WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


На правах рукописи

Панченко Алексей Николаевич

ЭФФЕКТИВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ВЫНУЖДЕННОГО И СПОНТАННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С НАКАЧКОЙ ОТ ИНДУКТИВНЫХ И ЕМКОСТНЫХ НАКОПИТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ

01.04.21 – лазерная физика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора физико–математических наук

Томск – 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки «Институт сильноточной электроники Сибирского отделения РАН» и в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники»

Научный консультант:

доктор физико–математических наук, профессор Тарасенко Виктор Федотович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Солдатов Анатолий Николаевич доктор физико-математических наук, профессор Ионин Андрей Алексеевич доктор физико-математических наук, профессор Синица Леонид Никифорович

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН», (г. Новосибирск).

Защита состоится «24» мая 2012 г. в 14 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.267.04 при ГОУ ВПО «Томский государственный университет» по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина, 36, ауд. 119.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Томского государственного университета по адресу 634050, Томск, пр. Ленина, 34 а.

Автореферат разослан «____» __________ 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.267.04. Б.Н. Пойзнер

Общая характеристика работы

. Диссертационная работа посвящена исследованию физических процессов в рабочих средах источников спонтанного и вынужденного излучения (эксиламп и лазеров) на основе газовых смесей различного состава при накачке самостоятельными электрическими разрядами, формируемыми источниками импульсного и постоянного напряжения, а также определению энергетических, спектральных и временных характеристик излучения данных источников. Основное внимание в работе уделено исследованию параметров спонтанного излучения молекул галогенидов благородных газов в тлеющем и барьерном разрядах, а также характеристик лазерного излучения, генерируемого в плазме поперечных объемных самостоятельных разрядов, формируемых импульсными генераторами на основе емкостных LC – генераторов и генераторов с индуктивными накопителями энергии и прерывателями тока (ГПТ) различных типов.



Актуальность работы. В настоящее время источники спонтанного (эксилампы) и вынужденного (лазеры) излучения находят широкое применение при проведении исследований взаимодействия излучения с веществом, многочисленных технологических приложениях, медицине, биологии, при синтезе новых материалов и модификации их свойств, фотостимулирования различных химических процессов, в фотобиологии, фотомедицине, т.д.1,2. Поэтому создание источников излучения, улучшение их рабочих параметров, поиск новых эффективных режимов работы данных источников является актуальной задачей, имеющей большое научное и практическое значение.

К началу настоящей работы было обнаружено излучение гетероядерных возбужденных молекул, состоящих из атома инертного газа и галогена или кислорода, которые были названы эксиплексами и положили начало развитию эксиплексных лазеров и эксиламп на молекулах галогенидов благородных газов (ГБГ)3. Интенсивная флуоресценция молекул RX* (R-атом инертного газа, X-атом галогена) впервые обнаружена при взаимодействии атома инертного газа в метастабильном состоянии 3P2 с галогеносодержащими молекулами4, 5 Первый экиплексный лазер был запущен на молекуле XeBr* в 1975 г6. Несколько позже была получена генерация и на молекулах XeF*, XeCl* и КrF*7, 8.

1. Oppenlnder T. Photochemical Purification of Water and Air. Weincheim: WILEY-VCH Verlag, 2003. 368 p.

2. Laser Ablation and its Applications / Ed. by С. Phipps. New-York: Springer Science+Business Media LLC, 2007. 588 p.

3. Birks J.B. The exciplex. N. Y.-San-Francisco-L.: Acad. Press, 1975. P.39-74.

4. Velazco, J.E., and Setser D.W. Bound - free emission spectra of diatomic xenon halides // J. Chem. Phys. – 1975.

– Vol.62. – No.5. – P.1990–1991.

5. Velazco J.E., and Setser D.W. Quenching studies of Xe 3P2 metastable atoms // IEEE J. Quant. Electron. – 1975.

– Vol.11. – No.8.–P.708–709.

6. Searles S.K., and Hart G.A. Stimulated emission at 281,8 nm from XeBr // Appl. Phys. Lett. – 1975. – Vol.27. – No.4. – P.243–245.

7. Ewing J.J., and Brau C.A. Laser action on the 2+1/2 - 2+1/2 bands of KrF and XeCl // Appl. Phys. Lett. – 1975. – Vol.27. – No. 6. – P.350–352.

8. Brau C.A., and Ewing J.J. 354 nm laser on XeF // Appl. Phys. Lett. – 1975. – Vol.27. – No.8. – P.435–437.

С этого времени также начались исследования, направленные на получение спонтанного ультрафиолетового или вакуумного ультрафиолетового излучения эксиплексных молекул. Было показано, что ряд эксимерных и эксиплексных сред, на которых не достигается порог лазерной генерации, пригодны для получения спонтанного излучения при различных условиях возбуждения. В ряде работ изучались излучательные характеристики импульсного тлеющего и поперечного объемного разрядов в смесях инертных газов и галогенов высокого давления. Получена люминесценция молекул ArO*, ArCl*, XeCl*, XeBr*, XeF* и XeI*9-12. Эффективность излучения в импульсных разрядах не превышала 1% из-за развития контракции объемного разряда.

Существенное повышение излучательных характеристик эксиламп на молекулах ГБГ было достигнуто при накачке тлеющим разрядом постоянного тока13. Максимальная эффективность свечения молекул XeCl* и KrCl* достигала 10% при мощности излучения около 10 Вт, однако исследования, направленные на дальнейшее увеличения кпд и мощности излучения эксиламп данного типа, не проводились. Сравнимые значения мощности и эффективности излучения имеют эксилампы барьерного разряда14,. Для возбуждения эксиламп данного типа используются относительно короткие импульсы, следующие с большой частотой. При этом возможность повышения пиковой мощности эксиламп барьерного разряда практически на исследовалась. Объемный поперечный разряда также используется для получения мощного спонтанного УФ- и ВУФ- излучения 12, 16. Однако приведенные в литературе параметры таких источников спонтанного излучения крайне низки. Тем не менее, повышение характеристик эксиламп, в которых активная излучающая среда формируется самостоятельными разрядами различных типов актуально в силу растущих потребностей в мощных и недорогих источниках УФ- и ВУФ- излучения в различных областях науки и техники, а улучшение параметров эксиламп требует дополнительных исследований.

Формирование и поддержание объемного поперечного самостоятельного разря9. Golde M. F., Thrush B. A. Vacuum UV emission from reactions of metastable inert gas atoms: Chemiluminescence of ArO and ArCl // Chem. Phys. Lett. - 1974. - Vol.29. - No.4. - P.486-489.

10. Brau C.A., Ewing J.J. Emission spectra of XeBr, XeCl, XeF and KrF // J. Chem. Phys. - 1975.- Vol.63. - No.11. - P.4640-4647.

11. Taylor R.S., Leopold K.E., Tan K.O. Continuous B-X Excimer fluorescence using direct current discharge excitation // Appl. Phys. Lett. - 1991. - Vol.59. - No.5. - P.525-527.

12. Шуаибов А.К., Шимон Л.Л., Дащенко А.И., Шевера И.В. Многоволновый электроразрядный излучатель на системе полос = 308nm XeCl(B-X), 258nm Cl2(D-A)/236nm XeCl(D-X)/222nm KrCl(B-X)/175nm ArCl(B-X)/160nm H2(B-X) // ЖТФ. – 2001. – T.71. – Bып.2. – C.77–81.

13. Головицкий А.П. Возможности создания эффективных ультрафиолетовых излучателей на основе непрерывного тлеющего разряда в смесях инертных газов и галогенов // Письма в ЖТФ. – 1992. – Т.18. – Вып.8.

– С.73–76.

14. Zhang J.Y., Boyd I.W. Efficient excimer ultraviolet sources from a dielectric barrier discharge in rare– gas/halogen mixtures // J. Appl. Phys. – 1996. – Vol.80. – No.2. – P.633–638.

15. Gellert B., and Kogelschatz U. Generation of excimer emission in dielectric barrier discharges // Appl. Phys. B.

–1991.–Vol.52.–No.1.–.14–21.

16. Шуаибов А.К., Миня А.И., Шимон Л.Л. Излучение плазмы поперечного разряда на смеси гелий– криптон–элегаз // ЖПС – 2002. – Т.69. – №6. – С.792–795.

да также весьма важно при создании эффективных импульсных газовых лазеров. В настоящее время для формирования самостоятельных разрядов и накачки импульсных электроразрядных лазеров широко используются генераторы, основанные на емкостных накопителях энергии (ЕНЭ) различных конструкций. Применение генераторов накачки с ЕНЭ на основе LC- контуров позволило создавать лазеры с высокой импульсной и средней мощностью излучения на переходах различных атомов и молекул17–25. Однако, при использовании LC- генераторов для создании мощных эффективных лазеров приходится решать ряд сложных проблем, связанных с повышением мощности накачки, формированием однородного объемного разряда и эффективной передачей в создаваемую активную среду энергии, запасенной в генераторе накачки.

При этом к электрической цепи генератора предъявляются жесткие и зачастую противоречивые требования: минимальная индуктивность разрядного контура; высокое напряжение на разрядном промежутке на стадии формирования разряда и значительно более низкое напряжение на стадии ввода основной энергии в разряд и т.п. Удовлетворение вышеприведенных требований, как правило, сопряжено с серьезными трудностями, которые приводят к заметному усложнению конструкции генератора с ЕНЭ. При этом накачка от генераторов с ЕНЭ не всегда позволяет реализовать эффективные режимы работы источников спонтанного и вынужденного излучения.

Также для ряда активных сред не определены условия возбуждения генераторами с ЕНЭ и составы газовых смесей, позволяющие достичь предельных эффективностей работы источников вынужденного излучения.

Вместе с тем уже достаточно давно известны методы генерации импульсов высокого напряжения с помощью генераторов с прерывателямит тока (ГПТ) различных типов и индуктивных накопителей энергии (ИНЭ)26. В этом случае определенная часть энергии из накопительной емкости передается в индуктивность цепи генератора, а затем при срабатывании прерывателя тока может быть использована для создания активной лазерной среды на основе объемного самостоятельного разряда. В генераторе накачки прерыватель выполняет (совместно с ИНЭ) функции усилителя мощности, умножителя напряжения, а также обострителя фронта импульсов тока и 17. Химические лазеры / Под ред. Н.Г. Басова. М.: Наука, 1982. 400 с.

18. Эксимерные лазеры / Под ред. Ч.Роудза. М.: Мир, 1981. 245 с.

19. Little C.E. Metal Vapour Lasers: Physics, Engineering & Applications. Chichester, UK, John Wiley & Sons Ltd., 1998. 620 р.

20. Газовые лазеры / Под ред. И. Мак-Даниеля и У.Нигена. М.: Мир, 1986. 548 с.

21. Веденов А.А. Физика электроразрядных СО2-лазеров. М.: Энергоатомиздат. 1982. 111 с.

22. Солдатов А.Н., Соломонов В.И. Газоразрядные лазеры на самоограниченных переходах в парах металлов. Новосибирск: Наука, 1985. 548 с.

23. Гудзенко Л.И., Яковленко С.И. Плазменные лазеры. М.: Атомиздат, 1978. 256 с.

24. Баранов В.Ю., Борисов В.М., Степанов Ю.Ю. Электроразрядные эксимерные лазеры на галогенидах инертных газов. М.: Энергоатомиздат, 1988. 216 с.

25. Месяц Г.А., Осипов В.В., Тарасенко В.Ф. Импульсные газовые лазеры. М.: Наука, 1991. 272 с.

26. Месяц Г.А. Генерирование мощных наносекундных импульсов. М.: Сов. Радио, 1974. 256 с.

мощности накачки. Таким образом, применение прерывателя тока позволяет использовать все потенциальные возможности LC- генератора накачки, а перечисленные свойства делают ГПТ важным инструментом при решении проблем, связанных с формированием объемного разряда и эффективной передачей энергии в активную среду, что в свою очередь может обеспечить эффективную лазерную генерацию в различных рабочих газовых смесях. Несмотря на перечисленные достоинства ИНЭ, к началу выполнения настоящей работы подробные исследование характеристик объемного разряда и лазерных параметров в рабочих газовых смесях высокого давления при накачке от ГПТ практически не проводились. Основной причиной этого являлось отсутствие простых и надежных прерывателей тока, способных работать в импульсно-периодическом режиме. Ситуация изменилась после открытия эффекта нс обрыва тока в промышленных силовых диодах типа СДЛ и КЦ и создания на основе этого эффекта специального прерывателя тока - SOS-диода (от англ.

Semiconductor Opening Switch). SOS-диоды компактны, способны выдерживать многократные перегрузки по току и напряжению, имеют большой срок службы. Поэтому возможности, которые открывает применение SOS-диодов делают ГПТ весьма привлекательными для возбуждении импульсных газовых лазеров.

Таким образом, к началу выполнения настоящей работы актуальными оставались следующие направления исследований и создания газоразрядных источников спонтанного и вынужденного излучения. Во-первых, исследование физических процессов в плазме самостоятельных разрядов с целью получения максимальных эффективностей газоразрядных источников спонтанного излучения с рабочими средами на основе смесей инертных газов с галогенами при использовании различных режимов возбуждения. Во-вторых, исследование параметров объемного самостоятельного разряда и вынужденного излучения в различных рабочих газовых смесях при накачке от LC- генераторов и поиск режимов возбуждения, в которых реализуются максимальные эффективности работы электроразрядных лазеров. В-третьих, широкие исследования режимов работы электроразрядных газовых лазеров с накачкой ГПТ с прерывателями тока различных типов, включая ранее не использовавшиеся для этой цели. В связи с этим тематика настоящей диссертационной работы, связанная с исследованием протекающих в различных газовых рабочих средах физических процессов, обеспечивающих достижение максимальных выходных параметров источников спонтанного и вынужденного излучения является актуальной.

