Исследование взаимодействия мощного лазерного излучения с потоками газа и плазмы и управление его характеристиками

• Автор: Якимов, Михаил Юрьевич
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 343 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
Глава I. ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА КОМБИНИРОВАННОГО РАЗРЯДА ДЛЯ СОЗДАНИЯ ОДНОРОДНЫХ НЕРАВНОВЕСНЫХ ПОТОКОВ МОЛЕКУЛЯРНОГО
ГАЗА В ГАЗОВЫХ ЛАЗЕРАХ
§1.1 Тлеющие разряды повышенной мощности, применяемые для создания потоков
неравновесного молекулярного газа (обзор литературы)
§1.1.1. Лазеры с диффузионным охлаждением (ЛДО)
§1.1.2. Быстропроточные лазеры (БПЛ)
§1.1.3. Разряд постоянного тока в разрядных камерах большого объема
§1.1.4. Разряд постоянного тока в быстром турбулентном потоке
§1.1.5. Емкостные разряды переменного тока средней и высокой частоты
§1.1.6. Несамостоятельный разряд с внешней ионизацией
§1.1.7. Несамостоятельный разряд с ионизацией вспомогательным разрядом
(комбинированный разряд) в потоке газа
§1.2. Безэлектродный (ёмкостный) импульсно-периодический разряд (ЕИР)
§1.3. Несамостоятельный разряд постоянного тока (РПТ) с ионизацией ЕИР
(комбинированный разряд)
§1.4. Неоднородности распределения температуры и коэффициента усиления лазерного
излучения в РПТ-ЕИР
§1.5. Характеристики турбулентного потока в условиях лазеров с комбинированным
разрядом РПТ-ЕИР
Выводы к Главе I
Глава И. ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ИЗЛУЧЕНИЯ МОЩНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ЛАЗЕРОВ С ПОПЕРЕЧНОЙ ПРОКАЧКОЙ ПУТЕМ ПРИМЕНЕНИЯ СПЕЦИАЛЬНЫХ
СХЕМ ОПТИЧЕСКИХ РЕЗОНАТОРОВ
§2.1. Исследование характеристик устойчивых резонаторов со сферическими зеркалами в условиях газовых лазеров с быстрой поперечной прокачкой типа "Лантан" и "Циклон"
§2.1.1. Измерение параметров излучения
§2.2. Некоторые способы повышения качества излучения мощных газовых лазеров
§2.3. Зеркала с переменным по радиусу коэффициентом отражения в неустойчивых
резонаторах (обзор литературы)
§2.4. Аналогия между резонатором самофильтрующим неустойчивым резонатором и неустойчивым резонатором с ВРМ и поперечные моды ВРМ резонатора
§2.5. ССЬ-лазер "Лантан-ЗМ" с устойчивым резонатором в режиме больших
дифракционных потерь
§2.6. ССЬ-лазер "Лантан-5" с неустойчивым резонатором на основе зеркала с
супергауссовским профилем коэффициента отражения (одномодовая генерация)
§2.7. Установка для исследования ВРМ резонатора в условиях ССЬ-лазера с поперечной
прокачкой
§2.8. Исследование работы неустойчивого ВРМ резонатора (генерация в режиме
смешанной моды)
§2.9. Сравнительные эксперименты по обработке материалов излучением неустойчивого
ВРМ резонатора и устойчивого РУЭД резонатора
§2.9.1. Пробивка отверстий в цветных металлах
§2.9.2. Газолазерная резка цветных металлов с воздухом под давлением
§2.9.3. Кислородная резка стали
§2.10. Возможности управления характеристиками излучения мощных ССЬ-лазеров с
неустойчивым ВРМ резонатором
§2.11. Особенности генерации излучения в мощных СОг-лазерах с быстрой поперечной
прокачкой и многопроходными резонаторами
§2.12. О причине нарушения осевой симметрии пучка при генерации высших мод в.
многопроходном резонаторе мощного ССЬ-лазера с быстрой поперечной прокачкой
Выводы к Главе II
Глава III. МЕТОДЫ СТАБИЛИЗАЦИИ ОДНОРОДНОГО РАЗРЯДА В БЫСТРОМ ОСЕВОМ ПОТОКЕ ГАЗА И РАЗРАБОТКА ЭФФЕКТИВНЫХ ГАЗОВЫХ ЛАЗЕРОВ.. 147 §3.1. Газодинамическая установка для исследования параметров разрядного элемента
лазера с быстрой осевой прокачкой
§3.2. Исследование комбинированного тлеющего разряда постоянного тока с ионизацией
емкостным импульсным разрядом в быстром потоке газа в трубке
§3.2.1. Особенности работы импульсного генератора ЕИР на тиратроне
§3.2.2. Генератор ФИД-10-8 с кабельным трансформатором
§3.2.3. Работа ФИД-генератора с кабельным трансформатором на разрядную трубку с
неподвижным и быстро движущимся газом
§3.2.4. Сравнение характеристик РПТ и ЕИР, полученных с различными импульсными
генераторами ЕИР
§3.2.5. Использование ФИД-генераторов для изучения условий согласования выходов генераторов с нагрузкой типа системы разрядных трубок

