Long pulse N₂ laser pumped by longitudinal discharge.pdf Введение В настоящее время в литературе имеется большое количество исследований, посвященных повышению эффективности работы N2-лазера с накачкой поперечным и продольным электрическим разрядом [1, 2], импульсным индукционным разрядом [3], СВЧ-разрядом [4], а также c использованием пучка убегающих электронов [5]. Продолжающийся интерес исследователей к азотному лазеру обусловлен, во-первых, генерацией излучения в УФ-диапазоне спектра (337.1 нм), а во-вторых, низкой себестоимостью и безопасностью используемой газовой среды. Тем не менее данный тип лазера имеет низкий КПД и малую длительность импульса выходного излучения, что существенно ограничивает область его применения. Для повышения длительности импульса генерируемого излучения и эффективности работы азотного лазера необходимо иметь высокоэнергетические электроны в разрядной плазме, так как молекула азота имеет потенциальную энергию верхнего лазерного уровня C3Πu ~ 11.5 эВ. Для этих целей в TEA N2-лазерах применяется многокомпонентная газовая смесь N2/SF6 [1]. В азотном лазере с продольным разрядом величина напряжения на разрядной плазме существенно выше, чем в первом случае, что позволяет надеяться на повышение эффективности передачи электрической энергии в лазерное излучение. В работах [2, 6, 7] представлены результаты исследований азотных лазеров с продольным разрядом. В данных лазерах использовались разрядные трубки из стекла или керамики, которые состояли из одной или нескольких секций. Эффективная накачка достигалась при длине разрядных трубок от 15 до 40 см, внутренних диаметрах трубок 1-6 мм. Обостряющие ёмкости, подключённые к секциям разрядной трубки, импульсно заряжались от накопительной ёмкости при срабатывании коммутатора. При разряде обостряющих ёмкостей на секции происходило формирование разряда и накачка активной среды, генерация излучения возникала на фронте импульса тока, при быстром спаде приложенного напряжения. Давление азота в разрядной трубке составляло единицы-десятки миллиметров ртутного столба. Плотность разрядного тока достигала ~ 1 кА/см2. Необходимые мощности накачки достигались за счёт высоких зарядных напряжений, 30-50 кВ. Получены импульсы излучения на длине волны ~ 337.1 нм с энергией 0.05-0.3 мДж. Длительность импульсов излучения на уровне половины интенсивности не превышала 3-5 нс. Известно, что генерация излучения N2-лазера возникает на переходах C3Πu - B3Πg молекулы азота в результате прямого возбуждения молекулы электронным ударом из основного состояния Χ1 . Радиационное время жизни состояния C3Πu соответствует ~ 40 нс. Уровень B3Πg радиационно распадается в метастабильное состояние Α3 и имеет время жизни ~ 9 мкс. Поскольку на переходах C3Πu - B3Πg стационарной инверсии не возникает, длительность генерируемых импульсов излучения ограничивается соотношением скоростей возбуждения этих энергетических уровней. Для эффективного возбуждения уровней C3Πu молекул азота из основного состояния X1 прямым электронным ударом средняя энергия электронов должна превышать 11 эВ, потенциал ионизации молекул азота равняется ~ 15.5 эВ. Поэтому приведённое напряжение E/p на плазме положительного столба тлеющего разряда должно составлять ~ 0.2 кВ/(сммм рт. ст.). При высоких плотностях тока в аномальном режиме горения тлеющего разряда сложно сформировать и удержать однородную плазму положительного столба. С увеличением плотности тока разряда до ≥ 102 А/см2 повышается плотность тока на катоде по сравнению с нормальным тлеющим разрядом. Толщина катодной области при этом уменьшается, катодное падение потенциала возрастает с 0.2 до 10 кВ. Возникает перераспределение напряжения, приложенного к секциям разрядной трубки, между положительным столбом и катодной областью. В положительном столбе формируется слабоионизованная неравновесная плазма, в которой интенсивность процессов ионизации и объёмной рекомбинации определяется продольным градиентом потенциала. При этом большинство электронов, достигающих анода, поступает в столб извне, из катодной области. В этом случае наличие неоднородной эмиссии вторичных электронов с поверхности катода, большое различие энергий электронов на выходе из катодной области приводит к пространственным неустойчивостям разрядной плазмы и