Цель и задачи диссертационной работы. Целью работы было изучение физических процессов, протекающих в рабочих средах газоразрядных источников вынужденного и спонтанного излучения при их возбуждении самостоятельными разрядами различных типов для достижения максимальных эффективности, энергии, мощности и длительности импульсов генерируемого излучения. При этом основное внимание было уделено рабочим средам источников вынужденного излучения при формировании объемного самостоятельного разряда ГПТ и источников спонтанного на основе барьерного и тлеющих разрядов различных типов.

Достижение цели работы предполагало решение следующих задач:

1. Исследование эксиламп на молекулах XeF*, XeCl* и KrCl*, возбуждаемыми нормальным и поднормальным тлеющими разрядами, а также барьерным и поперечным разрядами, определение влияния частоты следования, формы и мощности импульсов возбуждения, а также состава рабочих газовых смесей на эффективность работы различных эксиламп.

2. Определение оптимальных условий возбуждения поперечным объемным разрядом с УФ- предыонизацией электроразрядных лазеров на молекулах KrCl* и HF (DF), при которых достигаются максимальные эффективности генерации лазерного излучения.

3. Проведение исследований работы плазменного прерывателя тока и генератора с ИНЭ и плазменным прерывателем, исследование накачки XeCl*, азотного лазеров и лазера на смеси, Ne-H2 данным ГПТ для определения возможности использования генераторов с ИНЭ для накачки импульсных газовых лазеров.

4. Определение параметров импульсов возбуждения, формируемых ГПТ с SOSдиодами, при которых достигается максимальная длительность существования объемной стадии разряда в рабочих газовых смесях эксиплексных XeF*, KrF* XeCl*-лазеров и в смесях гелия с фтором и трифторидом азота.

5. Экспериментальное и теоретическое исследование характеристик объемного разряда и параметров вынужденного излучения на молекулах ГБГ и N2 при различных режимах накачки рабочих газовых смесей ГПТ с SOS-диодами.

6. Исследование возможности получения новых эффективных режимов работы лазеров на молекулах азота, СО2, HF (DF) при формировании объемного самостоятельного разряда ГПТ на основе SOS-диодов.

Методы исследований. Основным методом исследований является физический эксперимент. Для определения характеристик разряда использовались стандартные методики измерения и регистрации осциллограмм импульсов тока разряда, напряжения на плазме объемного самостоятельного разряда, свечения разряда и стандартные методики оценки ошибок эксперимента. Для интерпретации полученных экспериментальных данных использовалось математическое моделирование работы ряда источников излучения на основе кинетических моделей, разработанных в лаборатории газовых лазеров и лаборатории теоретической физики Института сильноточной электроники СО РАН и оценочные расчеты.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1. В положительном столбе нормального и поднормального тлеющего разряда в смесях Xe(Kr):Cl2=(6–3):1 при давлении до р10 мм рт.ст. при добавках легких инертных газов (гелия и (или) неона) при содержании рНе добавки рG<рHe<3рG, где рG–парциальное давление хлора и возбуждении импульсами длительностью 10-5 с

2. При накачке смесей Xe(Kr):Cl2=(150–100):1 при давлении 100–200 мм рт.ст. объемным барьерным разрядом максимальная эффективность 8–10% свечения молекул XeCl* и KrCl* достигается при удельной энергии накачки 0,1–0,2 мДж/смв течение импульса возбуждения длительностью не более 500 нс. Увеличение энергии накачки с 0,2 мДж/см3 до 1 мДж/см3 приводит к уменьшению кпд эксиламп барьерного разряда с 8–10% до 3%, связанному с падением скорости образования эксиплексных молекул в гарпунной реакции из–за роста потерь возбужденных атомов инертного газа в процессе ступенчатой ионизации и ростом скорости тушения эксиплексных молекул в столкновениях с электронами.

3. При накачке активной среды, состоящей из Ne, Kr и HCl с соотношением компонентов Kr:HCl=(200–100):3 мм рт. ст. при давлении Ne 3–5 атм, объемным самоcтоятельным разрядом длительностью 40–120 нс в квазистационарной стадии разряда реализуется генерация на молекулах KrCl* с эффективностью 2–2,5% при удельных мощностях накачки Руд=2–7 МВт/см3.

4. В смесях SF6 с водородом и дейтерием в соотношении SF6:Н2(D2)=8:1 при давлениях смеси 20–50 мм рт.ст. достигаются предельные кпд генерации нецепных электроразрядных HF- и DF-лазеров до 7–10% при длительности импульса тока объемного самостоятельного разряда не более 100–150 нс и удельной энергии накачки 30–70 Дж/л, что связано с появлением каскадных переходов, увеличивающих количество лазерных линий в спектре выходного излучения лазера.

5. Использование высоковольтного предымпульса с временем нарастания ф=10–нс, обеспечивающего приведенную напряженность поля на лазерном промежутке не менее E/p=5 кВ/(см·атм), скорость нарастания тока разряда dI/dt=2–3 кА/нс и удельную мощность накачки не менее 1 МВт/см3, является условием формирования устойчивого объемного разряда в смесях Ne–Kr–F2, Ne–Xe–NF3 при соотношении компонент смеси Kr:F2=60:1,5 мм рт.ст, Xe:NF3=(6–3):1,5(0,5) мм рт.ст.

и в смесях He–F2(NF3) при содержании F2(NF3) 1,5–3 мм рт.с.т. и давлении буферного газа неона или гелия до 3 атм с длительностью до 150 нс. В этих условиях достигается лазерная генерация на В–Х переходах молекул KrF*, XeF* с эффективностью до 3% и реализуются максимальные мощность (до 400 кВт) и энергия (до 8 мДж) излучения на атомарных переходах фтора с длительностью импульса излучения до 150–200 нс.

6. В газовых смесях Ne–Xe–HCl при соотношении компонентов смеси Хе:НС1=(12–10):(1,2–1,0) мм рт.ст. и давлении буферного газа до 3 атм формируется устойчивый объемный разряд с полной длительностью до t=550 нс и реализуется эффективная генерация на молекулах XeCl* c энергией до Q=1,5 Дж, кпд 0=1,4% и длительностью лазерного импульса на полувысоте до t1/2=300 нс при использовании предымпульса, обеспечивающего на лазерном промежутке максимальное значение параметра не менее E/p=5 кВ/(см·атм), скорость нарастания тока разряда не менее 4 кА/нс и мощность накачки не менее 2 МВт/см3.

7. При возбуждении объемным поперечным разрядом смесей азота с добавками NF3 и SF6 при давлении азота р(N2)=30–60 мм рт.ст. и содержании добавки (0,1– 0,25)р(N2), максимальном значении параметра Е/р на лазерном промежутке не менее 200 В/(см·мм рт.ст.) и активной длине лазера l не менее 70 см реализуется режим работы азотного лазера на =337,1 нм с двумя пиками излучения в течение одного импульса накачки из-за увеличения напряжения горения объемного разряда за счет прилипания к электоотрицательным молекулам. При увеличении l до 90 см и Е/р до 300 В/см·мм рт.ст. достигается режим генерации прямоугольных импульсов на =337,1 нм с длительностью >50 нс при максимальной энергии и эффективности генерации азотного лазера, а дополнительная разгрузка уровня В3Пg вынужденными переходами на полосе В3Пg –A3u+ азота увеличивает длительность импульсов генерации на =337,1 нм до 100 нс.

8. При формировании объемного разряда в смесях Не:СО2:N2=3:1:1 атмосферного давления предымпульсами, обеспечивающими максимальное значение параметра Е/р на лазерном промежутке не менее 35 кВ/(см·атм) и скорость нарастания тока разряда не менее 2 кА/нс, реализуется режим накачки при оптимальном для заселения верхнего лазерного уровня СО2–лазера значении параметра Е/р<В/(cммм рт.ст.) и достигается мощная (до Q=6,2 Дж и Рлаз=45 МВт) эффективная (до int=20%) генерация на =10,6 мкм.

Достоверность результатов исследований обусловлена применением общепринятых методик измерения параметров электрических импульсов и характеристик лазерного и спонтанного излучения, использованием современной регистрационной аппаратуры и современных методик эксперимента, современных аналитических и численных методов; количественным совпадением экспериментальных данных с результатами модельных расчетов, согласованием полученных результатов с данными, полученными другими авторами в подобных условиях эксперимента11-25. Использованная в экспериментах аппаратура позволяла проводить измерения импульсов с временным разрешением не хуже 10 нс, максимальная относительная ошибка измерений энергии (мощности) излучения и кпд лазеров не превышала ±10% и ±15%, соответственно, относительная ошибка измерения мощности и кпд эксиламп составляла ±25%, спектральная полуширина аппаратной функции спектральных приборов не превышала 2,5 нм.

Научная новизна работы заключается в том, что:

1. Предложены рабочие среды газоразрядных источников спонтанного излучения с накачкой тлеющим разрядам, состоящие из смесей Xe–Cl2 и Kr–Cl2 с добавками Не и (или) Ne, в которых достигается увеличение эффективности спонтанного излучения молекул XeCl* и KrCl* по сравнению с ранее использовавшимися смесями. (Патент РФ №2089962. Опубл. 09.10.1997 г.);

2. Определены оптимальные для достижения максимальной эффективности работы KrCl*- и XeCl*- эксиламп тлеющего разряда формы импульса возбуждения, частота их следования и плотность тока разряда. Измерена эффективность свечения молекул XeCl* и KrCl* в положительном столбе тлеющего разряда. (Патент РФ №2089971. Опубл. 9.10.1997 г., Патент РФ №2096863. Опубл. 20.11.1997 г., United States Patent 6376972. Publ. 23.04.2002.);

3. Измерена эффективность свечения эксиплексных молекул в поднормальном тлеющем разряде в смесях инертных газов с хлором. Сделаны предположения о причинах высокого кпд свечения эксиплексных молекул в разряде данного типа.

Предложено использовать поднормальный тлеющий разряд для создания эффективных источников УФ-излучения.

4. Предложен механизм ограничения эффективности свечения молекул KrCl*, XeCl* в объемном барьерном разряде в смесях ксенона или криптона с хлором при повышении мощности возбуждения.

5. Определены условия возбуждения поперечным объемным разрядом смесей SF6 с водородосодержащими молекулами и дейтерием, обеспечивающие максимальные кпд работы нецепных HF- и DF- лазеров.

6. Определены условия, при которых достигаются максимальные скорости обрыва тока в эрозионной лазерной плазме, создаваемой импульсами XeCl*-лазера.

Предложено использовать плазменно-эрозионный прерыватель тока с лазерной плазмой в генераторе с индуктивным накопителем для накачки газовых лазеров.

7. Предложено использовать генераторы с прерывателями тока на основе полупроводниковых SOS- диодов для возбуждения двойным разрядом различных рабочих газовых смесей. Показано, что ГПТ повышает стабильность и длительность горения объемной стадии самостоятельного разряда в смесях инертных газов с НС1, NF3 и F2, в смесях N2–SF6 (NF3) и Не–СО2–N2 и увеличивает энергию излучения и длительность импульса генерации на В–Х переходах молекул XeF*, KrF*, ХеС1*, на переходах первой и второй положительных системах молекулы азота и атомарных переходах фтора.

8. Показано, что при накачке в смесей N2–SF6 (NF3) объемным самостоятельным разрядом значение параметра Е/р на лазерном промежутке в квазистационарной стадии за счет прилипания электронов к электроотрицательным молекулам достигает значений, достаточных для увеличения времени существования инверсии на переходе С3Пu–В3Пg молекулы азота.

9. Реализованы новые режимы генерации азотного лазера в смесях азота с SF6(NF3):

–с двумя пиками излучения в течение одного импульса накачки;

–режим генерации прямоугольных импульсов с большой длительностью;

–режим каскадной генерации, позволяющий увеличивать длительность лазерных импульсов на полосе С3Пu–В3Пg за счет разгрузки уровня В3Пg вынужденными переходами на полосе В3Пg–A3u+.

10. Найдены условия, при которых использование ГПТ расширяет диапазон длительностей импульса и удельной энергии накачки нецепных химических HF (DF)-лазеров, в котором реализуется эффективная генерация.

Научная ценность полученных в работе результатов состоит в том, что:

1. Сделано предположение о причине повышения кпд эксиламп тлеющего разряда в тройных смесях Не(Ne)–Xe(Kr)–HCl, связанное с увеличением коэффициента вторичной эмиссии для ионов Не+ и Ne+ по сравнению с ионами Xe+ и Kr+, что снижает катодное падение и увеличивает энерговклад в положительный столб тлеющего разряда.

2. Показано, что высокая скорость образованием эксиплексных молекул в гарпунных реакциях и низкая скорость их безызлучательной релаксации в плазме разряда является физической причиной высокой (до 15%) эффективности свечения эксиплексных молекул в положительном столбе нормального тлеющего разряда.

3. Определена оптимальная удельная энергия возбуждения барьерных эксиламп.

Показано, что причиной падения эффективности эксиламп барьерного разряда при увеличении удельной энергии накачки является падение скорости образования эксиплексных молекул и рост скорости их в столкновительного тушения.

4. Измерены энергетические параметры излучения молекул ArCl*, KrCl*, XeCl* в поперечном объемном самостоятельном разряде. На основе проведенных исследований и результатов других работ сделан вывод, что причиной низкой эффективности свечения молекул ArCl* может служить их предиссоциация.

5. Установлены оптимальные условия накачки KrCl*- лазера поперечным объемным разрядом и определен максимальный кпд генерации на молекулах KrCl*.

6. Показана возможность разгрузки нижнего уровня перехода С3Пu–В3Пg вынужде- нными переходами первой положительной системы азота В3Пg –A3u+,позволяю- щая увеличить длительность излучения на =337,1 нм до 100 нс при накачке смесей N2–SF6 объемным самостоятельным разрядом, формируемым ГПТ.

