Экспериментальное и расчетно-теоретическое исследование физических процессов в лазерных системах на парах меди с целью улучшения удельных выходных характеристик (11.01.2012)

Автор: Маликов Михаил Максимович

- Для цилиндрического и коаксиального объёма плазмы с однородным коэффициентом поглощения ko, представлены новые формулы, описывающие зависимость вероятности вылета фотона ((r,koR) от координаты r при любых оптических плотностях 109?koR?0.

- Получены новые аналитические выражения вероятности вылета фотона ((x,koL), справедливые для плоского слоя плазмы толщины L c неоднородным коэффициентом поглощения (ko(x)(const).

- Предложена формула, аппроксимирующая численные значения эффективной “вероятности” вылета фотона (эф в усреднённых по объёму уравнениях баланса концентраций возбуждённых уровней (nk(х), ko(x)(сonst).

Полученные формулы для ( и (эф использовались нами в численных расчётах параметров ЛПМ и могут представлять самостоятельный интерес для решения других задач низкотемпературной плазмы.

Для саморазогревного ЛПМ коаксиального типа разработаны аналитическая модель тепловых процессов и методика комплексного расчёта температуры рабочего тела и элементов конструкции с учётом лучистого теплообмена между коаксиальными цилиндрами. Расчётами показано, что использование разрядных камер с изолированной коаксиальной вставкой позволяет повысить предельную вкладываемую мощность на порядок и выше по сравнению с обычными цилиндрическими камерами того же объёма в (10-20) л/м.

На основании численных экспериментов и анализа сделан ряд новых выводов о роли различных процессов в плазме, влияющих на характеристики ЛПМ в рассмотренных условиях (большие и средние энерговклады).

- Показано, что доля энергии спонтанного излучения может достигать значительных величин и заметно влиять на баланс энергии электронов в релаксационный период и на температуру газа.

- Установлено, что рекомбинационный поток поддерживает высокие значения концентраций высоколежащих уровней, обусловливает появление вторых максимальных значений концентраций возбуждённых атомов в межимпульсный релаксационный период времени.

- Расчетная модель приводит к двум характерным временам спада концентраций метастабильных уровней меди nм, к быстрому ~10-6(10-5 с и последующему медленному ~10-4 с. При этом модель впервые описывает появление вторых максимумов в зависимостях nм(t) в начале медленного спада, что наблюдалось и в ряде экспериментов. Показано, что эти максимумы связаны с интенсивным спонтанным и электронным заселением метастабильных уровней с верхних блоков (Ek?5 эВ), которые в свою очередь заселяются за счет рекомбинационного потока.

Для снижения предимпульсных значений концентраций метастабильных уровней и электронов, в целях улучшения выходных характеристик ЛПМ рекомендуется вводить в рабочую смесь такие добавки, которые в период рекомбинации снимали бы возбуждение с верхних уровней атома меди.

Представлены результаты расчёта характеристик излучения ЛПМ с коаксиальными разрядными камерами большого объёма ~ (3(20) л и небольшим зазором между цилиндрами ~(1(3) см, при этом:

- показана принципиальная возможность достижения, одновременно, высоких удельных характеристик генерации ~0,1 Вт/см3 и средней мощности излучения ЛПМ свыше 1 кВт;

- получены сравнительно высокие физические к.п.д до 4%, технические к.п.д. (1,5(2)% и более высокие (~10 кГц) оптимальные частоты следования импульсов по сравнению с обычными ЛПМ того же объёма (~20 л).

Развита идея увеличения выходных характеристик ЛПМ за счёт создания быстрой прокачки, при которой среда полностью заменяется в камере за межимпульсный период.

- Рассмотрен и обоснован вариант осуществления быстрой самопрокачки рабочего тела через камеру ЛПМ по замкнутому контуру с использованием электрического разряда, возбуждающего среду лазера путём наложения внешнего магнитного поля перпендикулярно вектору тока. Представлена магнитогазодинамическая модель процесса самопрокачки.

- Численным методом показана возможность достижения в разрядной камере ЛПМ скоростей потока (250-500) м/с.

- Экспериментально продемонстрировано азимутальное вращение рабочей среды в коаксиальной разрядной камере ЛПМ при наложении продольного магнитного поля перпендикулярно радиальному току накачки. При этом показано, что перемешивание рабочей среды в коаксиальной камере существенно увеличивает удельную мощность генерации.

Предложен способ увеличения пиковой мощности импульсов излучения усилителей на парах меди с использованием особых многопроходных схем. Построена качественная физическая модель работы таких усилителей. Проведены экспериментальные исследования, в которых проверена справедливость этой модели.

- Впервые получен эффект увеличения пиковой мощности излучения (без существенного изменения средней мощности).

