свечения на линии Х=325.0 нм с верхнего уровня 5$2 гОз/2 УФ перехода наблюдается насыщение сигнала люминесценции начиная с момента времени 1-10 мкс. Уменьшение скорости заселения верхнего уровеня при линейном росте населённости нижнего уровня УФ перехода ведёт к срыву лазерной генерации на линии с длиной волны Я=325.0 нм во второй половине импульса накачки. В работе рассмотрены возможные причины снижения скорости накачки верхнего уровня УФ перехода, в качестве наиболее вероятной причины называется усиление девозбуждения уровня медленными (тепловыми) электронами плазмы.

В пятой главе исследуется влияние добавок электроотрицательных примесей к активной среде Не-Сё лазера на характеристики генерации на синей и УФ линиях иона кадмия.

Чтобы ослабить влияние электронно-столкновнтельного девозбуждения уровней необ-

ходимо уменьшить концентрацию тепловых электронов, например,

1И1

отн.ед. 1.0

0.5 -

а)

1»б.

отн.ед.

- 1.5

- 1.0 -0.5

мВт/си1 6 -3 О

10 20

—г—

30

—г-

40 б)

I, мкс

—1—

30

—I—

40

и мкс

10 20

Рис.6. Осциллограммы импульсов сигнала добавив к активной среде

Не"Сс1 лазеРа небольшое количество электроотрицательной . примеси. В качестве такой • примеси

>ровней перехода 11=325.0 нм иона кадмия и импульс лазерной генерации (б). Т= 375 °С, пцс;Н.З-10" см"'\

использовались, в основном, пары четырёххлористого углерода

СС14.

Для определения механизма влияния примеси на лазерную генерацию в экспериментах регистрировались импульсы люминесценции и лазерной генерации на УФ (Х= 325.0 им) и синей (Х= 441.6 нм) линиях иона кадмия при различных концентрациях молекул СС1.( в газовой смеси. Полученные результаты для УФ линии представлены на рис.7. Добавка электроотрицательной примеси вызывает увеличение интенсивности люминесценции на линии 325.0 нм иона кадм(и и, соответственно, увеличение населённостей верхнего уровня лазерного перехода. В свою очередь, рост населённости верхнего уровня ведёт к возникновению квазистационарной лазерной генерации на УФ линии. Оптимальное значение концентрации примеси равно псс14=4.5-1015 см"3 (для температуры среды 400 °С и концентрации гелия Пце=1.3-1019 см*"3), при этом удельная мощность квазистационарной УФ генерации составляет 6 мВт/см3.

Лазерная генерация на синей линии Х==441.6 нм является квазистационарной и без добавки паров СС14 к Не-Сё смеси, для этой линии наблюдаемое ограничение скорости заселения верхнего уровня лазерного перехода ведёт к ограничению мощности лазерной генерации. При добавлении паров СС14 для синей линии, как и для УФ линии, наблюдается рост интенсивности люминесценции и мощности лазерной генерации. Максимальная удельная мощность генерации на синей линии в Не-Сё лазере с накачкой 40 микросекундным электронным пуч-

Ь , отн.ед 2 ■

1

а)

3

10 20 30

отн.ед.

2 Н

Рис.7.

40 б)

I, МКС

А.

10 20 30

40 I, мкс импульсов

Осциллограммы люминесценции (а) и лазерной генерации (б) на >.=325.0 нм при концентрациях СС14 0 (1), 0.8 (2). 4.5 (3) Ы0'5 см"3). Т=375 "С

■ ■ ! 1 |(Г \

ком составила 25 мВт/см3 при концентрации паров ССЦвсмеси 0.8-1015 см"3.

Положительное влияние добавок электроотрицательных газов на характеристики генерации Не-Сё лазера связано с ослаблением девозбуждения

уровней медленными

(тепловыми) электронами

плазмы, число которых уменьшается при добавле-

нии электроотрицательной

примеси.

Кроме паров ССЦ в качестве электроотрицательной примеси использовались и другие вещества с большими коэффициентами диссоциативного прилипания для низкоэнергетичных (~0.1 эВ) электронов. В частности, применялись пары перфтортолуола С7Р8 Рис.8. Зависимость энергии импульса и пары йода 12. Для этих лазерной генерации на линии >.=325.0 нм от добавок также получена концентрации паров СС1, и №. Т=400 °с, квазистационарная гене-пне-1.710 ст . рацм на уф лиши ш

рис.8 показаны зависимости энергии в импульсе для линии 325 нм от концентрации паров СС14 и С7Р8. Как видно, применение перфтортолуола более эффективно, чем применение СС14. Это связано с тем, что коэффициент диссоциативного прилипания для перфтортолуола (кп~М0"7 см3/с) несколько больше, чем для ССЦ (к„-0.7-10~7 см3/с). Применение паров йода оказалось менее эффективным, чем использование СС1^ или перфтортолуола С7р8.