7. Определены условия и предложен механизм повышения устойчивости объемного разряда, формируемого ГПТ, в активных газовых смесях лазеров на эксиплексных молекулах.

Практическая значимость работы состоит в том, что:

1. Созданы KrCl*- и XeCl*-эксилампы с мощностью излучения до 500 Вт и кпд до 15%.

2. Созданы импульсные источники ВУФ- и УФ- спонтанного излучения с повышенной плотностью мощности излучения:





а) импульсные барьерные XeCl*- и KrCl*- эксилампы с энергией излучения до 25 мДж, пиковой мощностью излучения до 150 кВт при удельной мощности УФ- излучения на поверхности эксилампы до 100 Вт/см2 и кпд 10%.

б) эксилампы на молекулах XeCl*, KrCl*, ArCl* с накачкой поперечным объемным разрядом с плотностью мощности излучения до 2 кВт/см2 при энергии в импульсе до Q3 мДж. Данные источники излучения были использованы в компании INVAP (Аргентина).

3. Разработаны образцы электроразрядных эксиплексных и азотных лазеров, «ЛИДА-КТ», «ЛИДА-101», «ЛИДА-Т», «ФОТОН», «ДИЛАН» которые использовались для проведения исследований в различных научных учреждениях.

4. Созданы электроразрядные эксиплексные KrCl*-лазеры (=222 нм) с энергией излучения до Q=0,6 Дж и электрическим кпд до 0=0,8%.

5. Созданы электроразрядные азотные лазеры на смесях N2–SF6(NF3) с максимальными пиковой мощностью и энергией излучения на первой положительной системе азота (=869–1048 нм) и с макимальной длительностью импульса на =337,1 нм.

6. Созданы нецепные электроразрядные HF(DF)-лазеры с предельной эффективностью и энергией излучения до Q=4 Дж.

7. Создан электроразрядный XeCl*-лазер с длительностью импульса излучения на полувысоте до 300 нс при полной длительности импульса излучения 500 нс и плотности энергии излучения >150 мДж/см2 для использования в качестве задающего генератора в мощной лазерной системе, поставленной в Севернозападный институт ядерных технологий (СИЯТ, г. Сиань, КНР).

Сведения о внедрении результатов и предложения по их использованию.

При участии автора созданы и внедрены лазеры «ЛИДА-КТ», «ЛИДА-101», «ЛИДА-Т», «ФОТОН», «ДИЛАН», мощные импульсные эксилампы с возбуждением барьерным и поперечным разрядами, которые были переданы в научные и коммерческие организации, как в России, так и за рубежом. Лазеры серии «ЛИДА» были внедрены в Институте физики АН УССР, г. Киев (1986 г.), Институте физика АН БССР, г. Минск (1986 г.), Институте общей физики АН СССР, г. Москва (1990 г.), Сибирском физико-техническом институте (СФТИ), г. Томск (1989 г.). Лазеры «ФОТОН» внедрены в Физико-энергетическом институте, г. Обнинск (1991 г.), Институте сильноточной электроники СО АН (1990 г.), НИИ полупроводниковых приборов (НИИ ПП), г. Томск (1990 г.), Научно-исследовательском кабельном институте (НИКИ), г. Томск (1990 г.). Мощные импульсные XeCl*- и KrCl*-эксилампы были поставлены в компанию INVAP (Аргентина). Длинноимпульсный XeCl*-лазер был поставлен в Китай как задающий генератор в мощной лазерной системе. Акты внедрения и копии контрактов включены в Приложение к диссертации.

Полученные результаты могут быть использованы при создании электроразрядных лазеров на различных переходах атомов и молекул, мощных эффективных эксиламп непрерывного и импульсного действия, а также газоразрядных источников спонтанного излучения повышенной импульсной мощности, например, в СФТИ, Институте общей физики РАН, Томском государственном университете.

Реализация результатов работы. Диссертационная работа выполнялась в рамках госбюджетных НИР, проводившихся в Лаборатории оптических излучений (ЛОИ) ИСЭ СО РАН в период 1985–2011 гг., а также в ходе проведения ряда работ в области фундаментальных и прикладных исследований, поддержанных:

1. Проектами РФФИ: «Эффективное излучение эксиплексных молекул в электроразрядной плазме низкого давления», №96–02–16668–а (1996–1998 гг.); «Исследование и создание эффективных газоразрядных источников спонтанного излучения в ВУФ области спектра», №05–08–33621–а (2005–2007 гг.), №06–08– 01196–а «Комплексное исследование лазерной абляции твердых материалов при воздействии импульсами ИК и УФ излучения различной длительности: механизмы и пути управления» (2006–2008 гг.), №09–08–00880–а «Физикохимические механизмы формирования плазмы при импульсном лазерном пиролизе органических полимеров» (2008–2010 гг.), №10–08–00916–а «Поиск путей управления параметрами лазерного абляционного факела на жидкометаллической мишени» (2010–2012 гг.), №11–08–00427-а «Формирование микроструктур на поверхности жидких металлов при лазерной абляции» (2011–2012 гг.).

2. Проектами МНТЦ (ISTC): № 1270 (2001–2003 гг.), № 2706 (2004–2006 гг.), № 3583р (2007–2010 гг.).

3. Средствами по контрактам с зарубежными компаниями: INVAP, Аргентина (два контракта, 2004 г.); Всекитайская компания «Синь Ши Дай», Северо-западный институт ядерных технологий, КНР (два контракта, 1999-2001 гг.); компания Вe- ams Inc., Япония (один контракт, 2003 г.).

Личный вклад автора. В исследованиях, представленных в настоящей диссертационной работе, автору принадлежит выбор направлений исследований в рамках общего направления и постановка задач, анализ и интерпретация полученных результатов. Результаты исследований получены автором лично или при его определяющем участии. На различных этапах в работе принимали участие сотрудники ЛОИ ИСЭ СО РАН: М.И. Ломаев, Э.А. Соснин - при исследовании эксиламп тлеющего разрядов; А.Е.Тельминов, Е.Х. Бакшт–при проведении исследований электоразрядных лазеров с ГПТ. Моделирование эксиламп тлеющего разряда было выполнено А.М. Бойченко, С.И. Яковленко, А.Н. Ткачевым (Институт общей физики РАН, г.Москва). Разработка численных моделей экиплексных XeCl*- и KrF*- лазеров с накачкой от ГПТ и моделирование работы лазеров проведены А.Г. Ястремским, Ю.И.

Бычковым и С.А. Ямпольской (лаборатория газовых лазеров ИСЭ СО РАН). Моделирование работы азотного лазера на смесях с электроотрицательными газами проведено А.И. Сусловым (лаборатория теоретической физики ИСЭ СО РАН). Часть экспериментов проводилось с использованием широкоапертурного лазера, разработанного И.Н. Коноваловым (лаборатория газовых лазеров ИСЭ СО РАН). Решающее влияние на выбор общего направления исследований и возможность проведения большинства исследований, представленных в настоящей диссертационной работе, было оказано Заведующим лабораторией оптических излучений ИСЭ СО РАН В.Ф.

Тарасенко.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано более 100 работ, включая 55 публикаций в рецензируемых научных журналах из списка ВАК и патентов, из них один международный.

Апробация результатов работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях, совещаниях и симпозиумах:

Всесоюзном совещании «Инверсная населенность и генерация на переходах в атомах и молекулах» (г. Томск, Россия, 1986 г.); Nonlinear Optical Processes in Solids:

Icono'91 (Санкт-Петербург, Россия, 1991), Gas and Chemical Lasers (San Jose, California, USA, 1996 г.), LASERS`97 (New Orleans, Louisiana, 1997), LASERS`98 (Tucson, Arizona, USA, 1998 г.); LASERS`99; LASERS’2000 (Albuquerque, New Mexico, USA, 1999, 2000 гг.), Excimer Lasers, Optics, and Applications (San Jose, California, USA, 1997 г.), Gas and Chemical Lasers and Intense Beam Applications (San Jose, California, USA, 1998 г.), Laser Applications in Microelectronic and Optoelectronic Manufacturing III-V (San Jose, California, USA, 1998, 1999, 2000 гг.), High-Power Laser Ablation II– VII (Santa Fe, New Mexico, USA, 1998, 2000 гг., Taos, New Mexico, USA, 2002, 2004, 2006, 2008 гг.), Laser Beam Control and Applications (San Jose, California, USA, 20г.), 13th Inter. Symp. on Gas Flow and Chemical Lasers and High Power Laser Conf. (Florence, Italy, 2000 г.), Conf. on Lasers, Applications, and Technologies (LAT), (Minsk, Belarus, 2007 г., Kazan, Russia, 2010 г.), XIV, XV, XVIII Inter. Symp. on Gas Flow, Chemical Lasers, and High-Power Lasers (Wroclaw, Poland, 2002 г., Prague, Czech Republic, 20г., Sofia, Bulgaria, 2010 г.), I-X Международных конференциях «Импульсные лазеры на переходах атомов и молекул» (г.Томск, Россия, 1992, 1995, 1998, 1999, 2001, 2003, 2005, 2007, 2009, 2011 гг.); the 5th (2000 г.) and 7th (2004 г.) Russian-Chinese Symp. on Laser Physics and Laser Technologies (Tomsk, Russia); 13th-16th Inter. Symp.

on High Current Electronics (Tomsk, Russia, 2004, 2006, 2008, 2010 гг.); 13th Inter. Conf.

on Radiation Physics and Chemistry of Inorganic Materials (Tomsk, Russia, 2006 г.); 24th Summer School and Inter. Symp. on the Physics of Ionized Gases (Novi Sad, Serbia, 20г.), VI Inter. Symp. Laser Technologies and Lasers (Smolyan, Bulgaria, 2009 г.), 10th Inter. Conf. on Laser Ablation (COLA-2009) (г. Singapore, Singapore, 2009 г.), на IX и Х Харитоновских чтениях – международной конференция «Мощные лазеры и исследования физики высоких плотностей энергии», РФЯЦ-ВНИИЭФ (г. Саров, Россия, 2006, 2008 г.); XIII–XV Международных конференциях по методам аэрофизических исследований (г. Новосибирск, Россия, 2007, 2009, 2011 гг.), Int. Symp. on Laser Interaction with Matter (LIMIS) (Changchun, China, 2010 г.).

Структура и объем диссертации. Диссертация включает введение, 6 глав, заключение, Приложение, список литературы из 396 наименований, из них 74 - работы автора.

Объем диссертации составляет 353 страницы, включая 164 рисунка и 12 таблиц.

Краткое содержание работы Во Введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель, задачи работы, научная новизна, научная значимость и практическая значимость работы, приведены структура диссертации и защищаемые положения. Приводятся сведения об апробации, внедрении и практической реализации работы, демонстрируется место и значимость работы в решении крупной научно–технической задачи – исследовании и создании газоразрядных источников спонтанного и вынужденного излучения с рабочими средами на основе газовых смесей различных газов с галогенами.

Первая глава диссертации носит обзорный характер. В этой главе описаны условия формирования объемных разрядов, систематизируются результаты использования различных импульсных генераторов для накачки электроразрядных газовых лазеров и возбуждения эксиламп, рассматриваются основные принципы работы ГПТ. Рассмотрены особенности накачки различных лазеров при использовании ГПТ и показаны преимущества данных генераторов при создании эффективных источников излучения.

Во второй главе описаны конструкции разработанных и использовавшихся при проведении экспериментов источников лазерного и спонтанного излучения с накачкой от генераторов с емкостными накопителями энергии и ГПТ, приведены методики измерения различных характеристик самостоятельных разрядов, спектральных, энергетических и амплитудно-временных параметров лазерного и спонтанного излучения, анализируются источники ошибок и оцениваются погрешности измерений различных величин.

В третьей главе изложены результаты исследований характеристик эксиламп тлеющего разряда, мощных импульсных эксиламп c возбуждением барьерным и поперечным объемным разрядом [1, 2, 6, 25–31].

Исследования излучения тлеющего разряда в смесях инертных газов и галогенов низкого давления были начаты в 1994 г. в связи с перспективностью его использования в качестве эффективного источника спонтанного излучения в УФобласти. Изучались характеристики излучения в трубках цилиндрической и коаксиальной геометрии в широком диапазоне условий эксперимента. Типичные значения падения напряжения на цилиндрической разрядной трубке и тока разряда составляли 3–7 кВ и 10–100 мА при давлении смеси Xe(Kr)–Cl2 (NF3) до 30 мм рт.ст. Измерения показали, что падение напряжения в катодной области тлеющего разряда в рабочих смесях эксиламп составляет примерно половину полного напряжения на разрядной трубке, а интенсивность свечения эксиплексных молекул в данной области падает. Излучаемая мощность достигала 20 Вт при удельной мощности излучения Рсп = 1 Вт/cм3 и кпд на уровне 5–10% [25].

Проведенные оценки параметров плазмы тлеющего разряда [26, 27] показали, что при токе разряда Id=30–100 мА концентрация электронов составляет Ne~3·1010– 1011 см-3, а их температура Te5 эВ. Как обычно, в тлеющем разряде электроны перегреты, т.е. температура электронов в плазме больше того значения, которое соответствует в термодинамическом равновесии фактически имеющейся плотности электронов. Возбуждаемые электронными ударами атомы ксенона Хе*(3P2) уходят в гарпунную реакцию с галогеносодержащей молекулой X2 (RX):

Xe* + X2 (RX)RX* + X(R) (3.1) Для того чтобы гарпунный канал образования молекул ГБГ был основным, надо, чтобы плотность галогена была достаточно большой:

qg[Ng ]> kст Ne. (3.2) Здесь qg~10–10 см3/с - констнанта скорости гарпунной реакции (3.1) с хлором или трифторидом азота; [Ng] - плотность молекул галогена; kст~107 см3/с - константа скорости ступенчатой ионизации Хе*. Из приведенного условия следует, что для преобладания гарпунной реакции достаточно иметь сравнительно небольшую плотность молекул: [Ng]>1015 см–3. Эксперименты же показывают, что оптимальные плотности намного выше: [Ng]>3·1016 см-3. Это объясняется следующими двумя причинами. Во-первых, большая плотность молекул необходима для стабилизации разряда. Во-вторых, молекулы галогена разрушаются электронными ударами и лишь частично восстанавливаются в тройных столкновениях или столкновениях со стенкой. При этом концентрация молекул в разряде оказывается существенно меньше их начальной концентрации.

