Физические процессы в активных средах лазеров на самоограниченных переходах в парах металлов и их взаимосвязь с параметрами разрядного контура

• Автор: Юдин, Николай Александрович
• Шифр специальности: 01.04.21
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 238 с. : 10 ил.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение
Глава I. Физический КПД лазера на парах меди. Роль ступенчатой ионизации
в ограничении населенности верхних лазерных уровней
1.1 .Электрические характеристики разряда саморазогревных лазеров на самоог-
раниченных переходах атомов металлов
1.2.Влияние волнового сопротивления разрядного контура на эффективность
1.2.1. Зависимость энергетических характеристик лазера от величины электриче-
ской емкости накопительного конденсатора
1.2.2. Механизм увеличения физического КПД
1.3. Экспериментальное исследование слаботочного режима накачки лазера
1.4. Роль ступенчатой ионизации в ограничении населенности верхних лазерных
уровней
1.4.1. Экспериментальные наблюдения ступенчатой ионизации атома меди
1.5.Насыщение населенности верхних лазерных уровней в импульсе возбуждения
1.6.Кинетика возбуждения рабочих уровней лазера на парах меди
Выводы
Глава 11. Механизм ограничения частоты следования импульсов генерации.
Критические значения населенности метастабильных состояний и
предымпульсной концентрации электронов
2.1. Критическая плотность метастабильных состояний
2.2. Возбуждение нижних лазерных уровней
2.3. Фронт нарастания напряжения на активной составляющей импеданса ГРТ
2.3.1. Схема возбуждения с частичным разрядом накопительного конденсатора.
Заселение метастабильных состояний на фронте импульса возбуждения
2.3.2. Схема возбуждения с полным разрядом накопительного конденсатора. Обо-
стрение фронта напряжения на активной составляющей ГРТ
2.3.3. Схемы с ударным и сложным контурами возбуждения
2.3.4. Релаксация метастабильных состояний в условиях работы разрядного кон-
тура на высокой частоте свободных колебаний
2.4. Критическая плотность электронов при ограничении частоты следования
импульсов в Си-лазере
2.4.1. Кинетические модели
2.4.1.1. Ионизация плазмы в ходе накачки
2.4.1.2. Послесвечение
2.4.1.3. Выбор начальных данных
2.4.1.4. Результаты расчетов
2.4.1.5. Критическая плотность электронов
2.5. Об ограничении частоты повторения импульсов в Си-лазере, связанном с пре-
дымпульсной плотностью электронов
Выводы

Глава III. Влияние коммутатора на энергетические характеристики и
надежность работы лазера
3.1. Особенности работы тиратронов в импульсно-периодических лазерах
3.1.1. Качественный анализ области устойчивой работы тиратронов
3.1.2. Устойчивость работы тиратрона при разогреве активной среды
3.1.3. Пробой тиратрона в закрытом состоянии
3.1.4. Восстановление электрической прочности тиратрона в послеразрядный период
3.1.5. Нестабильность срабатывания тиратронов относительно импульса запуска
3.1.5.1. Разброс фронта импульса тока анода от импульса к импульсу
3.1.5.2. Запаздывание тока анода
3.1.6. Отпирание тиратрона в импульсном режиме
3.1.6.1. Формирование импульса запуска тиратрона в виде “сеточного пика” '
3.1.6.2. Сокращение времени отпирания за счет увеличения крутизны тока сетки
3.2. Влияние коммутатора на эффективность накачки
3.2.1. Роль коммутатора. Анализ работы схем возбуждения ЛПМ
3.2.1.1. Анализ работы прямой схемы возбуждения с тиратроном
3.2.1.2. Анализ работы схемы возбуждения с частичным разрядом накопительного конденсатора
3.2.1.3. Анализ работы схемы Аркадьева - Маркса на тиратронах
3.3. Расчет надежности работы лазеров на самоограниченных переходах
3.4. Анализ надежности работы схемы с ударным контуром возбуждения
Выводы
Глава IV. Релаксация плотности электронов в послеслесвеченни разряда.
Формирование инверсии населенности на ИК переходах атомов щелочноземельных металлов
4.1. Роль шунтирующей индуктивности
4.2. Увеличение проводимости в ближнем послесвечении разряда
4.3. Влияние газовой температуры
4.4. Возбуждения водорода в ближнем послесвечении разряда
4.4.1. Прямое и диссоциативное возбуждение электронным ударом
4.4.2. Тушение возбужденных состояний атома меди водородом
4.4.3. Реакции обмена энергией между ионами меди и атомами активной среды
4.5. Механизм влияния добавок Нг на энергетические характеристики
4.5.1. Охлаждение электронов в послесвечении за счет упругих и неупругих столкновений
4.5.2. Обмен энергией между ионами меди и атомами водорода
4.6. Моделирование работы Си-лазера с добавками водорода
4.7. Формирование инверсии населенности на ИК переходах атомов щелочноземельных металлов
Выводы