появлению в ней каналов с высокой проводимостью. Цель данной работы заключалась в поиске условий зажигания и устойчивого горения диффузного разряда с плотностью тока более 1 кА/см2 и удельной мощностью накачки до 5 MBт/см3. Экспериментальная установка и методики измерений Лазерная камера, в которой зажигалась продольная диффузная плазма, включала в себя две или четыре разрядные секции, разделённые электродами. В каждой секции располагалась кварцевая трубка с внутренним диаметром от 4.7 до 18 мм и длиной 80-200 мм. В качестве электрической схемы накачки использовалась либо двухконтурная С-С-схема, либо LC-генератор Фитча. Обостряющие ёмкости С1 были подключены к секциям разрядной камеры. Ёмкости были собраны из конденсаторов марки TDK UHV-6A, (700, 1700, 2700) pF & 30 kV. Накопительная емкость С0, а также LC-генератор подключались к обостряющим емкостям С1 через высоковольтный коаксиальный кабель с индуктивностью L1 ~ 600 нГн. В качестве высоковольтного коммутатора в обеих схемах накачки использовался тиратрон марки ТПИ3-10k/25. Зарядное напряжение варьировалось в пределах 20-25 кВ. Для эффективного использования энергии, вводимой в активную среду, длительность импульсов возбуждения τ ≈ (LC1)1/2 была выбрана примерно равной 40 нс и соответствовала радиационному времени жизни состояния C3Πu возбуждённой молекулы азота. Формы импульсов тока и напряжения на обостряющей емкости С1 регистрировались с помощью токового шунта и резистивного делителя напряжения. В ходе экспериментов использовался плоскопараллельный резонатор, образованный зеркалом с коэффициентом отражения 0.97 и кварцевой пластинкой, также являющейся выходным окном лазерной камеры. Измерение временной формы лазерного излучения проводилось фотодиодом ФЭК-22 СПУ-М с помощью осциллографа TDS-3032. Энергия излучения регистрировалась калориметром Gentec-E. Экспериментальные результаты Предварительные эксперименты были проведены при внутренних диаметрах трубок 4.7 и 6.5 мм, длине четырех секций по 110 мм. Для развития незавершенного скользящего разряда, возникающего в слое газа около стенок трубок и обеспечивающего начальную предыонизацию на этапе формирования объёмного разряда [8], на трубках были надеты экраны, соединённые с анодами. Для накачки лазера использовалась двухконтурная С-С-схема накачки с величиной накопительной и обостряющей ёмкостей 5.4 и 0.7-2.7 нФ соответственно. Внутренние диаметры электродов соответствовали внутреннему диаметру трубки. Зарядное напряжение на накопительной ёмкости составляло 20 кВ. Объёмный разряд зажигался при давлении азота 3-12 мм рт. ст. При внутреннем диаметре трубки 4.7 мм ток разряда равномерно протекал по всему сечению трубки, а выходное излучение имело однородное распределение интенсивности по сечению пучка. С увеличением внутреннего диаметра трубки до 6.5 мм разрядная плазма начинала прижиматься к внутренней поверхности трубки, при этом возрастала плотность тока накачки, что приводило к контракции разряда. При сохранении заданного диаметра трубки, но с уменьшением ее длины со 110 до 80 мм, улучшилась заполняемость разрядной плазмой внутренней полости трубки, однако длительность импульса излучения не превышала 5 нс. При давлении азота в лазерной камере 6 мм рт. ст. приведенная напряженность электрического поля в максимуме тока накачки составляла Е/Р = = 0.13 кВ/(сммм рт. ст.), энергия выходного излучения была ~ 0.3 мДж. С ростом давления азота до 9 мм рт. ст. величина Е/Р возрастала до 0.18 кВ/(сммм рт. ст.), при этом энергия излучения увеличивалась до значения 0.5 мДж. С дальнейшим повышением давления азота и зарядного напряжения на накопительной ёмкости характеристики генерируемого излучения ограничивались развитием неустойчивостей в разрядной плазме. В последующих экспериментах были произведены некоторые изменения в конструкции лазерной камеры: исключены две секции и экраны на трубках, электроды были заменены на полый катод и полый анод [9] с внутренними диаметрами, в 2 раза превышающими внутренний диаметр разрядной трубки. Диаметр и длина трубки в секции составляли 6.5 и 120 мм соответственно. Оптимальное давление азота в лазерной камере было 6 мм рт. ст. Характерные осциллограммы импульсов напряжения на секциях трубки, разрядного тока и генерируемого излучения для данного режима работы