Оптимальная плотность молекул галогена ограничена сверху условием qТ[Ng]>A, где qТ ~10-10 см3/с - константа скорости тушения эксиплекса галогенидом;

А~108 с-1 - скорость радиационного распада эксиплексной молекулы. Поэтому тушение молекул ГБГ в столкновениях с молекулами X2(RX) в положительном столбе разряда будет незначительно при [Ng]<1018 см-3 и не превысит (dNXeCl*/dt)Т1017 см-3с-1.

Оценим скорость образования эксиплексных молекул в гарпунной реакции (3.1) при максимальном токе разряда [31]. Концентрацию метастабилей инертного газа в тлеющем разряде постоянного тока NXе* можно оценить из соотношения NХе* = qBNXe Ne / qgNCl2 ~ 51010 cм-3, (3.3) где qB –константа скорости возбуждения атома ксенона электронным ударом, NCl2концентрация хдора. Отсюда для условий нашего эксперимента скорость образования молекул XeCl* в гарпунной реакции с хлором составит:

dNXeCl*/dt = qgNХe* NСl2 ~ 1018 см-3·с-1, (3.4) что на три порядка больше скорости ион-ионной рекомбинации при типичном значении константе скорости рекомбинации qR~10-6–10-7 см3·с-d[XeCl*] = qR[Xe+ ][Ne ] =1015 -1016 см-3·с-1.

(3.5) dt Максимальная удельная мощность излучения XeCl*-эксилампы в наших экспериментах достигала 1 Вт/cм3, что соответствует высвечиванию в 1 cм3 в 1 с примерно 1018 молекул XeCl*. Совпадение скоростей рождения (3.4) и высвечивания эксиплексных молекул указывает на низкую скорость их безызлучательного распада.

Соответственно, высокая эффективность эксиламп с накачкой тлеющим разрядом определяется эффективным образования молекул XeCl* и KrCl* в гарпунной реакции с Сl2 (3.1) и малой скоростью их распада в реакциях тушения при столкновениях с электронами и молекулами галогена в положительном столбе тлеющего разряда.

При исследовании параметров излучения тлеющего разряда было обнаружено заметное влияние характера протекания тока разряда на рабочие параметры эксиламп.

Максимальные мощности и эффективности излучения эксиплексных молекул получены при использовании для питания тлеющего разряда однополярных импульсов напряжения с длительностью 10-5 с

Другим важным параметром, влияющим на эффективность работы эксиламп тлеющего разряда, является состав рабочей смеси. Добавки гелия или неона PHe в бинарные смеси ксенона или криптона с хлором в соотношении PG

Это приведет к росту энерговклада в положительный столб тлеющего разряда и, соответственно, увеличит эффективность работы эксилампы. В оптимальных условиях получена мощность излучения на 222 и 308 нм до 80–90 Вт при удельной энергии излучения более 100 Вт/м и максимальном кпд до =12% (рис.1). Максимальная мощность излучения достигала 500 Вт при параллельной работе трех разрядных трубок.

, % С учетом того, что в цилиндрических P, Вт эксилампах при длине трубки l=40 см примерно половина мощности, вкладываемой 8 в газ, поглощается прикатодной области, эффективность свечения эксиплексных молекул в положительном столбе тлеющего разряда может достигать 15–20% в за0 50 100 150 2Id, мА Рис.1. Зависимости средней мощности излучевисимости от длины разрядной трубки.

ния и кпд XeCl* эксилампы тлеющего разряда Близкие значения эффективности свечения для смесей Хе:С12= 3:1 (1) и He:Xe:Cl2=1:3:эксиплексных молекул в положительном (2), He:Xe:Cl2=3:3:1 (2), р=3 мм рт.ст., трубка с столбе тлеющего разряда получены в28 при l=80 см расчете параметров излучения эксиламп с использованием полной модели кинетических процессов в плазме тлеющего разряда.

Высокие кпд XeCl*- и KrCl*- эксиламп достигались и при их накачке поднормальным тлеющим разрядом в смесях Xe(Kr)–Cl2. При этом мощность излучения достигала 7 Вт, что соответствует удельной мощности из- лучения 50 мВт/см3. Как и в случае нормального тлеющего разряда небольшие добавки Не и (или) Ne увеличивали эффективность работы эксилампы на 15–20% (рис.2) [29]. В поднормальном тлеющем разряде проводимость положительного столба мала, что приводит к относительно меньшему падению напряжения в прикатодной области по сравнению с нормальным тлеющим разрядом. Кроме того, в поднормальном разряде поток электронов с катода может частично обеспечиваться за счет фотоэмиссии под действием УФ-излучения самого разряда, что также приводит к относительному уменьшению прикатодного падения напряжения.

Оценим ток фотоэмиссии с катода. При мощности излучения 7 Вт на 1 см2 като- да за 1 с попадет п=1016 фотонов. Плотность фототока jф=епк(2/т)1/2, где т и е – масса и заряд электрона, при характерном для большинства металлов квантовом вы27. Грановский В.А. Электрический ток в газе. Установившийся ток. М.: Наука, 1971. 543 с, на с.310-313.

28. Boichenko A.M., and Yakovlenko S.I. Simulation of KrCl(222 nm) and XeCl(308 nm) excimer lamps with Kr/HCl(Cl2) and Xe/HCl(Cl2) binary and Ne/Kr/Cl2) ternary mixtures excited by glow discharge // Laser Physics. – 2004. – Vol.1. – No.2. – P.1–14.

ходе электронов к~10-4 и средней энергии фотоэлектрона =1 эВ29 составит jф =(0,2– 0,3)j, где j- плотность тока поднормального тлеющего разряда. То есть в условиях на шего эксперимента эмиссия с катода может обеспечиваться на 20–30% за счет УФиз лучения из разрядной области.

P222, Вт , % 8 В ходе работ были разработаны мощные барьерные XeCl*- и KrCl*- эксилампы с пи- 6 ковой мощностью излучения до 150 кВт, 4 энергии излучения до 25 мДж и эффективно2 сти относительно вложенной энергии 10% 0 0 1 2 3 4 I, мА [58]. При этом наблюдалось равномерное без Рис.2. Зависимости мощности и эффективфиламентов свечение барьерного разряда.

ности излучения поднормального тлеющего Определена оптимальная мощность возбужразряда на 222 нм. Смесь Не:Кr:С12=1:40:1, р=6 мм рт.ст.

дения эксилампы объемным барьерным разрядом, которая составляет 0,1–0,2 мДж/см3. Дальнейшее увеличение вкладываемой энергии приводит к быстрому падению эффективности эксилампы за счет роста скорости безызлучательной релаксации эксиплексных молекул в плазме барьерного разряда. Для подтверждения данного предположения этого проведем следующие оценки для XeCl*- эксилампы. При увеличении мощности накачки растет концентрация электронов, что приводит к росту скоростей ступенчатой ионизации Xe*:

dn(Xe*)/dt=qстn(Xe*)Nе, (3.6) и тушения молекул XeCl* электронами:

dn(XeCl*)/dt=qen(XeCl*)Ne, (3.7) где qe–константа скорости тушения. Поэтому с ростом тока разряда будут расти потери Хе* через реакцию (3.6) и потери рабочих молекул XeCl* через процесс (3.7), а эффективность работы эксилампы будет падать. Подобный механизм снижения эффективности образования эксиплексных молекул в отдельном филаменте барьерного разряда при росте степени ионизации газа обсуждался в30 при моделировании работы барьерных эксиламп. Для значений констант скоростей соответствующих реакций, характерных для условий объемного барьерного разряда, скорости процессов (3.4) и (3.6) станут близкими, а процесс (3.7) станет заметным (qе[Nе]A) уже при концентрации электронов Ne~1013–1014cм-3. Оценка концентрации электронов в объемном барьерном разряде дает Nе>1013 см-3 уже при удельной энергии накачки 0,5 мДж/см3.

Проведены исследования параметров излучения импульсных объемных поперечных разрядов в смесях инертных газов с хлористым водородом. Показано, что в 29. Таблицы физических величин / Под ред. И.К. Кикоина. М.: Атомиздат, 1976. 1008 с.

30. Boichenko A.M., Skakun V.S., Sosnin E.A., Tarasenko V.F., and Yakovlenko S.I. Emission efficiency of exciplex and excimer molecules pumped by a barrier discharge // Laser Physics. – 2000. – Vol.10. – No.2. – P.540–552.

объемном разряде в смеси Ne–Ar–HCl эффективно образуются и излучают молекулы ArCl*, а такой разряд является источником мощного ВУФ излучения. Полная энергия (0,6 мДж) и пиковая мощность (0,4 кВт/см2) ВУФ излучения на =175 нм может достигать 25% от соответствующих характеристик излучения объемных разрядов в смесях Ne–Xe(Kr)–HCl на =222 и 308 нм [50–51].

В четвертой главе приведены результаты экспериментов по управлению параметрами излучения XeCl*- лазеров [20], реализованы эффективные режимы работы электроразрядных KrCl*- и нецепных HF(DF)- лазеров на смесях SF6 с водородосодержащими молекулами и дейтерием при накачке различными LC-генераторами.

Cистематизированы результаты исследований выходных характеристик электроразрядных лазеров «ЛИДА», «ФОТОН» и «ДИЛАН» на молекулах XeCl* (=308 нм).

Проведен анализ влияния параметров генератора накачки и оптического резонатора на энергию и длительность лазерного импульса, а также на расходимость излучения электроразрядных XeCl*-лазеров. Получена энергия излучения на =308 нм более Дж при электрическом кпд (относительно запасенной энергии) лазеров до 0=3% [12, 14, 21–23]. Показано, что расходимость выходного лазерного пучка определяется совместным действием двух факторов: соотношением между временем формирования основной моды и длительностью импульса и равномерностью распределения в разрядном объеме частиц, поглощающих лазерное излучение. Реализован режим, в котором 50% энергии излучения содержится в керне с углом при вершине менее 0,3 мрад.

Исследованы амплитудно-временные характеристики электроразрядного электроразрядного KrCl*- лазера. В ходе экспериментов исследовались параметры генерации на =222 нм в смесях Ne (He, Ar)–Kr–НС1 при накачке быстрым разрядом (лазеры «ДИЛАН» и «ФОТОН-1, 2»), так при квазистационарной накачке с длительностью импульса тока разряда 40–100 нс (лазеры «ФОТОН-2» и «ЛИДА»). Сравнение амплитудных и временных характеристик накачки и генерации KrCl* и XeCl*- лазеров при одинаковых условии накачки позволило лучше понять особенности генерации на молекулах KrCl*. Определены условия накачки объемным самостоятельным разрядом, в которых реализуются максимальные эффективности генерации на =2нм и достигаются увеличение кпд, энергии и длительности импульса генерации электроразрядного KrCl*-лазера [13, 16, 24, 36]. Полученные результаты иллюстрирует рис.3. Максимальный кпд лазера на молекулах KrCl* относительно мощности накачки (Р=2–2,5%) достигается при возбуждении смесей Ne–Kr–HCl объемным разрядом при удельной мощности накачки Руд=2–7 МВт/см3. В данных условиях получена мощная (до 16 МВт) эффективная (0=0,8%)генерация на =222 нм. Отсюда следует, что максимальный кпд KrCl*-лазера при накачке двойным разрядом может достигать 0=2,5%. Однако полученные при использовании двойного разряда значе, % ния эффективности были в 3–5 раз меньше изP 2,за недостаточной мощности накачки. В усло2,виях нашего эксперимента кпд KrCl*- лазера 1,был ограничен из-за рассогласования импедан1,сов, неоптимального резонатора и потерях в 0,элементах генераторов накачки. При использо0,11 Р, МВт/смуд вание коммутатора и конденсаторов с низкими Рис.3. Зависимость кпд электроразрядно-го потерями и повышении коэффициента обратKrCl*–лазера относительно мощности наной связи резонатора удалось увеличить эфкачки от удельной мощности накачки фективность генерации на =222 нм до 0=1%31. При этом измеренная в данной работе оптимальная удельная мощность накачки (Руд=5 МВт/см3) попадала в определенный нами диапазон.

Практический интерес к химическим лазерам объясняется тем, что в процессе многих экзотермических цепных реакций выделяется значительная энергия на единицу массы прореагировавшего вещества, что обеспечивает высокие энергетические характеристики лазеров данного типа. Тем не менее, к началу настоящей работы параметры импульса накачки, обеспечивающие максимальный кпд электроразрядных HF и DF-лазеров не были определены. В настоящей работе реализованы эффективные режимы работы электроразрядных нецепных лазеров в смесях SF6 c H2, C2H6, C5H12, D2 с предельными кпд [3, 5, 42–46, 49]. Показано, что максимальные эффективности электроразрядных HF и DF–лазеров достигаются при следующих условиях:

1. Однородность электрического поля в разрядном промежутке лазера. При работе лазера с электродами, не обеспечивающими однородное поле в лазерном промежутке, время горения объемной стадии разряда не превышает 100 нс. При этом кпд лазера был ниже 1% даже в смесях с пентаном при неизменной удельной энергии накачки. В этих условиях на интегральных фотографиях разряда были видны многочисленные искровые каналы, на фоне которых свечение объемного разряда практически не заметно. При работе с профилированными электродами в лазерном промежутке наблюдался объемный разряд с множеством ярких катодных пятен.

