Разработка и исследование устройства для создания СВЧ-разряда и возбуждения активной среды CO2-лазера

• Автор: Анахова, Ирина Викторовна
• Шифр специальности: 05.12.07, 05.11.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Б. м.
• Количество страниц: 147 с. : ил

Оглавление
Введение

Глава 1. Обзор литературы и постановка задач

1.1 Краткие сведения о физических основах генерации

Слазеров.

1.2. Обзор конструкций Слазеров с СВЧвозбуждением

1.3. Исследование газоразрядной плазмы Слазера с электроразрядной секцией в виде желобкового волновода

Выводы по главе

Глава 2. Расчет кинетических параметров газоразрядной

плазмы Слазера с СВЧвозбуждением.

2.1. Анализ кинетического уравнения Больцмана

в двучленном приближении.
2.2. Способы решения кинетического уравнения.
2.3. Результаты численного решения кинетического уравнения.
2.4. Использование полученных результатов
Выводы по главе
Глава 3. Модель распространения, развития и установления
стационарных значений параметров СВЧразряда в
желобковом волноводе.
3.1. Структура электромагнитного поля и энергетические соотношения в желобковом волноводе.
3.2. Механизм установления в плазме значений напряженности электрического поля и концентрации электронов в предположении постоянства газовой температуры
3.3. Анализ развития ионизационнолерегревной
неустойчивости в исследуемом разряде.
3.4. Вычисление ненасыщенного показателя усиления и
усиления за проход в непрерывном и импульсном
режимах возбуждения активной среды.
Выводы по главе
Глава 4. Численное моделирование исследуемого разряда
4.1. Расчет параметров плазмы для случая ТРту
4.2. Расчет зависимостей ненасыщенного показателя усиления, усиления за обход оптического резонатора и доли поглощаемой в разряде мощности от уровня мощности СВЧизлучения накачки, параметров газовой смеси и электроразрядной
секции в непрерывном режиме возбуждения активной среды
4.3. Расчет ненасыщенного показателя усиления, усиления за обход оптического резонатора и доли поглощаемой в разряде мощности
в импульсном режиме возбуждения активной среды
4.4.Экспериментальные исследования
Выводы по главе 4.
Заключение
Список литературы.
Приложение
Приложение
Приложение 3.
Введение
Среди других газовых лазеров Слазеры известны чрезвычайно высоким ненасыщенным показателем усиления до м1 в импульсных излучателях с несамостоятельным разрядом 1, тогда как у НеЫелазеров 0.0.1м1 2. Эта особенность делает возможным получение значительного удельного энергосъема и выходной мощности до 2МВт в импульсе при хороших массогабаритных характеристиках, она обуславливает относительно невысокие требования к чистоте газовой смеси и величине потерь оптического резонатора, а также надежность излучателей в эксплуатации. Благодаря низкому расположению нижнего рабочего уровня Слазер имеет высокий квантовый к.п.д К.п.д. излучателя в целом является также одним из самых высоких и достигает 1. Наличие в молекуле СОг богатого спектра колебательновращательных переходов создает возможность перестраивания рабочей длины волны как по линиям полос 9.6 и .6 мкм, так и непрерывно в диапазоне 9 мкм.
Благодаря этим преимуществам Слазеры широко применяются в различных областях научных исследований, технологии, медицине, экологии. Длина волны излучения Слазера принадлежит далекому ИКдиапазону, что является большим достоинством с точки зрения использования Слазера в целях получения оптического пробоя. Показатель поглощения плазмой светового излучения пропорционален квадрату его длины волны, и в сочетании с высокой выходной мощностью длинноволновость излучения делает Слазер наиболее приемлемым средством, используемым в качестве источника питания оптических плазмотронов 3. Поскольку излучение Слазера попадает в окно прозрачности атмосферы, приборы этого класса используются в целях дистанционного зондирования 4. Слазеры находят также обширное применение в технологических процессах тепловой обработки материалов 5 и используются для накачки активной среды субмиллиметровых лазеров 6. Среди всех типов лазеров, применяемых в медицине, излучение Слазера отличается наимень
шей глубиной проникновения в биологическую ткань 7, чем обусловлено его широкое применение в хирургии.
Применение энергии СВЧизлучения для накачки активной среды Слазера имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционными способами возбуждения. СВЧнакачка позволяет повысить срок службы и упростить конструкцию излучателя благодаря безэлектродности микроволнового разряда удельный энерговклад в прокачных системах может быть увеличен в десятки раз благодаря повышенной устойчивости такого разряда при развитии ионизационноперегревной неустойчивости, в результате чего возможно повышение мощности выходного излучения повышению к.п.д. излучателя способствует отсутствие балластных сопротивлений и приэлектродных слоев экономичность излучателя обусловлена понижением стоимости источника накачки, в случае конструирования его на базе серийно выпускаемых ваттных магнетронных генераторов, работающих на частоте 2. ГГц.
Целью настоящей работы является разработка электроразрядной секции ССЬлазера с СВЧ возбуждением, представляющей собой отрезок желобкового волновода и исследование газоразрядной плазмы такого излучателя.
Актуальность