Одним из направлений исследования Не-С<1 лазера высокого давления с накачкой электронным пучком было определение условий, при которых возможен режим работы лазера с высокой частотой повторения импульсов. В частотном режиме накачка Не-С<1 смеси осуществлялась импульсно-периодическим пучком электронов. Длительность импульсов электронного пучка могла меняться в пределах 0.2*1 мкс, частота повторения импульсов 100+330 кГц, Накачка лазера осуществлялась пакетом из 20 импульсов тока электронного пучка. Максимальное амплитудное значение плотности тока пучка равнялось 0.1 А/см2, что соответствует удельной мощности накачки в гелий для условий наших экспериментов (давление смеси I атм, температура 400 °С) -40 Вт/см3.

При возбуждении Не-Сс1 смеси наносекундным электронным пучком (длительность импульса тока менее 1 мкс) лазерная генерация отсутствует как на синей, так и на УФ линии иона кадмия. То есть, мощность накачки ~100 Вт/см3 недостаточна для получения генерации наносекундных (субмикросекундных) лазерных импульсов. При увеличении длительности импульса тока

пучка в пакете до 1 икс частотная генерация в Не-Сс1 смеси возникает на синей (Х=441.6 нм) линии иона кадмия. На УФ линии (7.=325.0 нм) реализуется лишь несколько первых импульсов генерации. Применение добавок электроотрицательных газов (паров СС14, С7Р8, 12) позволяет осуществить высокочастотную генерацию и на УФ линии иона С (Г. На рис.9 показаны осциллограммы импульсов тока электронного пучка (а) и лазерной генерации на УФ линии (б) для частоты повторения импульсов в пакет?. 330 кГц. Максимальная удельная мощность генерации в отдельном импульсе составила ~4 мВт/см3 для УФ линии и ~7 мВт/см3 для синей линии. Как следует из рис.9 лазерная генерация возникает после того, как мощность генерации превысит пороговое значение - начиная с 4+5 импульса тока пучка. Фо5ювая генерация между импульсами существует при предельной частоте следования импульсов накачки и объясняется высокой концентрацией метастабилей гелия, которая не успевает значительно уменьшится в паузах между импульсами. Полученная частота следования импульсов лазерной генерации 330 кГц является в настоящее время максимальной для Не-Сс1 лазера высокого давления.

В заключении перечислены основные результаты, полученные в ходе проведения исследований, а также сформулированы тезисы, выносимые автором на защиту. Главным результатом работы является получение в Нс-СсЗ лазере высокого давления квазистационарной УФ генераций на линии 325 нм при добавленш к активной среде электроотрицательной примеси. Автор полагает, что добавление паров ССЦ (С7Р8, 12) к газовой смеси позволит получить УФ генерацию в Не-Сс1 лазере с ядерной накачкой, процессы возбуждения иона кадмия в котором подобны процессам возбуждения в лазере с накачкой микросекундным электронным пучком. Добавки электроотрицательных газов могут повысить

мкс

Рис.9. Осциллограммы: а) - пакет импульсов тока электронного пучка; б)- лазерная генерация на ?.-=325.0 дм. Частота повторения импульсов в пакете -330 кГц. Т=400°С> пНе=1.3-1019 спГ3.

эффективность и Не-Сс1 лазера с полым катодом, для которого также характерна высокая концентрация тепловых электронов.

Основные результаты н выводы по работе

1 .Создана экспериментальная установка, предназначенная для проведения исследований по возбуждению электронным пучком плотных (до 2 атм) газовых сред с температурой до 500 "С. Применение микросекундного электронного пучка позволяет на этой установке моделировать условия ядерной накачки Не-Сс1 лазера.

2. Впервые получен и применён для накачки газовых лазеров электронный пучок с высокой (до 330 кГц) частотой повторения импульсов тока пучка.

3. Исследованы спектры люминесценции Не-Сс1 смеси высокого давления накачиваемой микросекундным электронным пучком. Показано, что наиболее перспективными для получения лазерной генерации при высоких давлениях среды являются синяя (Х.=441.6 нм) и ультрафиолетовая (/.=325.0 нм) линия иона кадмия.

4. При возбуждении Не-Сс1 смеси электронным пучком длительностью 5 мкс получена и исследована лазерная генерация на синей (>.=441.6 нм) и УФ (>.=325.0 нм) линиях иона кадмия, определены удельные характеристики лазерного излучения и зависимости мощности генерации от температуры и давления смеси. УФ генерация в Не-Сс1 лазере высокого давления при слабой (~100 Вт/см3) накачке получена впервые.

5. Проведена оценка порога лазерной генерации для 5-ти микросекундной накачки. При обеспечении достаточной чистоты лазерной смеси порог генерации составил менее 15 Вт/см3 для синей линии и менее 5 Вт/см3 для УФ линии.

6. Исследованы характеристики лазерного излучения в Не-С<1 смеси атмосферного давления при накачке электронным пучком длительностью 40 мкс. Обнаружено ограничение длительности импульса УФ (¡1=325.0 нм) генерации, лазерное излучение прекращается до окончания импульса накачки. Лазерное излучение на синей линии (Х,=441.6 нм) является квазистационарным, оно продолжается в течение всего импульса пучка. В работе получены зависимости мощности излучения и длительности импульса лазерного УФ излучения от концентрации гелия и температуры среды.

