Динамика коэффициента усиления на высоких колебательных переходах молекулы окиси углерода в газовых средах, возбуждаемых импульсным электроионизационным разрядом

• Автор: Климачев, Юрий Михайлович
• Шифр специальности: 01.04.21
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 146 с. : ил.

Глава 1. Экспериментальное и теоретическое исследование газовых сред,

содержащих молекулы СО и возбуждаемых электрическим разрядом (обзор литературы)

1.1. Генерационные характеристики электроразрядных

криогенных СО лазеров

1.2. Кинетические процессы в газовых средах, содержащих

молекулы СО

1 ДОШ Метод исследования - измерение спонтанного излучения

1.2.2. Метод исследования — измерение коэффициента усиления

слабого сигнала активной среды СО лазеров

1.3. Обертонный криогенный электроионизационный СО лазер

1.4. Электроразрядные СО лазеры со сверхзвуковым

охлаждением активной среды
1.5. Роль кислорода в активной среде электроразрядных СО лазеров и
разряд в смесях с большим содержанием молекул 02
Выводы к Главе 1
Глава 2. Экспериментальные установки и методики измерений параметров
активной среды
2.1. Электроионизационные лазерные установки
2.2. Непрерывный криогенный СО лазер низкого давления
2.2.1. Конструкция непрерывного криогенного СО лазера
с прокачкой газовой смеси
2.2.2. Спектрально-энергетические характеристики
непрерывного криогенного СО лазера
2.3. Методики измерения характеристик лазерного излучения
Выводы к Главе 2
Глава 3. Восстановление инверсной населенности на колебательновращательных переходах импульсного СО лазера
3.1. Оптическая схема и методика измерения времени восстановления инверсной населенности '
3.2. Измерение оптических потерь селективного
резонатора с двукратной модуляцией добротности
3.3. Измерение времени восстановления инверсной
населенности и сравнение с теоретическими расчетами
Выводы к Г лаве 3