2. Подсветка лазерного промежутка. Отключение подсветки приводит к падению энергии лазерного излучения, которое при повышении давления рабочих газовых смесей достигает 1,5–2 раз. Следует отметить, что роль подсветки при формировании разряда в смесях с SF6 на данный момент не совсем понятна. Длина пробега фотонов в SF6 с длиной волны 100–150 нм, способных производить предыонизацию газа в лазерном промежутке, не превышает нескольких мм32. Согласно33 под31. Ражев А.М., Жупиков А.А. Исследование влияния удельной мощности накачки на энергию излучения и кпд эксимерного газоразрядного KrCl-лазера (223 нм) // Квант. электрон. – 2008. – T.38. – №11. – С.1005–1008.

32. Brink D.J., and Hasson V. Compact megawatt helium-free TEA HF/DF lasers // J. Phys. E. – 1980. – Vol.13. – No.5. – P.553-556.

светка УФ-излучением не может обеспечить предыонизацию рабочей смеси в активном объеме. Роль подсветки может сводиться к стабилизации времени запаздывания пробоя. Однако, объемная предыонизация смесей с SF6 рентгеновским излучением однозначно повышает параметры генерации HF лазера 34. В наших экспериментах [56] обнаружено, что в искровых промежутках возникает рентгеновское излучение с энергией кванта около 5 кэВ, которое может влиять на формирование объемного разряда и энергию генерации. При наличии рентгеновского излучения энергия генерации HF(DF)-лазеров возрастала на 30%.

3. Длительность импульса тока разряда. Энергия излучения в смеси SF6–Hснижалась в два раза при увеличении длительности протекания тока в лазерном промежутке с 100 до 250 нс и сопровождалось появлением в разрядном промежутке искровых каналов. При длительности накачки более 200 нс смеси с углеводородами становились более эффективными, чем смеси с водородом.

4. Состав рабочей смеси. Сравнение энергии генерации в смесях с водородом и углеводородами показало, что при отключении подсветки, нарушении однородности электрического поля в разрядном промежутке, увеличении длительности импульса накачки и (или) увеличении вложенной в активную среду энергии в активном объеме появляются искровые каналы, а параметры нецепного лазера выше в смесях с углеводородами. Однако, в смесях с углеводородами растут столкновительные потери возбужденных молекул HF*()34 и падает скорость наработки атомарного фтора в активном объеме лазера35. Поэтому при оптимальных условиях формирования объемного разряда максимальные кпд нецепных HF и DF-лазеров достигались в смесях с водородом или дейтерием.

5. Удельный энерговклад. Влияние удельного энерговклада на характер горения объемного разряда в смесях нецепных HF и DF-лазеров показано на рис.4.

Вкладываемая в активную среду энергия EВЛ изменялась за счет увеличения накопительной емкости С0 и изменения ее зарядного напряжения U0. Длительность возбуждения при С0=13–70 нФ не превышала 150 нс. При EВЛ=30 Дж/л в лазерном промежутке наблюдалось однородное свечение объемного разряда, который замыкался на множество ярких катодных пятен небольшого размера. По мере увеличения вложенной энергии однородное свечение разряда в активном объеме сохраняется, но постепенно возрастает яркость и размеры катодных пятен, затем при EВЛ>70 Дж/л с катод33. Аполлонов В.В., Белевцев А.А., Казанцев С.Ю., Сайфулин А.В., Фирсов К.Н. Самоинициирующийся объемный разряд в нецепных HF-лазерах на смесях SF6 с углеводородами // Квант. электрон. – 2000. – Т.30.– №3. – С.207–214.

34. Anderson N., Bearpark T., Scott S.J. An X-ray preionised self sustained discharge HF/DF laser // Appl. Phys.

B. – 1996. – Vol.63. – No.6. – P.565–573.

35. Richeboeuf L., Pasquiers S., Legentil M., and Puech V. The influence of H2 and C2H6 molecules on discharge equilibrium and F-atom production in a phototriggered HF laser using SF6 // J. Phys. D. – 1998. – Vol.31. – No.4. – P.373–389.

ных пятен начинают развиваться искровые каналы.

Наконец, при EВЛ>100 Дж/л каналы полностью перемыкают разрядный промежуток. Подобное влияние энерговклада на характер горения объемного разряда С0=13 нФ, 30 Дж/л 26 нФ, 50 Дж/л 39 нФ, 60 Дж/л наблюдалось и в смесях элегаза с дейтерием.

При C0=13 нФ и EВЛ=Дж/л максимальный кпд HFлазера достигал 0=6% при энергии излучения Q=0,Дж. В смеси SF6–D2 кпд генерации на молекулах DF 39 нФ, 70 Дж/л 70 нФ, 100 Дж/л 260 нФ, 200 Дж/л был равен 0=4,5%. При Риc.4. Интегральные фотографии разряда в рабочей смеси этом внутренний кпд (отноSF6:H2=24:3 мм рт.ст при различных С0 и удельных энерговкладах ЕВЛ сительно вложенной в активную среду энергии) составил int=10% для HF–лазера и int=7,5% для DF-лазера.

При увеличении накопительной емкости до C0=26 нФ энергия излучения возрастала до Q=1 Дж при неизменной эффективности генерации 0=6% на молекулах HF.

кпд DF–лазера увеличивался и достигал 0=5%. Однако, при максимальных зарядных напряжениях накопительной емкости int HF-лазера начинал снижаться. При С0=39 нФ и EВЛ70 Дж/л энергия излучения возросла до Q=1,4 Дж, что соответствует удельной энергии генерации Qуд6 Дж/л, но int был не выше 7–8%. При этом кпд не превышал 0=5,8% и уменьшался с ростом вложенной энергии. Отсюда следует, что величина удельной энергии накачки 70 Дж/л уже несколько выше оптимального значения. Для проверки этого предположения была изменена форма электродов разрядного промежутка, что позволило расширить область горения объемного разряда и, соответственно, уменьшить удельный энерговклад. За счет увеличения ширины разряда при прочих равных условиях кпд HF-лазера достигал 0=6,4%, что является максимальным значением для электроразрядных нецепных лазеров, а энергия излучения составила Q=1,55 Дж.

Дальнейшее увеличение EВЛ до 100 Дж/л привело к более заметному падению кпд генерации нецепных лазеров, что, как видно из рис.4, связано с развитием неоднородностей объемного разряда. При этом смеси с пентаном и с добавками пентана к водороду становились более эффективными. Максимальная энергия излучения в смеси SF6:H2:C5H12=48:3:1 мм рт.ст. составила Q=2 Дж при 0=4,5%. В данных условиях экспериментаint был менее 7%.

При C0=260 нФ длительность импульса тока разряда возросла до td250 нс при EВЛ=150 Дж/л. В этих условиях накачки максимальная энергия излучения на молекулах HF достигалась в смесях с этаном и пентаном и не превышала Q=2,5 Дж при максимальном 0=2,5% и удельной энергии генерации до Qуд=8 Дж/л, а кпд HF-лазера падал до int=5–6%.

Результаты наших экспериментов обобщает рис.5. Максимальный кпд int=9– 10% наблюдался при удельной энергии накачки EВЛ=30–70 Дж/л, что соответствует удельной энергии излучения Qуд=3–7 Дж/л. Близкие зависимости кпд HF-лазера от удельной энергии накачки наблюдались в36,37 при значениях 0, меньших в 2–3 раза.

13 нФ, 13.5 мм рт.ст.

Полученные результаты позволяют сформуint, % 13 нФ, 27 мм рт.ст.

13 нФ, 40.5 мм рт.ст.

лировать условия накачки нецепных химиче 26 нФ, 27 мм рт.ст.

26 нФ, 40,5 мм рт.ст.

ских лазеров объемным самостоятельным раз9 39 нФ, 40,5 мм рт.ст.

70 нФ, 40,5 мм рт.ст.

рядом, обеспечивающие максимальные кпд ге8 70 нФ, 54 мм рт.ст.

70 нФ, 67 мм рт.ст.

нерации. Электрический и внутренний кпд не7 260 нФ, 54 мм рт.ст цепных электроразрядных HF(DF)- лазеров достигают 0=5–6,4% и int=8–10% при формиро- EВЛ, Дж/л вании однородного объемного разряда в смесях 0 20 40 60 80 100 120 140 1SF6 с Н2 (D2), длительности импульса тока разРис.5. Зависимости внутреннего int кпд ряда не более td=100–150 нс и удельной энергии HF-лазера от удельной вложенной энернакачки EВЛ=30–70 Дж/л. При увеличении дли- гии ЕВЛ для С0=13–260 нФ и различных давлений смеси состава SF6 : H2 = 8:тельности накачки и вложенной энергии начинается развитие искровых каналов в лазерном промежутке. В результате рост энергии генерации замедляется, а кпд электроразрядных HF(DF)- лазеров быстро падает.

Поэтому дальнейшее улучшение лазерных параметров при накачке смесей SF6–H(C2H6) было достигнуто при использовании ГПТ. Результаты исследований параметров нецепных HF(DF) лазеров с накачкой различными ГПТ приведены в главе 6.

Обнаружено, что спектры нецепных лазеров в эффективном режиме генерации достаточно сильно отличались от результатов, полученных в других работах. Например, HF-лазер при удельном энерговкладе ЕВЛ=40 Дж/л и 0=6% работает на линии. Максимальную интенсивность имели линии колебательного перехода (1-0) (Р1 линии). Сначала генерация начиналась на Р2 линиях, затем через 20–40 нс появ36. Richeboeuf L., Pasquiers S., Doussiet F., Legentil M., Postel C., and Puech V. Dynamics and correlated performance of a photo-triggered discharge-pumped HF laser using SF6 with hydrogen or ethane // Appl. Phys. B. – 1999. – Vol.68. – No.1. – P.45–53.

37. Lacour B., Pasquiers S., Postel C., and Puech V. Importance of pre-ionisation for the non-chain dischargepumped HF laser // Appl. Phys. B. – 2001. – Vol.72. – No.3. – P.289–299.

лялись Р1 и Р3 линии. Затем генерация продолжается одновременно на всех колебательно-вращательных переходах. Многочастотный импульс генерации имеет один ярко выраженный пик, после которого наблюдается экспоненциальный спад интенсивности излучения длительностью 1,5 мкс при длительности импульса на полувысоте 300 нс. В случае DF-лазера импульс излучения имеет близкую форму, а его полная длительность больше примерно на 0,5 мкс.

Распределение энергии генерации по колебательным переходам молекулы HF имело вид Q(P1):Q(P2):Q(P3)=8:3:1. При этом более 60% энергии излучалось на двух линиях Р1(7) и Р1(8). Полученное распределение заметно отличается от обычного, когда максимальная энергия излучается на Р2. линиях17, 20, 32. Изменение распределения энергии связано с появлением в спектре излучения HF-лазера интенсивных каскадных переходов. Данные переходы увеличивают эффективность извлечения энергии из активной среды нецепного химического лазера, поскольку одна возбужденная молекула HF может произвести до трех фотонов. При неоптимальных условиях накачки каскадные переходы не наблюдаются, поскольку неоднородности объемного разряда уменьшают эффективную активную длину лазера, что ведет к увеличению времени запаздывания появления импульсов генерации на отдельных линиях.

Оценим максимально возможный кпд нецепного электроразрядного HF-лазера int(max). На образование атома фтора в объемном разряде требуется ЕF=4–5 эВ 38,39.

Энергия лазерного фотона составляет Еh 0,43 эВ. Далее с учетом каскадных процессов один атом фтора может в среднем произвести два кванта излучения40, и при эффективности использования атомов фтора 50%41 максимальный кпд составит int(max)=9–10%. Легко видеть, что полученная в наших экспериментах максимальная эффективность HF-лазера int(max)=Еh./ЕF 10% близка к предельно возможной. Для DF-лазера Еh 0,3 эВ и int(max)6–7%.

Пятая глава посвящена исследованию параметров лазеров УФ- и видимого диапазонов при накачке от генераторов с прерывателями тока различных типов.

На первом этапе исследований были проведены модельные эксперименты по накачке лазеров от ГПТ с плазменно-эрозионным прерывателем тока (ПЭПТ) [17–19].

Для создания плазмы использовалось лазерное излучение. Определены максимальные скорости обрыва тока dI/dt в прерывателе данного типа [15, 18]. Скорость обры38. Гордон Е.Б., Матюшенко В.И., Репин П.Б. Энергетическая цена образования атома фтора в импульсном электрическом разряде в молекулярных газах // Химическая физика. – 1989. – Т.8. – №9. – С.1212–1218.

39. Белевцев А.А., Казанцев С.Ю., Конов И.Г., Лебедев А.А., Подлесных С.В., Фирсов К.Н. К вопросу об устойчивости объёмного самостоятельного разряда в рабочих смесях нецепного электрохимического HFлазера // Квант. электрон. – 2011. – Т.41. – №8. – С.703–708.

40. Ben-Shaul A., Feliks S., Kafri O. Time evolution of the pulsed HF chemical laser system. I. Kinetic modeling - rotational non-equilibrium // Chem. Phys. – 1979. – Vol.36. – No.3. – P.291–305.

41. Voignier F., and Gastaud M. Improved performance of a double discharge initiated pulsed HF chemical laser // Appl. Phys. Lett. – 1974. – Vol.25 – No.11. – P.649–650.

ва тока определяет амплитуду предымпульса U=L0dI/dt, генерируемого индуктивным накопителем, от которой, в свою очередь, зависят условия формирования объемного разряда в рабочих смесях газовых лазеров. плазмы. Было показано, что максимальные dI/dt в ПЭПТ наблюдаются при использовании плазмы элементов с малым атомным весом, а именно, лития, бериллия и бора.