7. Проведена оценка влияния на характеристики УФ генерации паразитного поглощения атомами кадмия в

метастабильном 5р 3Р2° состоянии. Показано, что паразитное поглощение метастабилями кадмия не является причиной срыва УФ генерации в He-Cd лазере высокого давления с накачкой микросекундным электронным пучком.

8. D результате исследования люминесценции He-Cd смеси при возбуждении электронным пучком длительностью 40 мкс показано, что прекращение УФ генерации до окончания действия пучка и уменьшение, по сравнению с накачкой более коротким 5-ти микросекундным пучком, мощности генерации на синей линии объясняются снижением скорости заселения верхних лазерных уровней при увеличении длительности накачки.

9. Предложено для улучшения характеристик He-Cd лазера высокого давления использовать добавки электроотрицательных газов. Исследовано влияние добавок к газовой смеси четырёххлористого углерода СС14, перфтортолуола C7F8, йода Ь на характеристики люминесценции и лазерной генерации в He-Cd лазере с накачкой микросекундным электронным пучком. Впервые в He-Cd лазере высокого давления при добавлении к активной среде электроотрицательной примеси получена квазистационарная УФ генерация (линия 325.0 им). Из исследованных электроотрицательных примесей лучшие результаты получены при использовании перфтортолуола C7Fg.

10. Реализован частотный режим работы He-Cd лазера. Лазерное излучение с частотой повторения импульсов до 330 кГц получено на синей (А=441.6 нм) и ультрафиолетовой (Х=325.0 нм) линиях йот кадмия.

Основные работы, опубликованные по теме диссертации

1. Коваль H.H., Кузнецов Д.Л., Новосёлов Ю.Н., Осипов В.В., Рукин С.Н , Упарин В.В., Щашш П.М. Импульсный сильноточный источник электронов с плазменным катодом на основе дугового разряда. // VIII Всесоюзный симпозиум по сильноточной электронике: Тезисы докладов. В 3 частях. Свердловск. 1990. Ч.Ш. С.29-31.

2. Гушенец В.И., Коваль H.H., Кузнецов Д.Л., Месяц Г.А., Новосёлов Ю.Н., Уварин В.В., Щанин П.М. Высокочастотная генерация импульсных электронных пучков большого сечения, // Письма в Журнал технической физики. 1991. Т. 17. В.23. С.26-29.

3. Кузнецов Д.Л., Месяц Г.А., Новосёлов Ю.Н., Осипов В.В., Уварин В.В. He-Cd лазер с длиной волны 441.6 нм, возбуждаемый

микросекундным пучком электронов. // Письма в Журнал технической физики. 1991. Т.П. В.4. С.35-38.

4. Кузнецов Д.Л., Новоселов Ю.Н., Уварин В.В. Импульсный источник электронов с экспоненциальным спадом тока пучка. // II Всесоюзная конференция "Модификация свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц". Тезисы докладов. Свердловск. 1991. С.68-70.

5. Гарусов К.А., Кузнецов Д.Л., Новосёлов Ю.Н., Уварин В.В. Лазер на парах металлов с поперечной накачкой электронным пучком. //Приборы и техника эксперимента. 1992. № 3. С.180-182.

6. Kuznetsov D.L., Mesyats G.A., Novoselov Yu.N., Uvarin V.V. A 100 kHz repetition rate broad-electron-beam generator. // 9й' International Conference on High Power Particle Beams. Abstracts. Washington. USA. 1992. P.483.

7. Макеев B.A., Новосёлов Ю.Н., Старовойтов М.Ю., Уварин В.В. УФ генерация на ионе кадмия, возбуждаемая мнкросекундным пучком электронов. // Письма в Журнал технической физики. 1993. Т.19. В.9. С.10-13.

8. Новосёлов Ю.Н., Уварин В.В. Ограничение длительности импульса УФ генерации в HeCd-лазере высокого давления. // Оптика и спектроскопия. 1995. Т.78. № 6. С. 1004-1006.

9. Новосёлов Ю.Н., Уварин В.В. Квазистационарная УФ генерация в НеС4 лазере высокого давления. // Письма в Журнал технической физики. 1995. Т. 21. В. 23.С. 15-18.

10. Новосёлов Ю.Н., Тарасенко В.Ф., Уварин В.В., Феденёв А.В. Влияние примесей и мощности накачки на характеристики генерации He-Cd лазера высокого давления. II Квантовая электроника. 1996. Т.23. № 3. С.211-216.

11. Kuznetsov D.L., Novoselov Yu.N., Uvarin V.V. 400 kHz pulsed e-beam accelerator. // Book of abstracts. 11th International

. Conference on High Power Particle Beams. Prague. Czech Republic. 1996. P.P3-14.

12. Новосёлов Ю.Н., Уварин В.В. Ультрафиолетовый HeCd лазер с накачкой высокочастотным электронным пучком. // Письма в Журнал технической физики. 1997. Т. 23. В. 6. С.44-47.