Глава 4. Динамика коэффициента усиления слабого сигнала на высоких
колебательных переходах молекулы СО
4.1. Динамика коэффициента усиления слабого сигнала электроионизацнонного СО лазера на обертонных колебательных переходах
4.1.1. Оптическая схема и методика измерения
4.1.2. Результаты измерения
4.1.3. Сравнение экспериментальных результатов с теоретическими
4.1.4. КПД обертонного электроионизацнонного СО лазера
4.2. Динамика коэффициента усиления слабого сигнала электроионизационного СО лазера на высоких основных колебательных переходах
4.2.1. Оптическая схема и методика измерения
4.2.2. Неоднородность коэффициента усиления слабого сигнала
но сечению электроионизационного СО лазерного усилителя
4.2.3. Динамика коэффициента усиления слабого сигнала
в газовой смеси СО:Не
4.2.4. Динамика коэффициента усиления слабого сигнала
в азотосодержащей смеси
4.2.5. Сравнение экспериментальной динамики коэффициента
усиления слабого сигнала с теоретической
4.2.6. Характеристики кислородосодержащих газовых смесей, возбуждаемых элсктроионизационным разрядом
4.2.6.1. Стабилизация электроионизационного разряда
4.2.6.2. Динамика коэффициента усиления слабого сигнала
4.2.6.3. Электроионизационный СО лазер на кислородосодержащих газовых смесях
4.3. Сравнение динамики коэффициента усиления слабого сигнала
на основных и обертонных переходах
4.4 Роль динамики коэффициента усиления слабого сигнала
в сверхзвуковом электроразрядном СО лазере
Выводы к Главе 4
Глава 5. Многочастотное лазерное зондирование активных сред СО:Не, СО:^
и СО:Ог в импульсном СО лазерном усилителе
5.1. Динамика температуры активной среды
5.2. Динамика населенности колебательных уровней молекул СО
Выводы к Главе 5 121'
Заключение
Приложение (теоретическая модель элекгроразрядного СО лазера)
Список сокращений
Литература
Список публикаций с участием автора
Среди молекулярных лазеров, действующих в средней инфракрасной области спектра, лазеры на окиси углерода (Patel 1964, Соболев 1973, Mann 1976, Данилычев 1977, Ионин 1984, Алейников 1990, Ионин 1993, 2005, Ionin 1995, 2000, 2007а) выделяются высокой эффективностью и широким диапазоном перестройки частоты излучения. В активной среде (АС) СО лазера инверсная населенность возникает на большом количестве колебательновращательных переходов. Одним из эффективных методов накачки АС электроразрядного СО лазера является электроионизационный (ЭИ) метод (Басов 1974), сущность которого заключается в том, что проводимость газа создается и контролируется при помощи внешнего источника ионизации, например, электронного пучка. При ЭИ методе накачки энергия свободных электронов, которую они приобретают в электрическом поле, наиболее эффективным образом (~80%) передается на нижние колебательные уровни молекул СО и азота (Schulz 1973). Заселение более высоких колебательных уровней молекул СО происходит путем колебательно-колебательного (W) обмена энергией между ними (Тгеапог 1968). Применение ЭИ метода накачки АС СО лазера в сочетании с ее охлаждением до температур —100 К позволило достигнуть эффективности преобразования энергии накачки в энергию когерентного излучения ~50->60% (Mann 1976, Dymshits 1994).
Спектр излучения СО лазера, который действует на фундаментальных (основных) колебательно-вращательных переходах, т.е. с изменением номера колебательного уровня на единицу (V—>V-1), лежит в диапазоне длин волн от ~4.7 мкм, колебательная полоса 1—>0, (Wu 1991) до -8.2 мкм, колебательная полоса 37—>36 (Yardley 1970). Вместе с тем, элекгроразрядный СО лазер может работать и на переходах первого колебательного обертона (V—>V-2) молекулы СО (Bergman 1977, Басов 1978). В настоящее время генерация излучения обертонного СО лазера получена на -400 колебательно -вращательных переходах в диапазоне длин волн от -2.5 мкм (полоса 6->4) до -4.2 мкм (полоса 38—>36) (Басов 2000а, Ь, с, Bachem 1993). Повышенный интерес к обертонному СО лазеру связан с тем, что его спектральный диапазон перекрывает "окно прозрачности" атмосферы (спектральная область с малым поглощением) в диапазоне от 3.3 мкм до 4.1 мкм (Межерис 1987, Бузыкин 2001), что позволяет транспортировать лазерное излучение в атмосфере с минимальными потерями. Кроме того, множество спектральных линий обертонного СО лазера совпадает с линиями поглощения как простых веществ, так и органических соединений (Бузыкин 2002), что дает возможность использовать излучение обертонного СО лазера в лазерной химии и лазерной спектроскопии.
Следует отметить, что генерация излучения обертонного СО лазера с длиной волны более 3 мкм происходит на высоких (V>15) колебательно-вращательных переходах (Басов

(<2г) и первого ((31) лазерных импульсов. Это отношение для каждой пары лазерных импульсов получалось путем численного интегрирования соответствующих временных профилей интенсивности каждого импульса с последую глей нормировкой на полную энергию генерации.
Рис. 3.2. Типичная форма импульсов генерации селективного ЭИ СО лазера с двойной МДР в зависимости от Ти. Переход 1 б—> 15Р( 16), (Зіп=250 Дж/л Амага. Врезка А иллюстрирует временную форму первого импульса с разрешением по времени 10 не.
Для надежного сравнения теоретических расчетов с экспериментальными данными очень важно было знать реальное значение оптических потерь лазерного резонатора за один проход. Для этой цели экспериментально были измерены коэффициенты отражения почти всех элементов лазерного резонатора (кроме брюстеровских окон 1р) на длинах волн 5,0-6,0 мкм.
Методика измерений потерь за один обход резонатора, проиллюстрированная на рис 3.3, состояла в следующем. Тестовая плоская пластина 3 из СаК2 устанавливалась в резонаторе
3.2 Измерение оптических потерь селективного резонатора с двойной модуляцией добротности.