§3.3. Оптимизация разрядной схемы РПТ-ЕИР для лазера с быстрой осевой
прокачкой
§3.3.1. Энергетические характеристики активных сред лазеров с быстрой осевой
прокачкой с разрядами других типов
§3.3.2. Предельные характеристики РПТ-ЕИР с прямыми электродами ЕИР
§3.3.3. Предельные характеристики РПТ-ЕИР со спиральными электродами ЕИР
§3.3.4. Характеристики РПТ-ЕИР с укороченной разрядной трубкой
§3.3.5. Импульсный режим РПТ-ЕИР
§3.4. Создание экспериментального лазера с быстрой осевой прокачкой с РПТ-ЕИР
§3.4.1. Неоднородность лазерной генерации по сечению трубки и структура РПТ-ЕИР..
§3.4.2. Причины неоднородности РПТ-ИР в поперечном сечении в трубке
§3.4.3. Оптимальная форма внешних электродов в случае разряда переменного тока
(теоретическая оценка)
§3.4.4. Расчет распределения плотности импульсного тока при заданной форме электродов
импульсного разряда
§3.4.5. Сравнение результатов теоретического рассмотрения с экспериментальными
данными и возможность управления параметрами лазерного излучения
§3.4.6. Масштабирование лазера и демонстрация непрерывного оптического разряда
Выводы к Главе III
Глава IV. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МОЩНОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ПЛАЗМОЙ НЕПРЕРЫВНОГО ОПТИЧЕСКОГО РАЗРЯДА В ПОТОКЕ
ГАЗА ПРИ АТМОСФЕРНОМ ДАВЛЕНИИ
§4.1. Волны светового горения и НОР (обзор литературы)
§4.2. Используемый источник лазерного излучения
§4.3. Причины уширения фокального пятна при фокусировке лазерного излучения
линзами
§4.4. Экспериментальная установка
§4.5. НОР в неподвижном воздухе
§4.6. Экспериментальное исследование условий поддержания НОР в потоке воздуха
атмосферного давления
§4.7. Газодинамика и устойчивость НОР в потоке газа при атмосферном давлении
§4.8. Рефракция лазерного излучения в плазме непрерывного оптического разряда в
потоке газа при атмосферном давлении
§4.8.1. Экспериментальная установка и параметры излучения
§4.8.2. Результаты экспериментов

поскольку 11ор, как правило, больше, чем требуется. Реальное электрическое поле в плазме из-за эффекта поляризации начинает снижаться до того, как приложенное к электродам напряжение достигнет максимального значения. Максимальная величина, до которой поднимается электрическое поле в плазме, зависит от скорости нарастания напряжения. Таким образом, и величина Г/, и длительность импульса тока, и амплитуда импульса тока определяются скоростью нарастания напряжения. Экспериментально это установлено в работах [29, 31, 32], а также в главе 3 данной работы путем одновременной регистрации осциллограмм тока и напряжения ЕИР, а также определения параметров плазмы РПТ.
Для более эффективной ионизации следует использовать импульсы напряжения с более крутым фронтом нарастания. При этом генератор должен обеспечивать достаточно высокую импульсную мощность и выдавать импульс тока соответствующей амплитуды. Ограничения, связанные с характеристиками выходной цепи импульсного генератора, приводят к уменьшению достижимой плотности свободных электронов в разряде [29].
Поскольку свободные электроны в плазме имеют ограниченное время жизни, для поддержания квазистационарной концентрации электронов требуется определенная частота повторения импульсов. Основными процессами, приводящими к гибели свободных электронов в условиях непрерывного СОг-лазера, являются электрон-ионная рекомбинация и прилипание (образование отрицательных ионов). Времена жизни, определяемые этими процессами, лежат в пределах от 10 до 100 мкс, откуда требуемые частоты повторения импульсов — от 10 до 100 кГц.
Рис. 1.4. Внешний вид усредненного во времени свечения ЕИР в экспериментальной разрядной камере с электродами в форме дисков [31, 32].
На Рис. 1.4 видны яркие и темные слои вблизи изолированных электродов. Эти слои внешне схожи с приэлектродными слоями обычного тлеющего разряда, образующимися вблизи катода. Верхний и нижний слои возникают последовательно во время прохождения, соответственно, положительной и отрицательной полуволны