Физические процессы в активных средах лазеров на самоограниченных переходах в парах металлов и их взаимосвязь с параметрами разрядного контура (11.01.2010)

Автор: Юдин Николай Александрович

ЮДИН НИКОЛАЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В АКТИВНЫХ СРЕДАХ ЛАЗЕРОВ

НА САМООГРАНИЧЕННЫХ ПЕРЕХОДАХ В ПАРАХ МЕТАЛЛОВ И ИХ ВЗАИМОСВЯЗЬ С ПАРАМЕТРАМИ РАЗРЯДНОГО КОНТУРА

специальность: 01.04.21 – лазерная физика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора физико-математических наук

Томск – 2009

Работа выполнена в Томском государственном университете,

Институте оптики атмосферы СО РАН (г. Томск),

Институте физики полупроводников СО РАН (г. Новосибирск).

Научный консультант: доктор физико-математических наук,

Солдатов Анатолий Николаевич

Официальные доктор физико-математических наук,

оппоненты: Соломонов Владимир Иванович

доктор физико-математических наук,

Сорокин Александр Разумникович

доктор физико-математических наук,

Тарасенко Виктор Федотович

Ведущая организация:

Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН, г. Новосибирск

Защита состоится “8” апреля 2010 г. в 14 час. 30 мин. на заседании диссертационного Совета Д 212.267.04 при Томском государственном университете (634050, г. Томск, пр. Ленина, 36)

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Томского государственного университета

Автореферат разослан “___” декабря 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета Пойзнер Б.Н. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертация посвящена исследованию частотно-энергетических характеристик лазеров на самоограниченных переходах атомов металлов, повышению надежности работы лазеров, их срока службы и определению оптимальных условий накачки активной среды при газоразрядном способе возбуждения.

Актуальность темы. Лазеры на самоограниченных переходах атомов металлов (ЛПМ) – лазеры, инверсная заселенность в которых возникает между резонансными и метастабильными уровнями атомов и ионов металлов в период ионизационной неравновесности плазмы, являются одним из наиболее эффективных источников излучения в видимой области спектра среди газовых лазеров. Существенный прогресс в развитии ЛПМ, наметился благодаря реализации саморазогревного способа получения паров за счет диссипации энергии импульсно - периодического разряда с высокой частотой следования импульсов (ЧСИ) возбуждения. Простота и надежность высокотемпературной техники, созданной на этом принципе, позволили реализовать практический КПД ЛПМ ~ 1% и существенно повысить как импульсную, так и среднюю мощности генерации. Однако потребности таких областей науки и техники, как зондирование атмосферы, локация и связь, лазерная обработка материалов, лазерная фотохимия, лазерное разделение изотопов и др., по-прежнему стимулируют работы по созданию эффективных лазеров видимого диапазона. Саморазогревной режим работы, в его классическом варианте, позволил улучшить выходные параметры ЛПМ, но не исчерпал их потенциала по повышению эффективности, которая составляет по оценкам ~ 10%, средней мощности ~ 1 Вт/см3 и ЧСИ генерации > 100 кГц [1-4]. Возможность достижения вышеперечисленных параметров в газоразрядных трубках (ГРТ) с малым рабочим объемом экспериментально была показана в работах А.Н. Солдатова и И.И. Климовского.