Впервые получена лазерная генерация в различных газовых смесях при их возбуждении самостоятельным разрядом от ГПТ с ПЭПТ. Показано, что ГПТ позволяют менять в широких пределах параметры импульса накачки и реализовать оптимальные условия накачки газовых лазеров различных типов: азтотного лазера, эксиплексного XeCl*-лазера, плазменного лазера на смеси Ne–H2.

Возможность управления режимами накачки при использовании ГПТ наиболее полно проявилась при переходе на полупроводниковые прерыватели тока и лазерам с накачкой поперечным разрядом при активном объеме до 1 л. Это позволило реализовать высокие, а в ряде смесей и максимальные параметры генерации и получить новые режимы работы ряда лазеров. Проведены подробные экспериментальные исследования различных лазеров с накачкой ГПТ, а также моделирование работы ряда лазеров, показывающие преимущества использования ГПТ [4, 32–34, 39, 41, 48–49, 52–57, 59–62]. Самосогласованные модели электроразрядных KrF*- и XeCl*- лазеров разработаны в рамках приближения локального электрического поля и включает уравнение Больцмана для электронов, систему балансных уравнений для концентраций частиц плазмы и уравнения электрической цепи, разряд считается пространственно однородным [53, 57].

Рис.6 иллюстрирует сравнение работы ГПТ с SOS-диодами и двухконтурного емкостного LC–генератора на газоразрядную нагрузку на примере KrF*-лазера. Все эксперименты проведены на одной установке в одинаковых условиях. При накачке от LC-генератора SOS-диоды отключаются. Рассмотрим подробнее режим накачки от ГПТ. SOS–диоды пропускают обратный ток в течение 25 нс. В течение этого времени часть энергии, запасенной в С0, передается в индуктивность контура L(ИНЭ). После начала роста сопротивления диодов ток ИНЭ переключается на зарядку обострительных конденсаторов С1. В результате ИНЭ за время 15 нс заряжает С1 до напряжения Ud=40–80 кВ, формируя высоковольтный предымпульс. После пробоя лазерного промежутка ток I0, остающийся в ИНЭ, суммируется с током обос трительных конденсаторов I1, обеспечивает быстрое нарастание тока разряда и формирует мощный короткий импульс накачки. Амплитуду предымпульса Ud и мощность накачки в первом пике Рпик может быть оптимизирована для каждой рабочей газовой смеси путем выбора значений величины конденсатора прямой накачки диодов CD и ее зарядного напряжения UD, а также зарядного напряжения С0. В случае накачки от LC-генератора емкость C1 заряжается только от С0, что увеличивает время нарастания напряжения на лазерном промежутке до 40 нс, а пробивное напряжение падает до Ud=30 кВ. Также заметно падают скорость роста тока разряда и мощность в первом пике накачки. Как результат, ухудшаются условияформирования объемного разряда, время запаздывания появления лазерного импульса возрастает, а энергия лазерного излучения снижается.

U0, кВ, I, кА Pлаз, отн.ед. Pлаз, отн.ед.

U0, кВ, I, кА 1,U0 Pлаз 1,40 Pлаз UID 0,0,0 0,0 0,ID -10 -0 50 100 150 2I, кА 0 50 100 150 2I, кА Id Id I0 II-I-0 50 100 150 200t, нс a 0 50 100 150 2б t, нс Рис.6. Осциллограммы импульсов напряжения на обострительном конденсаторе (U0), тока через SOS– диоды (ID), токов разряда (Id) и в цепи накопительного (I0) и обострительного (I1) конденсаторов, генерации KrF*-лазера (Pлаз) при накачке смеси Ne:Kr:F2=2 атм:60:1.5 мм рт.ст. от ГПТ (а) и LC-генератора (б) Создание эффективных электроразрядных лазеров на молекулах ГБГ с большой длительностью импульса излучения связано с решением двух основных физических проблем. Необходимо сформировать и поддерживать однородный объемный разряд в смесях с молекулами галогенов, в которых во время импульса накачки начинают развиваться нитевидные токовые каналы (филаменты), ухудшающие однородность разряда и приводящие к прекращению импульса генерации до окончания импульса накачки. Трудности возникают уже при получении импульсов лазерного излучения с длительностью на полувысоте 1/2200 нс для XeCl*-лазера и 1/230–35 нс для XeF*- и KrF*-лазеров. Необходимо также обеспечить эффективную передачу энергии от накопителя в плазму объемного разряда с сопротивлением в десятые доли Ом, что достигается при использовании схем двойнго разряда. Максимальная длительность импульса излучения KrF*-лазера при накачке двойным разрядом от генератора с емкостными накопителями составила 1/2=170 нс при кпд менее 0,1%42. При длительности тока разряда до 200 нс длительность лазерного импульса сократилась до 1/2=80 нс, а энергия излучения и кпд составили, соответственно, Q=200 мДж и 01%. Подобные параметры были получены и на молекулах XeF*.

Использование ГПТ для накачки смесей инертных газов с F2 и NF3 дало возможность значительно увеличить как энергию и кпд генерации, так и длительность лазерных импульсов. Уже в первых экспериментах получены импульсы длительностью >100 нс (см. рис.6). Оптимизация ГПТ дала возможность создать эффективные 42. Taylor R.S., Leopold K.E. Magnetic-spiker excitation of gas-discharge lasers // Appl. Phys. B. – 1994. – Vol.59.

– No.5. – P.479–508.

длинноимпульсные KrF*- и XeF*-лазеры. Режим эффективной работы KrF*-лазера с накачкой ГПТ иллюстрирует рис.7. При работе с LC-генератором в лазерном промежутке наблюдалось быстрое формирование искровых каналов, а длительность импульса сокращалась. ГПТ значительно увеличивает однородность свечения объемного разряда. В результате достигается заметное увеличение длительности импульса и энергии излучения на молекулах KrF*. Лазерное излучения продолжается Ud, кВ, I, кA практически до конца имPлаз, MВт a пульса тока разряда, что Pлаз Ud также подтверждает высокую однородность объемId ного разряда, формируемо0 го ГПТ. Достигнута длиI---тельность генерации на по-t, нc 0 50 100 150 2лувысоте на молекулах Рис.7. Осциллограммы импульсов тока разряда (Id), напряжения на KrF* до 1/290 нс при поллазерном промежутке (Ud), генерации на молекулах KrF* (Рлаз) и вид ной длительности импульса объемного разряда в смеси Ne:Kr:F2=2,5 атм:60:1.5 мм рт.ст. при налазерного излучения до качке от ГПТ, CD=10 нФ, U1=27 кВ, U0=36 кВ =150 нс. В оптимальной газовой смеси Ne:Kr:F2=3 атм:60:1.5 мм рт.ст. энергия лазерного излучения достигала Q=650 мДж при кпд 01,4%. Мощность излучения составила Рлаз=8 МВт при int=3,3%.

Из рис.6–7 видно, что формирование плазмы объемного разряда происходит при сильном электрическом поле до 20 кВ/см [5–7 кВ/(см·атм)] и скорости нарастания тока разряда до dId/dt=3 кА/нс. При этом Рпик на стадии спада напряжения становится достаточной не только для формирования разряда, но и для развития генерации.

Это хорошо видно на рис.6. При накачке от ГПТ лазерный импульс начинается на 25 нс раньше, чем при работе с LC-контуром при прочих равных условиях. После этого накачка активной среды осуществляется энергией конденсатора С0. Максимальная пиковая мощность в начальной стадии импульса накачки поступает в плазму от конденсатора С1 и равна 230 МВт (Рпик1 МВт/см3). В стадии основной накачки мощность равна 120 МВт (0,43 МВт/см3) и обусловлена разрядом накопительного конденсатора С0. Время запаздывания начала генерации относительно накачки составило 20 нс, также каждый пик мощности генерации запаздывает относительно пика мощности накачки.

На рис.8 представлены расчетные временные зависимости концентраций частиц, рассмотрение которых дает представление о кинетических процессах в плазме объемного разряда в рабочей смеси KrF*-лазера. Видно, что при использовании ГПТ вывысоковольтный предымпульс и быстрое нарастание тока в первые 5 нс импульса накачки обеспечивают рост концентраций электронов в плазме до 1014 см-3. В этот период времени рост концентрации заряженных частиц происходит в основном в процессе прямой иониn, см-dn/dt, см-3с-F2(0) 1,2x1024 зации. Подобные резуль101,0x10F2(v) таты были получены и e 8,0x1010при моделировании ра6,0x1023 Kr* 1014 боты длинноимпульсных 4,0x10hv KrF* (B, v=0) 2,0x10XeCl*-лазеров [53]. По1013 0,t, нс t, нс 0 50 100 150 200 50 100 1этому предымпульс с Рис.8. Временные зависимости концентраций молекул фтора в основном высокими Ud и dId/dt, F2(0) и колебательно-возбужденном F2(v) состояниях, электронов е, возформируемый ГПТ, мобужденного криптона Kr* и молекул KrF* в В-состоянии KrF*(B, v=0) и жет обеспечить высокую скоростей: 1–прямой ионизации (увеличено в 10 раз), 2–ступенчатой ионизации, 3–рекомбинации и 4–прилипания электронов к F2(0) и F2(v) однородность и устойчивость формируемого объемного разряда в рабочих смесях эксиплексных лазеров.

Поясним это следующими рассуждениями: прямая ионизация является процессом, который сильно зависит от параметра Е/р на лазерном промежутке. Если в какой-то малой области разряда увеличится концентрация электронов, напряженность электрического поля в этой области снизится из-за роста проводимости, что замедлит дальнейший рост концентрации электронов. Этот процесс приведет к выравниванию концентрации плазмы во всей области объемного разряда при его формировании от ГПТ. Расчетная длительность импульса лазерного излучения на молекулах KrF* полностью совпадает с измеренным лазерным импульсом. Поскольку в модели объемный разряд рассматривается пространственно однородным, данный результат является дополнительным подтверждением высокой однородности и устойчивости объемного разряда в смесях с фтором, формируемого ГПТ.

Повышение устойчивости разряда при использовании ГПТ приводит к значительному увеличению длительности импульса и энергии генерации XeF*-лазера.

Получены импульсы генерации с полной длительностью до 120 нс при длительности лазерного излучения на полувысоте t1/2=65 нс и пиковой мощности излучения до Рлаз=7 МВт. При уменьшении давления смеси длительность генерации на полувысоте возрастала до 75 нс. В случае накачки LC-контуром лазерный импульс начинался позже и заканчивался раньше, длительность на полувысоте сокращалась до 55 нс а пиковая мощность и энергия излучения падали в 1,5 раза. Максимальные кпд при накачке от ГПТ достигали 0=1,5% и int=3%, а максимальная энергия генерации составила Q=0,5 Дж. В смесях с малым содержанием NF3 полная длительность импульса возрастала до 200 нс при Q=150 мДж, a кпд XeF*-лазера достигал int =1,5%, что близко к что близко к результатам, полученным в43 в аналогичных условиях при использовании рентгеновской предыонизации и сложного генератора двойного разряда на основе магнитных ключей.

При накачке ГПТ смесей Не–F2 длительность горения объемного разряда достигала 150 нс. В результате получены максимальные 0, % Q, Дж энергия генерации (Q=8 мДж) и пиковая мощ1,1,ность (Рлаз=400 кВт) излучения на красных линиях 1,1,фтора. Энергия излучния на =585,3 нм в смеси Ne–Н2 при накачке от ГПТ достигала 50 мкДж.

1,0,Рекордные параметры генерации были реа0,4 0,лизованы при накачке XeCl*-лазера от ГПТ при 14 15 16 17 18 19 амплитде предымпульса не менее 5 кВ/(см·атм) и U0, кВ Рис.9. Зависимости энергии излучения и dId/dt=4 кА/нс и Рпик>2 МВт/см3. Полученные рекпд XeCl*-лазера от зарядного напряжезультаты иллюстрирует рис.9. Энергия излучения конденсатора С0=550 нФ, Газовая ния возрастала с увеличением зарядного напрясмесь Ne:Xe:HCl=3 атм:10:1,5 мм рт.ст.

жения и достигала Q=1,6 Дж при плотности энергии Qуд=200мДж/см2. Максимальная кпд лазера достигал 0=1,4% при U0=16 кВ и затем практически не менялся. В этих экспериментах ставилась цель–создать XeCl*-лазер с длительностью лазерного импульса на полувесоте t1/2=300 нс для использования в качестве задающего генератора в мощной лазерной системе [52]. Однако длительность лазерных импульсов составила t1/2=230 нс. При увеличении индуктивности контура генератора накачки Lдлительность импульса излучения на полувысоте не изменилась, а максимальная энергия генерации на молекулах XeCl* падала даже при максимальной амплитуде предымпульса. Поэтому для достижения требуемой длительности импульсов излучения на полувысоте была использована LC-коррекция формы тока разряда [11].

Чтобы полная длительность тока разряда не менялась индуктивность контура Lразбивалась на две индуктивности Lкорр и L11, связанных соотношениями Lкорр=0,32L11 и L11+Lкорр=L0. Параллельно Lкорр устанавливается дополнительная емкость Cкорр, величина которой определена экспериментально и лежит в диапазоне Cкорр=(0,36–0,55)C0. Использование LC-коррекции увеличивает амплитуду тока разряда и мощность накачки в начале и в конце импульса накачки. Поэтому скорость нарастания интенсивности лазерного излучения в начале импульса накачки увеличивается, а спад интенсивности в конце импульса замедляется. В результате длительность импульсов лазерного излучения увеличивается на 30% с t1/2=230 до 300 нс. Полная длительность импульсов лазерного излучения при этом достигала 500 нс.