- Впервые по предложенной схеме успешно реализован двухпроходный вариант усилителя на парах меди со средней мощностью излучения 22(25 Вт. Достигнута пиковая мощность импульсов излучения в 305 кВт, что в 2,2 раза больше, чем пиковая мощность при обычном однопроходном усилении в канале с тем же объёмом и такой же мощностью накачки.

- Разработана схема четырёхпроходного усилителя на парах меди и создан экспериментальный макет.

Проведён цикл экспериментальных исследований процессов усиления мощности и энергии импульса излучения в двухпроходной и четырёхпроходной схемах усилителя.

- Изучена зависимость величины усиления от амплитуды, формы и длительности импульса задающего генератора, от задержек усиливаемого импульса в блоках возврата. Прослежены характер и динамика усиления импульса от одного прохода к другому.

- Обнаружено, что в четырёхпроходном усилителе, при большом числе проходов импульса, усиление качественного пучка сдерживается конкурентным развитием генерации из спонтанных затравок в “паразитном” резонаторе, образуемом поворотными зеркалами блоков возврата пучка.

Полученные результаты полезны для анализа и расчёта физических процессов, протекающих в многопроходных усилителях на парах меди.

Проведён цикл экспериментальных исследование нелинейного преобразования частот излучения ЛПМ (трубки ГЛ-201и LT-10Cu) с неустойчивым оптическим резонатором на кристаллах DKDP и ВВО. Осуществлена оптимизация оптических схем, формирующих в нелинейном кристалле пучок с острой фокусировкой или параллельный пучок.

- Показано, что с параллельным пучком достигаются более высокие (в 1,5-2 раза) значения к.п.д. преобразования ( и мощности ультрафиолета Wуф, чем в экспериментах с острой фокусировкой.

- Определена роль различных резонаторных пучков в процессе генерации УФИ. Показано, что наибольшие значения Wуф и ( наблюдаются, когда через кристалл проходят и вместе участвуют в нелинейном преобразовании резонаторные пучки с минимальной и средней расходимостью.

- При полной мощности ЛПМ не более 20 Вт на кристалле DKDP достигнуты максимальные значения Wуф ~0,75 Вт и (~12 % (для ГСЧ, (=0,271 мкм).

- На основе всех полученных результатов совместно с ООО “НПП “ВЭЛИТ” разработан и создан опытный образец промышленного лазера “KULON-10Cu-UV”, генерирующий излучение в видимом и УФ диапазоне

В целом, экспериментальные исследования генерации ультрафиолетового излучения (ГСЧ, ГВГ) с использованием ЛПМ небольшой полной мощности (до 20 Вт) обосновали и подтвердили возможность достижения практически значимых параметров (Wуф ~1 Вт и (~10-15%).

Для увеличения эффективности генерации УФИ с использованием лазерных активных элементов небольшой мощности предложена новая оригинальная схема источника “генератор - многопроходный усилитель - нелинейный кристалл”.

- Впервые реализована схема источника УФИ на базе двухпроходного усилителя на парах меди, импульсы генерации которого имели повышенную (в два раза) пиковую мощность.

- Проведён цикл исследований эффективности нелинейного преобразования излучения по предложенной схеме источника УФИ. Показано, что существенное увеличение эффективности ( и мощности Wуф обусловлено, в основном, более высокой пиковой мощностью (по сравнению с ЛПМ) и высоким качеством излучения усилителя.

- При уровне полной мощности излучения двухпроходного усилителя W?19 Вт с использованием нелинейных кристаллов DKDP, ВВО и цилиндрической оптики получены рекордные мощности УФ излучения (ГВГ и ГСЧ) от 2,1 Вт до 3,6 Вт.

- На кристалле ВВО реализованы весьма высокие значения среднего к.п.д. преобразования (: для ГВГ из зелёной линии ( 27 % ((=0,255 мкм) и ГСЧ ( 24 % ((=0,271 мкм). Для ГВГ ((=0,289 мкм) из жёлтой линии излучения достигнуто рекордное значение ( ( 44 %.

Представленные результаты говорят о перспективности создания эффективных источников ультрафиолетового излучения на базе лазерных многопроходных усилителей на парах меди с повышенной пиковой мощностью.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Батенин В.М., Бохан П.А., Бучанов В.В., Евтушенко Г.С., Казарян М.А., Карпухин В.Т., Климовский И.И., Маликов М.М. Лазеры на самоограниченных переходах атомов металлов – 2 . Т.2 / Под ред. В.М. Батенина. ( М.: ФИЗМАТЛИТ, 2011. – 610 с.

Директор Л.Б., Маликов М.М., Сковородько С.Н., Фомин В.А., Шелков Е.М., Шпильрайн Э.Э. Теплофизические характеристики коаксиальных камер лазеров на большие мощности // ТВТ. 1983. Т. 21. № 1. С. 162(166.


загрузка...