Глава V. “Пробой” в концевых зонах газоразрядной трубки н его влияние на кинетику процессов в активной среде
5.1. Развитие разряда в импульсно-периодических лазерах на парах металлов..
5.2. О природе фантомных токов в активной среде лазеров на самоограниченных переходах атомов металлов
5.2.1. Моделирование процессов в разрядном контуре лазера
5.2.2. Результаты экспериментальных исследований
5.2.3. Обсуждение результатов
5.2.4. Анализ процессов в разрядном контуре лазера
5.2.5. Результаты экспериментальных исследований
5.2.6. Обсуждение результатов
5.3. Влияние контура накачки на кинетику процессов в активной среде
5.3.1. ГРТ с электродами, расположенными в горячей зоне разрядного канала..
5.3.2. ГРТ с электродами, расположенными в холодных буферных зонах
5.4. Усиление генерации вторым импульсом возбуждения
5.5. Оптимизация параметров накачки активной среды в импульсно-периодическом режиме возбуждения сдвоенными импульсами
4.6. Управление энергетическими характеристиками генерации и дифракционной расходимостью лазерного излучения
4.6.1. Режим формирования дифракционно - направленного пучка Си-лазера с управляемой формой и длительностью генерации
4.6.2. Эффективность накачки лазера на красителях Си-лазером в режиме управления импульсом генерации
Выводы
Глава VI. Влияние времени развития “пробоя в концевых зонах газоразрядной трубки на кинетику процессов в активной среде
6.1. Напряжение “пробоя” в промежутке “плазма - анод” ГРТ
6.2. Время развития “пробоя” промежутка “плазма - анод” и условия формирования анодного пятна
6.3. Условия формирования бегущей волны возбуждения
6.4. Эффективность лазера на парах стронция при накачке бегущей волной
6.5. Процесс “пробоя” промежутка “плазма - анод” ГРТ
6.6. Ионизационно-рекомбинационный режим работы Бг-лазера
6.7. Механизм формирования эффективной накачки активной среды лазера
6.8. Энергетические и пространственные характеристики Зг-лазера при изменении объема активной среды и ЧСИ возбуждения
6.9. Лазер на самоограниченных переходах гелия и стронция
Выводы
Приложение
П. 1.1. Тиратронные блоки возбуждения с повышенной коммутируемой мощностью
П. 1.1.1. Параллельное включение тиратронов в разрядном контуре лазера
П.1.1.2. Параллельно-последовательное включение тиратронов

значительно выше. В таблице 1.1 приведены данные расчета вкладываемой в разряд мощности У(], мощности лазерного излучения IVх и КПД - (р) для условий разряда (см. рис. 1.10).
Таблица 1.1.
Таким образом, на основе экспериментальных данных и модельных оценок показано, что значительное увеличение КПД лазера на парах меди при ограничении тока разряда достигается в результате снижения энергии, расходуемой
на возбуждение уровней выше 4р-уровней и на ионизацию рабочей среды. Вместе с тем
остается неизменной накачка на рабочие уровни. В таком режиме сохраняется однородность разряда и генерации, возможно существенное увеличение ЧСИ и удельной мощности генерации.
Проведенные экспериментальные исследования и анализ процессов для этих экспериментальных условий показал, что физический КПД может достигать уровня 10 % в случае, когда развитие тока за время действия импульса возбуждения носит апериодический характер {К/0 > 2р). Однако условие апериодического характера развития тока за время действия импульса возбуждения является, по-видимому, необходимым, но не достаточным условием эффективной накачки активной среды. Это подтверждается энергетическими характеристиками Си-лазсра при накачке активной среды в схеме с частичным разрядом накопительного конденсатора. Действительно, в лазере с частичным разрядом накопительного конденсатора генераторной лампой ГМИ29А-1, всегда можно выбрать величину емкости накопительного конденсатора, при которой будет выполняться условие Я^О > 2р, а также осуществлять обрыв энерговклада в активную среду после импульса генерации. При этом КПД лазера остается на уровне 1 %. Наблюдаемое существенное различие эффективности накачки активной среды в случае, когда развитие тока за время действия импульса возбуждения носит апериодический характер, может быть обусловлено различием в скоростях нарастания импульсов возбуждения. Это связано с тем, что электронная температура, определяющая скорости заселения лазерных уровней, отслеживает изменение напряжения на активной составляющей импеданса ГРТ [154]. Скорость нарастания напряжения на активной составляющей импеданса ГРТ определяется не только временем открывания коммутатора, но и параметрами разрядного контура и параметрами самой активной среды. Следовательно, условия эффективной накачки можно определить, установив связь между вышеперечисленными параметрами.
Проведенные исследования наглядно показали, что на формирование инверсии в активной среде лазера используется не более 10% энергии запасенной в накопительном конденсаторе, а ~ 90% энергии вкладывается в активную среду после импульса генерации, который определяет высокую степень ионизации активной среды за счет ступенчатых процессов. Подобная зависимость энерговклада в активную среду объясняется следующим. Время разряда накопительного конденсатора ~ КС, (Я - сопротивление разряда, С -емкость накопительного конденсатора), а сопротивление разряда изменяется в течение
Модельный разряд
Параметры Обычный с пониженным
Разряд энерговкладом
1Г/, Вт 330
1Уе, Вт 4 2,
р, % 1,2