О
с
с
а О
С
с
о
Рис. Колебания, при которых смещение атомов из положения равновесия происходит вдоль оси симметрии, называются валентными. Различают симметричные и асимметричные валентные колебания см. В случае деформационных колебаний, являющихся дважды вырожденными, смещение атомов происходит в направлении, перпендикулярном оси симметрии. Волновые числа этих колебаний соответственно равны уЗЗТсм1, усм1, у3см1 9. Колебательное состояние молекулы С характеризуется набором чисел ОцУгз, где VI,2,3 число квантов энергии, запасенных соответственно в валентной симметричной, деформационной и валентной асимметричной колебательных модах, угловой момент деформационных колебаний. В пренебрежении взаимодействием между модами некоторые состояния, например 0 и 0, являются случайно вырожденными. Это явление носит название резонанс Ферми. Структура энергетических уровней молекулы С содержит совокупность далеко отстоящих электронных уровней, более близких колебательных уровней и частого набора вращательных подуровней. Лазерная генерация осуществляется на колебательновращательных переходах основного электронного состояния. Условия отбора для вращательных переходов Д3. Я и Р ветвям. Здесь 1 вращательные квантовые числа соответственно верхнего и нижнего уровней. Из статистических соображений следует, что наиболее вероятны переходы Р ветви, на которых, как правило, и осуществляется генерация. Расстояние между вращательными подуровнями очень мало порядка нескольких см1, много меньше кТ, поэтому обеднение подуровня вследствие излучения быстро компенсируется за счет установления локального термодинамического равновесия. Таким образом, генерация, возникнув на какойлибо частоте, для которой лучше выполняются условия самовозбуждения, поддерживается на этой частоте, а мощность определяется накачкой во все подуровни колебательного уровня. Активная среда Слазера представляет собой смесь газов С,Ы2, Не с возможными добавками паров воды, Хе и некоторыми другими. Цикл накачки Слазера выглядит следующим образом см. С, являющемуся верхним лазерным уровнем. Рис. Нижним лазерным уровнем является обычно уровень 0, связанный с уровнем 0 резонансом Ферми и быстро релаксирующий вместе с ним в столкновениях с Не. СО2 в результате электронного удара гелий нужен также для снижения порога пробоя лазерной смеси. Задача регенерации молекул СО2 в отпаянных лазерах решается с помощью добавления в смесь паров воды, способствующих окислению СО в плазме тлеющего разряда. В столкновениях с молекулами воды расселяются нижние уровни 0 и 0, однако таким же образом расселяется и верхний лазерный уровень, что заставляет ограничить концентрацию паров воды величиной, меньшей 1. Благотворное влияние на энергетическую эффективность СОглазера небольших добавок ксенона до 5 было выявлено экспериментального. В оно объясняется снижением электронной температуры в разряде до величины, оптимальной с точки зрения эффективности заселения верхнего лазерного уровня. Снижение электронной температуры обусловлено тем, что ионизация в такой смеси происходит за счет ксенона, обладающего наинизшим из молекул газовой смеси потенциалом ионизации, а благодаря отсутствию у Хе колебательных уровней не происходит потерь мощности накачки на их возбуждение. Т.к. Слазера имеет целью создание инверсной населенности, то она может осуществляться только теми разрядами, плазма которых неравновесна. Традиционно используются тлеющий разряд постоянного тока ПТ или высокочастотный емкостной разряд ВЧЕР. Конструкции с ПТвозбуждением нередко отличаются значительным объемом рабочей среды и высокой мощностью выходного излучения. С целью увеличения рабочего давления до нескольких атмосфер применяют схемы с УФпредионизацией, а также с несамостоятельным разрядом, использующие электронный пучок, отличающиеся сложностью и дороговизной. К.п. ПТвозбуждением несколько снижен необходимостью использования балластных резисторов, на которых расходуется до мощности накачки, а также потерями мощности в области катодного падения потенциала.