В шестой главе приведены результаты исследований параметров объемного 43. Mei Q.-C., M.Peters P.J., Trentelman M., and Witteman W.J. Optimisation of the pulse duration of a dischargepumped XeF (BX) excimer laser // Appl. Phys. B. – 1995. – Vol.60. – No.3. – P.553–556.

разряда и лазерного излучения в смесях азота с электроотрицательными газами, SF6–C2H6, He–CO2–N2. Разработана модель лазера на смесях азота и SF6 и NF3. Реализованы новые режимы работа азотного лазера, получена эффективная генерация на молекулах СО2, HF и DF при накачке ГПТ [4, 5, 32–34, 49, 55, 59–62]. При моделировании плазмохимических процессов в плазме объемного разряда в смесях N2– SF6 (NF3) и лазерной генерации на переходах азота проводились расчеты: ФРРЭ в самостоятельном разряде fe(E/p, , t), где -энергия электрона, t-время; подвижности µe, температуры Te, коэффициента диффузии De электронов и коэффициентов скоростей реакций электронов с частицами плазмы; расчет скоростей процессов с участием тяжелых частиц; лазерного излучения; электротехнические расчеты с использованием схемы генератора накачки лазера. Все перечисленные виды расчетов, оформленные в виде отдельных программных блоков, объединены в общую самосогласованную модель.

Использование ГПТ для накачки азотного лазера позволило не только получить максимальные параметры генерации, но и реализовать новые эффективные режимы генерации на азоте, в которых получена максимальная длительность лазерных импульсов. Один из новых режимов работы азотного лазера с двумя пиками излучения в течение одного импульса накачки показан на рис.10. Ранее двойные импульсы ге44, нерации наблюдалась в чистом азоте I, кА U, кВ d d в лазерах с продольной и попереч- ной накачкой из-за пространственно– 0 временных неоднородностей в объем0 50 100 150 2P, от н. ед.

P, от н. ед.

УФ ИК ном разряде, а длительность импульса генерации не превышала 10 нс. В на0 ших экспериментах при активной дли0 50 100 150 200 t, нс не лазера l=72 см длительность двухРис.10. Экспериментальные осциллограммы импульпичкового импульса достигала 40 нс а сов напряжения на разрядном промежутке (Ud), тока разряда (Id) и лазерные импульсы на =337.1 нм (PУФ) и максимальная энергия излучения =1046,9 (PИК), смесь N2:NF3=75:3 мм рт.ст., накачка Q=25 мДж. При накачке от ГПТ высоГПТ, l=72 см, U0=35 кВ кие значения Ud и dId/dt значительно увеличивают время горения объемной стадии разряда в смесях азота с добавками электроотрицательных газов и увеличивают энергию излучения на первой и второй положительных системах азота. При использовании LC-генератора энергия излучения в смесях с NF3 снижалась на порядок из-за появления в объемном разряде искровых каналов уже во время лазерного импульса.

44. Asinovskii Е.I., Vаsilyak L.M., and Tokunov Yu.M. A Doublе pеak of thе radiation fгom a coaхial nitгogen laser // Sov. J. Quant. Electron. – 1988. – Vol.15. – No.8. – P.1548–1551.

45. Geller M., Altman D.E., and De Temple T.A. Some considerations in the design of a high power, pulsed N2 laser // Applied Optics. – 1968. – Vol.7. – No.11. – P.2232–2237.

Как показали эксперименты и расчеты, добавки NF3 и SF6 к азоту влияет на работу N2 лазера следующим образом. С одной стороны, в квазистационарной стадии разряда за счет прилипания растет Е/р на промежутке, увеличивается скорость возбуждения верхнего лазерного уровня и растут мощность и длительность импульса генерации. С другой стороны, наблюдаются затухающие колебания Ud и Id в результате перезарядки между С0 и С1. Амплитуда этих колебаний достаточна для периодического создания в активной среде азотного лазера величины параметра Е/р>1B/(см·мм рт.ст.) и достижения инверсной населенности уровней перехода С3Пu– В3Пg. Подобные колебания наблюдаются и в чистом азоте, однако без примеси NFили SF6 значение Е/р<40 B/(см·мм рт.ст.) слишком мало для получения инверсной населенности в системе С3Пu–В3Пg.

Изменение периода колебаний тока обострительного контура дает возможность управлять формой лазерного импульса. При увеличении С1 с 2,45 до 3,6 нФ период модуляции тока разряда возрос с 25 нс до 33 нс. Соответственно, увеличилось расстояние между пиками генерации. Дальнейшее увеличение периода колебаний до 45 нс привело к исчезновению второго пика излучения. Расчеты показали, что это связано с полной потерей инверсии населенностей перехода C3Пu–В3Пg. Временной интервал между пиками был увеличен за счет перераспределения плотности тока разряда при повышении концентрации NF3. При этом первый пик генерации шел из центра промежутка, тогда как второй пик излучения смещался к краям разрядной области. Поскольку пороговая плотность тока разряда в азотном лазере составляет 100 А/см2, это явление можно связать со смещением в течение импульса накачки области разряда с максимальной плотностью тока из центра промежутка к его краям. В результате задержка между пиками увеличивается, а длительность импульса генерации достигает 60 нс.

При увеличении активной длины лазера l был реализован режим генерации прямоугольных импульсов и режим каскадной генерации на переходе С3Пu–В3Пg.

Данные режимы иллюстрирует рис.11. Импульсы излучения имели форму, близкую к прямоугольной с t=55 нс и t1/2=40 нс. В этом режиме максимальная энергия УФ-излучения достигала Q=50 мДж, получены также максимальныена сегодняшний день энергия и мощность излучения на B3Пg–A3+u полосе азота, достигающие Q=27 мДж и Рлаз=1 МВт.

В наших экспериментах при l=90 см и работе с неселективным резонатором, состоящим из алюминиевого зеркала и кварцевой пластинки, в смесях азота с небольшими добавками NF3 и SF6 был получен интересный результат, который гово- рит о влиянии ИК-генерации на лазерные параметры на =337,1 нм. В этих условиях реализована одновременная генерация на первой и второй положительных системах азота, а во время ИК-импульса наблюдалась слабая УФ-генерация. Полная длительность УФ-импульса достигала 100 нс [62]. Энергия в «хвосте» УФимпульса составляет примерно 3% от полной энергии. Основным условием увеличения длительности импульса генераUd, кВ Pлаз, МВт ИК УФ ции на =337,1 нм являлось высокая 35 0,энергия излучения на первой положи0,0,4 тельной системе азота, которая долж0,на быть сравнима с энергией УФ0,излучения. Для условий рис.11 энер0,гии генерации на УФ- и ИК- полосах 0 0,составляли Q=12–14 мДж. Увеличение 0 20 40 60 80 100 120 140 160 t, нс длительности импульса УФ-генерации Рис.11. Осциллограммы импульсов напряжения на можно объяснить разгрузкой нижнего лазерном промежутке и лазерного излучения на первой (ИК) и второй (УФ) положительных системах лазерного уровня B3Пg второй полоазота в смеси N2:SF6=30:3 мм рт.ст., l=90 см жительной системы вынужденными каскадными переходами на полосе B3Пg–A3+u первой положительной системы.

По-видимому, этого достаточно для сохранения инверсии населенностей на переходе C3Пu–B3Пg, а увеличение активной длины лазера позволяет увеличить длительность импульса УФ-излучения до 100 нс.

Увеличении активного объема лазера позволило достичь максимальных на сегодняшний день энергии Q=110 мДж и пиковой мощности Pлаз=6 МВт излучения азотного УФ-лазера [55]. Полная длительность лазерного импульса составила 40 нс при длительности на полувысоте 18 нс. При этом был реализован эффективный режим генерации азотного лазера с кпд 00,1%.

Для эффективной накачки СО2 лазера объемным самостоятельным разрядом необходимо наряду с сохранением однородности разряда поддерживать на разрядномпромежутке оптимальную величину параметра Е/p в пределах 5<Е/p<15 В/(см·мм рт.ст.) в зависимости от состава смеси и длительности импульса накачки46, 47. Данный диапазон Е/р соответствует напряжению на лазерном промежутке ниже статического пробивного и обычно реализуется при накачке самостоятельным разрядом лишь в течение короткого времени при малой плотности тока разряда. Поэтому электроразрядные импульсные СО2-лазеры атмосферного давления имеют, как правило, эффективности 0=5–12%.

При накачке ГПТ смесей CO2–N2–He была получено увеличение кпд генерации на молекулах СО2. Полученные результаты представлены на рис.12. Высокое перенапряжение и быстрое нарастание тока, как и в случае эксимерных и азотных лазе46. Лобанов А.Н., Сучков А.Ф. Функция распределения и баланс энергии электронов в электроионизационном лазере на двуокиси углерода // Квант. электрон. – 1974. – Т.1. – №7. – С.1527–1536.

47. Levine J.S., and Javan A. Observation of laser oscillation in 1-atm CO2-N2-He laser pumped by an electrically heated plasma generated via photoionisation // Appl. Phys. Lett. – 1973. – Vol.22. – No.1. – P.55–57.

ров, позволяют формировать устойчивый объемный разряд в активных смесях СО2лазера при высоких давлениях рабочей смеси и большом содержании в ней молекулярной компоненты. Это видно по U, кВ Id, кА, Р, МВт форме импульса тока разряда. Через d лаз U d 120 нс после начала накачки 60 Р лаз 30 начинается экспоненциальное падение тока в лазерном промежутке, а еще Е /р =В /см мм рт.ст.

через 500 нс разряд гаснет. Импульс Id излучения содержит короткий пик с 0 длительностью на полувысоте 40–0 200 400 600 800 10t, нс нс с мощностью до 45 MВт, за Рис.12. Осциллограммы импульсов напряжения на лакоторым следует хвост, длительность зерном промежутке (Ud), тока в лазерном промежутке (Id) и лазерный импульс. Cмесь He:CO2:N2=3:1:1 при которого зависит от состава рабочей р=1 атм. Накачка ГПТ, U0 =36 кВ смеси. В смеси He:CO2:N2=3:1:полная длительность импульса генерации составляет 1 мкс, а в первом пике содержится 35% энергии излучения. При работе с LC-генератором снижается пробивное напряжение лазерного промежутка, что приводит к быстрому контрагированию разряда и падению энергии излучения в 2–3 раза. При накачке ГПТ даже при максимальных U0 примерно половина энергии вкладывается в активную среду при оптимальном значении Е/р<15 В/(cм·мм рт.ст.) Для LC-генератора основной энерговклад происходит при Е/р20 В/(cм·мм рт.ст.). Повышение Е/р и развитие неустойчивостей объемного разряда заметно снижают кпд генерации. Для условий рис.12 энергия, вложенная в активную среду, составляет 31 Дж. Энергия генерации при достигает Q=6,2 Дж, что соответствует кпд СО2-лазера int=20% и 0=15%. При отключении SOS-диодов энергия излучения падала до Q=2 Дж, а int не превышал 7%.

В главе 4 определены условия достижения максимальной эффективности работы нецепных химических лазеров при использовании традиционных LC-генераторов.

Полученный в эксперименте диапазон оптимальных условий накачки нецепных лазеров достаточно узок, и при увеличении длительности накачки и (или) удельного энерговклада начинается формирование искровых каналов в газовых смесях с высокой концентрацией SF6, приводящее к падению параметров генерации на молекулах HF(DF). Поэтому при создании нецепных лазеров с высокой энергией генерации использование ГПТ начинает давать ощутимые преимущества, поскольку за счет су- щественного увеличения Ud и dId/dt повышается устойчивость объемного разряда в рабочих смесях на основе элегаза.

Полученные результаты приведены на рис.13. Наиболее важный результат проведенных экспериментов состоит в следующем. В оптимальных условиях при накачке HF-лазера от ГПТ кпд достигал предельных значений int=10% при Q=1,4 Дж и удельной энергии излучения до 5,5 Дж/л [100 Дж/(л·атм)]. При этом int оставался примерно постоянным при изменении зарядного напряжения от 22 до 35 кВ и удельной энергии накачки до 1 кДж/(л·атм).

Q, Дж int, % HF 1,Во всех случаях разряд был совершенно од1,нороден. В смесях SF6 с дейтерием получена 1,DF энергия излучения до Q=1,2 Дж. Внутренний HF 0,кпд DF-лазера также достигал предельного 0,значения int=7% и слабо зависел от зарядно0,DF го напряжения. В этих условиях также на- 0,0,0 блюдились интенсивные каcкадные переходы, 22 24 26 28 30 32 34 36U, кВ а общее число лазерных линий достигало 40.

Рис.13. Зависимости энергии излучения (Q) и Максимальные параметры генерации на внутреннего кпд (int) HF и DF–лазеров с намолекулах HF(DF) были получены при ис- качкой от ГПТ от зарядного напряжения.

Смесь SF6:H2(D2)=48:6 мм рт.ст. С0=70 нФ пользовании ГПТ при l=90 см и С0=170 нФ.

Максимальная энергия излучения на молекулах HF Q=4,5 Дж [удельная энергия излучения 8 Дж/л или 150 Дж/(л·атм)] при 0=4,4% получена в смесях с этаном, поскольку длительность импульса накачки составила 200 нс, а удельный энерговклад превышал 100 Дж/л. Параметры накачки были достаточно далеки от оптимальных значений, полученных в главе IV. Поэтому использование ГПТ давало заметное улучшение характеристик нецепного HF-лазера. При отключении SOS-диодов энергия излучения в исследованныъ рабочих смесях падала более чем в 2 раза из-за контракции объемного разряда. В рабочих смесях SF6–D2, энергия лазерного излучения на молекулах DF составила Q=2,4 Дж при 0=2,4%.

Основные результаты работы заключаются в следующем:

1. Проведен цикл исследований эксиламп на основе смесей криптона и ксенона с хлором и возбуждением нормальным и поднормальным тлеющим разрядом.