Для эффективной накачки ЛПМ, как хорошо известно, необходимо формировать импульс возбуждения с крутым фронтом и длительностью импульса соизмеримой со временем существования инверсии [1-5]. Реальные условия накачки существенно отличаются от идеальных условий возбуждения (прямоугольный импульс возбуждения), что накладывает определенные ограничения на частотно-энергетические характеристики (ЧЭХ) лазеров. Экспериментально наблюдаемые зависимости позволили П.А. Бохану и др. сделать заключение, что одной из основных причин ограничения ЧЭХ рассматриваемого класса лазеров при газоразрядном способе возбуждения является наличие индуктивной составляющей в разрядном контуре лазера. Это не позволяет быстро разогревать предымпульсные электроны (ne0), что приводит к заселению метастабильных состояний на фронте импульса возбуждения и к перераспределению скоростей заселения лазерных уровней в пользу метастабильных с ростом ne0. В тоже время, исходя также из наблюдаемых экспериментальных зависимостей, Г.Г. Петраш и др. обуславливают ограничения ЧЭХ ЛПМ медленной релаксацией метастабильных состояний в межимпульсный период. Очевидно, что существующая неоднозначность интерпретации экспериментальных результатов не позволяет, с одной стороны, однозначно оценить энергетический потенциал активной среды ЛПМ и возможные практические пути его реализации, а с другой стороны, указывает на возможность неоднозначного проявления механизма ограничения ЧЭХ ЛПМ, в зависимости от условий накачки. Последнее предположение обусловлено следующим. Всегда полагалось, что развитие разряда в активных средах с высокой проводимостью плазмы осуществляется без стадии пробоя. Поэтому эквивалентную схему разрядного контура в модельных расчетах представляют в виде активной и индуктивной составляющих импеданса ГРТ, параллельно которым подключена обостряющая емкость. Однако данная эквивалентная схема применима только для анализа процессов в ГРТ с электродами расположенными в горячей зоне разрядного канала. Впервые о наличие пробоя в активных средах с высокой проводимостью плазмы указано в [6]. Проведенный в [7] анализ показал, что в типичных условиях работы ЛПМ сопротивление разряда в его начальной стадии определяется в основном не проводимостью нагретой активной части ГРТ, где ne0 может быть велико, а процессами на электродах и в холодных приэлектродных областях. Это дает основание предположить [7], что в концевых зонах к приходу следующего импульса возбуждения плотность электронов мала, сопротивление, соответственно, велико, и в этих зонах происходит пробой с образованием катодного слоя с большим падением напряжения и контрагированием разряда. В этом случае должны изменяться как эквивалентная схемы разрядного контура так и, соответственно, кинетика процессов в разрядном контуре и активной среде ЛПМ. Вышесказанное дает основание предположить наличие дуализма кинетики процессов ЛПМ в зависимости от расположения электродов в горячей зоне разрядного канала или холодных буферных зонах ГРТ.

В соответствии с вышесказанным, общей задачей диссертационной работы являлось выяснение закономерностей формирования инверсной населенности в активной среде лазеров на парах металлов и физических причин ограничения частотно-энергетических характеристик, а также разработка способов эффективной накачки активной среды лазеров на самоограниченных переходах атомов металлов.

Ее конкретная реализация предполагала решение таких самостоятельных вопросов, как:

Экспериментальное исследование процесса ступенчатой ионизации с верхних лазерных уровней и его влияния на формирование инверсной населенности.

Изучение механизма влияния предымпульсных параметров плазмы на энергетические характеристики лазеров.

Исследование причин, приводящих к ограничению частоты следования импульсов генерации, и на их основе уточнение принципов управления характеристиками излучения лазеров.

Определение параметров накачки, оптимальных для эффективного возбуждения активной среды.

Методы исследований. В качестве методов исследований в работе принят физический эксперимент с использованием методов численного расчета изучаемых физических процессов в условиях идеальной накачки (прямоугольный импульс возбуждения), а процессов в контуре, исходя из анализа экспериментальных данных с привлечением теории нелинейных электрических цепей.

Научные положения, выносимые на защиту:

В импульсных лазерах на самоограниченных переходах атома меди из-за высокой скорости процесса ступенчатой ионизации с резонансных уровней и наличия вынужденных переходов наблюдается оптогальванический эффект, проявляющийся в уменьшении тока разряда и обратного напряжения на аноде тиратрона при возникновении светового поля в резонаторе. При этом обобщенная константа ступенчатой ионизации с резонансных уровней атома меди оценивается значением <(v> ~ (1,9(3,9)·10-7см3сек-1. Высокая скорость ступенчатой ионизации не только определяет насыщение населенности резонансных уровней в импульсе возбуждения, но и обуславливает снижение эффективности накачки активной среды с ростом предымпульсной концентрации электронов.

Накачка активной среды происходит после пробоя промежутка “плазма – анод” в случае расположения электродов в холодных буферных зонах газоразрядной трубки (ГРТ). Момент начала пробоя определяется прекращением токов смещения зарядов в процессе зарядки от накопительного конденсатора всех емкостных составляющих разрядного контура в условиях, когда импеданс активной среды до момента пробоя проявляет себя как система с сосредоточенными параметрами. Скорость нарастания напряжения на плазме определяется временем развития пробоя промежутка “плазма – анод”. Импеданс активной среды с момента пробоя проявляет себя как система с сосредоточенными параметрами только в случае, когда время развития пробоя превышает время распространения электромагнитного поля в активной среде. В противоположном случае импеданс активной среды с момента пробоя проявляет себя как система с распределенными параметрами.

Величина инверсной населенности определяется энерговкладом от трех параллельных контуров возбуждения, образованных собственной емкостью ГРТ, обостряющим и накопительным конденсаторами, при условии, что время развития пробоя промежутка “плазма – анод” превышает время распространения электромагнитного поля в активной среде лазера. При этом:

( собственная емкость ГРТ определяет обострение тока на фронте импульса возбуждения и является источником подогрева электронов в межимпульсный период;


загрузка...