лазера приведены на рис. 1. Рис. 1. Осциллограммы напряжения U на обостряющей емкости, тока I, импульса излучения при U0 = 25 кВ Распределение интенсивности по сечению лазерного пучка было близким к однородному, при этом энергия излучения составляла 0.7 мДж при длительности импульса 8 нс, максимальная удельная мощность накачки - 0.8 МВт/(см3мм рт. ст.), при этом приведенная напряженность электрического поля в момент максимума импульса тока достигала величины Е/Р = = 0.19 кВ/(сммм рт. ст.). При зарядном напряжении U0 = 20 кВ однородность объёмного разряда сохранялась в течение всей его длительности. Уменьшение зарядного напряжения до 18-16 кВ приводило к замедлению формирования положительного столба тлеющего разряда и появлению в нём заметных неоднородностей. При дальнейшем увеличении внутреннего диаметра разрядной трубки до 9 мм и длины секций до 150 мм возросли энергия излучения до 0.8 мДж и длительность импульса излучения до 10 нс, но наблюдалась их заметная нестабильность при работе лазера в импульсно-периоди¬ческом режиме с частотой включения до 5 Гц. Выходное излучение имело вид кольца с шири¬ной 3.5 мм. Оптимальный диапазон давлений азота в разрядных трубках составлял 8-12 мм рт. ст. С увеличением давления более 12 мм рт. ст. в положительном столбе разряда начинали формироваться высокопроводящие каналы. Зависимости плотности разрядного тока j и приведённого напряжения E/Р на плазме в максимуме импульса тока от давления азота в разрядных трубках при U0 = 20 кВ приведены на рис. 2. Наблюдаемый на кривой 1 резкий рост тока при давлении более 10 мм рт. ст. был обусловлен образованием в диффузном разряде сильноточных каналов. Незначительное снижение плотности тока накачки, представленное на кривой 2, объясняется изменением пространственной структуры горения разряда в радиальном направлении относительно оси разрядной трубки. При длине секций трубки 150 мм зажигаемая диффузная плазма имела спад плотности тока в центральной области разрядной трубки для всего рассматриваемого диапазона давлений азота (кривая 3). Таким образом, в данных конструкциях лазера при приведенной напряженности электрического поля 0.14-0.2 кВ/(сммм рт. ст.) и средней плотности тока более 5.5 кА/см2 основное влияние на энергию и длительность импульсов излучения оказывала устойчивость горения диффузного разряда. Рис. 2. Зависимость плотности разрядного тока j (а), приведённого напряжения E/Р (б) на плазме от давления азота в секциях трубки с внутренним диаметром 6.7 мм, длиной секций 80 мм (кр. 1), 120 мм (кр. 2), 150 мм (кр. 3) Сравнение удельной мощности возбуждения азота при длине секций разрядной трубки 80, 120 и 150 мм в исследованном диапазоне зарядных напряжений на накопительной ёмкости при давлении азота 9 мм рт. ст. приведено на рис. 3. Рис. 3. Зависимость удельной мощности накачки лазера Руд от зарядного напряжения U0 на накопительной ёмкости при РN2 = 9 мм рт. ст. и длине секций разрядной трубки 80 мм (кр. 1), 120 мм ( 2) и 150 мм ( 3) При добавлении в азот 1.25 % гептана (C7H16) в качестве легко ионизуемой добавки улучшилась однородность горения объёмного разряда, что позволило увеличить длительность генерируемого импульса излучения до 20 нс. Выходное излучение имело небольшой провал интенсивности по центру пучка диаметром ~ 1.5 мм. Однако при добавлении гептана возрастало поглощение излучения в активной среде, что приводило к снижению энергии излучения до 0.2 мДж и соответственно к уменьшению эффективности работы лазера. Добавка в азот от 1.25 до 5 % ксенона, имеющего более низкий по сравнению с азотом потенциал ионизации, не привела к заметному влиянию на вольт-амперные характеристики разряда и параметры лазерного излучения. Заключение Проведенные исследования показали возможность создания эффективных N2-лазеров с накачкой продольным разрядом при удельных мощностях накачки более 3 МВт/см3. Выявлено, что основной причиной, ограничивающей длительность и энергию генерируемого излучения, является неустойчивое горение диффузного разряда в данных режимах работы лазера. Продемонстрировано, что улучшение начальных условий формирования диффузного разряда, в частности за счет включения в азот паров гептана, позволяет увеличить длительность импульса излучения с 5 до 20 нс.

Скачать электронную версию публикации