Исследование характеристик генерации индукционного УФ азотного лазера

• Автор: Чуркин, Дмитрий Сергеевич
• Шифр специальности: 01.04.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 122 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение
Глава 1. УФ электроразрядный азотный лазер. Индукционный разряд
§1.1. Физические процессы в УФ элекгроразрядном азотном лазере
§ 1.2. Характеристики индукционного разряда
Выводы к Главе
Глава 2. Импульсный индукционный разряд в газовых лазерных средах
§2.1. Аппаратура и методы регистрации
§2.2. Излучатели индукционных газовых лазеров
§2.3. Исследование эффективности систем возбуждения импульсного
индукционного Л/лазера
Выводы к Главе
Глава 3. Характеристики излучения индукционного УФ азотного лазера
§3.1. Энергетические и пространственные характеристики генерации
индукционного УФ азотного лазера
§3.2. Исследование формы и длительности спонтанного и лазерного
излучения импульсного индукционного разряда в азоте
§3.3. Спектральные характеристики спонтанного и лазерного излучения
импульсной индуктивно связанной плазмы в азоте
Выводы к Главе
Заключение
Литература

ВВЕДЕНИЕ
Азотный лазер с длиной волны 337,1 нм является одним из наиболее распространенных источников мощного УФ излучения и имеет много различных научных и практических применений. Особенностями генерации азотного лазера являются не только УФ диапазон спектра, но и импульсный режим работы, при котором генерируются импульсы наносекундной длительности с мегаваттной мощностью. Для получения генерации на электронных переходах молекул азота обычно используются сильноточные продольный и поперечный импульсные электрические разряды. Такие разряды создаются между металлическими электродами, поэтому в процессе работы лазера происходит распыление материала электродов, приводящее к загрязнению азота. Кроме того, возникают катодные пятна, формируются стримеры, которые ухудшают объемную однородность разряда как активной среды, что приводит к снижению энергии генерации и ухудшению стабильности по амплитуде лазерного излучения и качества луча. Перечисленные выше обстоятельства ограничивают ресурс работы азотных лазеров и область их применений. В результате требуется замена не только рабочего газа, но также электродов и оптических элементов резонатора лазера. Перечисленные выше недостатки являются типичными для большинства газовых лазеров и указывают на необходимость поиска новых, альтернативных, более эффективных способов возбуждения газовых лазеров. В связи с этим проблема поиска новых способов накачки газовых лазеров является актуальной. В результате успешного решения этой проблемы можно достичь более эффективного ввода энергии в газовую среду, повышения качества излучения и существенного увеличения ресурса работы лазеров. В качестве такого способа возбуждения в данной работе предлагается импульсный индукционный разряд. Индукционный разряд отличается от электрического разряда в газах по многим параметрам. Однако наиболее существенным их них является тот факт, что индукционный разряд формируется без использования каких-либо электродов, а, следовательно, он свободен от вышеперечисленных недостатков, ограничивающих применение газовых лазеров. Помимо этого, индукционный разряд представляет самостоятельный интерес, связанный с селективным возбуждением и тушением

отдельных состояний в молекулах и реализацией новых механизмов создания инверсии.
Цель работы: создание УФ азотного лазера с накачкой импульсным индукционным разрядом и исследование характеристик его генерации.
Задачи исследований:
• Поиск схем формирования импульсного индукционного разряда в газах и создание на их основе систем возбуждения лазерных сред.
Получение инверсии населенностей для достижения режима генерации на самоограниченных электронных переходах молекул азота, оптимизация параметров активной среды и системы возбуждения.
Исследование спектральных и временных характеристик спонтанного излучения импульсного индукционного разряда в азоте.
Исследование генерации индукционного УФ азотного лазера.
Структура диссертации включает в себя Введение, три главы и Заключение. Диссертация состоит из 122 страниц машинописного текста, включая 54 рисунка, 3 таблицы и список цитируемой литературы из 145 наименований.
Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, определяется цель и задачи исследований. Изложено краткое содержание глав диссертации с указанием основных полученных результатов. Перечислены основные положения диссертации, выносимые на защиту, приводятся научная новизна и практическая значимость полученных результатов.
В §1.1 проведен анализ опубликованных работ, описывающих физические процессы в УФ азотном лазере. Обсуждается механизм формирования инверсии на переходах С3П„ —* В3ИЕ 2+ системы полос N2. Показано, что инверсия на этих переходах возникает в результате прямого возбуждении молекулы азота электронным ударом из основного состояния Х1Ъ+К. Для реализации этого механизма требуется обеспечить в разряде концентрацию электронов 1014-1015 см'3 с энергией 12 - 16 эВ. Рассмотрены наиболее распространенные системы возбуждения УФ азотного лазера, импульсные сильноточные продольный и поперечный электрические разряды. Литературных данных по использованию безэлектродных разрядов для создания азотных лазеров обнаружить не удалось.

выполняются. С учетом реальных размеров индуктора и объема, занимаемого плазмой, можно оценить величину тока во вторичной цепи:
12 = /, ю Ьок/п) [(аЦ/кпЧ Л2 ю/у)2 +Л22]'Ю,
V,, = 12ЯЪ рй = у?2/к2,
где V]р - омическая часть напряжения на плазме (в фазе с током в плазме), - ВЧ мощность, выделенная в разряде. При заданных размерах и наполнении разрядной камеры устойчивое существование индукционного разряда может иметь место лишь, когда вводимые в газ мощности не меньше некоторых минимальных величин. На нижнем пределе, когда мощность источника мала, разряд не зажигается, вся мощность теряется на катушке. Существует пороговая величина мощности источника Рт-т, при которой происходит зажигание разряда. На верхнем пределе, т. е., когда реализуется режим очень больших мощностей источника, эффективность вклада мощности в среду таюке падает вследствие конечной проводимости плазмы. Таким образом, для каждой системы существует пороговая мощность источника Ртп, требующаяся для зажигания разряда и максимальная величина мощности, которая может быть поглощена плазмой Ртах.
При рассмотрении формирования импульсного индукционного разряда (импульсный индукционный ускоритель) также используется трансформаторная модель [54, 57].
К 4,
Рис. 1.2.4. Электрическая схема импульсного индукционного ускорителя (а) и ее эквивалентная схема (б).