а) Определено, что небольшие добавки легких инертных газов в рабочую смесь эксиламп тлеющего разряда увеличивает эффективность свечения молекул XeCl* и KrCl*-эксиламп, которая в положительном столбе тлеющего разряда достигает 15– 20%. Высокие параметры эксиламп с возбуждением тлеющим разрядом связаны с эффективным образованием эксиплексных молекул в гарпунных реакциях и низкой скоростью безызлучательной релаксации рабочих молекул в плазме разряда.

б) Экспериментально исследованы зависимости выходных характеристик KrCl*-, XeCl*-эксиламп тлеющего разряда от режима протекания тока. Установлено, что максимальный кпд эксиламп достигается при при использовании для питания тлеющего разряда однополярных импульсов напряжения с длительностью 10-5 с

Повышение мощности излучения эксилампы при питании тлеющего разряда пульсирующим напряжением связано с эффективным перемешиванием и охлаждением рабочей смеси в паузах между импульсами тока. Перегрев рабочей смеси при накачке постоянным током приводит к концентрации токового канала в центре трубки, где из-за сильной диссоциации молекул хлора наблюдается падение скорости формирования и высвечивания эксиплексных молекул.

в) Показано, что поднормальный тлеющий разряд в смесях инертных газов с хлором может служить эффективным источником УФ-излучения. Поднормальный тлеющий разряд заполняет весь рабочий объем и обеспечивает высокую однородность распределения мощности спонтанного излучения на поверхности разрядной трубки. Получена мощность излучения до 7 Вт на 222 и 308 нм при эффективности до 20%. Высокая эффективность эксиламп с возбуждением поднормальным тлеющим разрядом определяется относительно малым прикатодным падением напряжения из-за высокого сопротивления положительного столба разряда и влияния УФ-излучения разряда на эмиссии электронов из катода.

2. Проведены исследования излучения эксиплексных молекул KrCl* и XeCl* в барьерном разряде в смесях ксенона или криптона с хлором при повышенных мощнностях возбуждения.

а) Определена оптимальная удельная энергия возбуждения барьерной эксилампы, которая составляет 0,1–0,2 мДж/см3. Дальнейшее увеличение вкладываемой энергии приводит к быстрому падению эффективности свечения эксиплексных молекул, связанное с падением скорости их образования в гарпунной реакции и ростом скорости тушения в процессах столкновения с электронами.

б) Получена пиковая мощность излучения на молекулах XeCl* и KrCl* до 1кВт при энергией излучения в импульсе до 25 мДж и удельной мощностью УФ- излучения до 100 Вт/см2 при кпд до 10%.

3. Исследованы параметры УФ- и ВУФ-излучения поперечного объемного разряда в газовых смесях Ne–Xe(Kr, Ar)–HCl.

а) Показано, что спектр излучения объемного разряда в основном состоит из относительно узких полос переходов D–X и B–X молекул хлоридов инертных газов.

б) Получена пиковая мощность УФ-излучения на поверхности выходного окна эксилампы до 2 кВт/см2 при энергии в импульсе до 3 мДж.

в) Показано, что в объемном разряде в смеси Ne–Ar–HCl эффективно образуются и излучают молекулы ArCl*, а такой разряд является источником мощного ВУФ-излучения. Полная энергия (Q0,6 мДж) и мощность (I0,4 кВт/см2) ВУФизлучения на 175 нм может достигать 25% от соответствующих характерстик излучения объемных разрядов в смесях Ne–Xe(Kr)–HCl на 222 и 308 нм.

4. Проведены исследования параметров вынужденного излучения на молекулах KrCl* при накачке самостоятельным объемным разрядом. Определена мощность накачки, при которой достигается максимальная эффективность работы электроразрядного KrCl*-лазера, которая достигает 2–2,5% при удельных мощностях накачки 2–7 МВт/см3.

5. Реализован предельный кпд int=7–10% нецепных HF(DF)-лазеров при накачке смесей элегаза с водородом и дейтерием. Показано, что при длительности импульса тока разряда не более 100–150 нс, удельной энергии накачки 30–70 Дж/л при использовании профилированных электродов и подсветке рабочей смеси формируется однородный объемный разряд, что обеспечивает максимальный на сегодняшний день электрический кпд HF-лазеров до 0=6,4% и DF-лазеров до 0=5%. Обнаружено, что каскадная генерация существенно изменяет распределение энергии излучения по колебательно-вращательным линиям и является одной из причин повышения кпд генерации за счет увеличения эффективности извлечения лазерных фотонов из активной среды лазера. На основе проведенных исследований разработаны эффективные нецепные лазеры с энергией излучения в импульсе Q>1 Дж.

6. Созданы генераторы с прерывателями тока различных типов и проведены исследования и моделирование параметров лазерного излучения и объемного разряда при накачке различных рабочих газовых смесей от ГПТ. В ходе исследований:

а) впервые получена генерация на молекулах азота и XeCl* при накачке ГПТ с ПЭПТ, показана перспективность таких генераторов для накачки газовых лазеров;

в) определены условия формирования устойчивого объемного разряда при накачке ГПТ рабочих газовых смесях инертных газов с НС1, NF3 и F2. Установлено, что высокое начальное напряжение на лазерном промежутке и быстрое нарастание тока разряда при использовании ГПТ повышает стабильность и длительность горения объемного самостоятельного разряда и увеличивает энергию излучения и длительность импульса генерации на В–Х переходе молекул XeF*, KrF*, ХеС1* и атомарных переходах фтора;

г) при накачке от ГПТ реализованы максимальные энергия и импульсная мощность генерации лазера на линиях атомарного фтора, получены лазерные импульсы на молекулах XeF* с полной длительностью до 200 нс при длительности на полувысоте до 100 нс, реализованы эффективные режимы работы XeF*- и KrF*-лазеров с длительностью импульса до 100 нс, энергией излучения до Q=0,65 Дж при кпд до 0=1,6%;

д) реализован режим работы XeCl*-лазера с длительностью импульса излучения на полувысоте до t1/2=300 нс при энергии изучения на молекулах ХеС1* Q=1,Дж и кпд лазера 0=1,4%.

7. При использовании ГПТ получены новые режимы генерации азотного лазера на полосе C3Пu–B3Пg в смесях N2 с SF6 и NF3, проведено моделирование работы лазера на смеси азота с электроотрицательными газами NF3 и SF6 на переходах полос C3Пu–В3Пg и В3Пg–A3u+. В ходе исследований:

а) впервые получен режим генерации сдвоенных импульсов азотного лазера с появлением второго пика генерации в установившейся квазистационарной стадии разряда;

б) показано, что причиной появления второго пика является повышение напряжения в квазистационарной стадии разряда за счет прилипания электронов к электроотрицательным молекулам;

в) реализован режим генерации прямоугольных УФ-импульсов на С3Пu–В3Пg переходе с полной длительностью более 50 нс и высоким кпд;

г) показана возможность разгрузки нижнего уровня перехода С3Пu–В3Пg. вынужденными переходами первой положительной системы В3Пg–A3u+, позволяющая увеличить длительность излучения на =337,1 нм до 100 нс;

д) получены максимальные энергии и мощность лазерного излучения на первой положительной системе азота, достигающие Q=27 мДж и Рлаз=0,7 МВТ;

д) получены максимальные на сегодняшний день энергетические характеристики азотного лазера с накачкой поперечным разрядом (энергия излучения на =337,нм Q=110 мДж в импульсе, пиковая мощность Рлаз=6 МВт);

8. При использовании ГПТ:

а) реализован эффективный режим генерации на молекулах СО2 с малой длительностью импульса излучения на полувысоте (менее 50 нс), высокой пиковой мощностью излучения (до Рлаз=45 MВт) и кпд до int=15–20%;

б) увеличен диапазон длительности импульса накачки и удельной энергии, вложенной в активную среду, в которых реализуется эффективная генерация на молекулах HF(DF) в рабочих газовых смесях SF6–C2H6 и SF6–D2, реализован эффективный режим работы HF-лазера с энергией излучения до Q=4,5 Дж (удельная энергия излучения 8 Дж/л или 150 Дж/(л·атм) и кпд до 0=4,4%.

9. В ходе проведении работы созданы:

а) электроразрядные лазеры «ФОТОН», «ЛИДА», «ДИЛАН» различных типов;

б) эффективные KrCl*- и XeCl*-эксилампы на основе нормальногои поднормаль- ного тлеющего разряда;

в) эффективные KrCl*- и XeCl*- эксилампы барьерного разряда с повышенной мощностью излучения (пиковая мощность до 150 кВт) и энергией излучения в импульсе до 20 мДж;

г) мощные импульсные эксилампы на хлоридах инертных газов с накачкой объе- мным самостоятельным разрядом с пиковой мощностью излучения до 2 кВт/см2;

д) эффективные XeF*- и KrF*-лазеры с длительностью импульса излучения до 200 нс и кпд до int=3%;

е) нецепные химические HF(DF)-лазеры с предельным кпд, широким спектром и энергией излучения до Q=4 Дж;

ж) лазеры на первой и второй положительных системах азота с максимальными на сегодняшний день длительностью импульсов, энергией и пиковой мощностью излучения в УФ- и ИК-областях спектра;

з) длинноимпульсные XeCl*-лазеры с рекордными параметрами (длительность импульса на полувысоте 300 нс, полная длительность импульса до 500 нс, удельная энергия излучения до 150 мДж/см2).

Таким образом, можно заключить, что при проведении настоящей работы решена крупная научно-техническая задача создания газоразрядных источников вынужденного и спонтанного излучения, работающих в диапазоне длин волн от вакуумного ультрафиолета до инфракрасной области спектра с максимальными эффективностью, энергетическими и временными параметрами генерируемого излучения. Разработан метод формирования объемных разрядов в различных рабочих газовых смесях высокого давления с использованием ГПТ. Реализованы новые режимы работы и получены максимальные эффективности, длительности импульсов и энергия излучения электроразрядных лазеров, работающих на различных газовых смесях.

Результаты научно-исследовательской работы внедрены в ИОФ РАН, ИСЭ СО РАН, Институте физики АН БССР, Институте физики АН УССР, НИИ ПП, СФТИ, НИКИ, Физико-энергетическом институте, а также в зарубежных организациях:

компаниях INVAP (Аргентина), СИЯТ (КНР), Beams, Inc. (Япония).

Основные публикации автора по теме диссертации:

Монографии и главы в монографиях:

1. Tarasenko V.F., Lomaev M.I., Panchenko A.N., Skakun V.S., Sosnin E.A. High-power UV excilamps // In Book: High power lasers - science and engineering / Ed. by R. Kossovsky, M. Jelinek and R.F. Walter.

NATO ASI Series 3. High Technology. Vol.7. 1996, P.331–345. ISBN 0-7923-3959-2.

2. Бойченко А.М., Ломаев М.И., Панченко А.Н., Соснин Э.А., Тарасенко В.Ф. Ультрафиолетовые и ваку- умно-фиолетовые эксилампы: физика, техника, и применения. Томск: Scientific&Technical Translations, 2011. 511 с.

3. Панченко А.Н, Тарасенко В.Ф. Накачка газовых и плазменных лазеров самостоятельным разрядом / Энцикл.

низкотемп. плазмы. Гл.ред. В.Е.Фортов. Серия Б. Том XI – 4. М.: Физматлит., 2005. С.257–279.

4. ПанченкоА.Н., Тарасенко В.Ф. Накачка газовых и плазменных лазеров индуктивными накопителями энергии / Энцикл. низкотемп. плазмы. Гл.ред. В.Е.Фортов. Серия Б. Том XI–4. М.: Физматлит., 2005. С.291–316.

5. Панченко А.Н., Тарасенко В.Ф. Химические лазеры на молекулах HF (DF) / Энцикл. низкотемп.

плазмы. Гл.ред. В.Е.Фортов. Серия Б. Том XI–4. М.: Физматлит, 2005. С.756–761.

Патенты:

6. А. с. 1792196, СССР, МКИ6 H01J61/80. Импульсная широкоапертурная лампа / Коваль Б.А., Панченко А.Н., Скакун В.С., Тарасенко В.Ф., Фомин А.Е., Янкелевич Е.Б. Опубл. 20.08.1995 г.

7. Мощная лампа тлеющего разряда: Пат. 2096863. Россия, МКИ6, H01J61/02, H01J61/64; Панченко А.Н., Соснин Э.А., Тарасенко В.Ф. ИСЭ СО РАН. №95112337/07. Заявл. 18.07.1995. Опубл. 20.11.1997.

8. Pабочая среда лампы тлеющего разряда низкого давления: Пат. 2089962. Россия, МКИ6, H01J61/80, H01J61/067. Панченко А.Н., Соснин Э.А., Тарасенко В.Ф.; ИСЭ СО РАН. №95121858/07. Заявл.

26.12.1995. Опубл. 09.10.1997.

9. Cпособ накачки лампы тлеющего разрядас электроотрицательными газами в рабочей смеси: Пат. 2089971.

Россия, МКИ6, H01J61/80, H01J61/067; Панченко А.Н., Соснин Э.А., Тарасенко В.Ф.; ИСЭ СО РАН.

95117515/07. Заявл. 16.10.1995. Опубл. 09.10.1997.

10. Powerfull glow discharge excilamp: Patent 6376972B. United States. Int. Cl.6, H01J 17/26. Tarasenko V.F., Panchenko A.N., Sosnin E.A., Skakun V.S., Wang F.T., Myers B.R., Adamson M.G.; Issued 23.04.2002.

11. Импульснй газовый лазер на смесях инертных газов с галогенами: Пат. 2216836. Россия. МПК7, H01S3/097, H01S3/22; Бакшт Е.Х., Панченко А.Н., Тарасенко В.Ф., Феденев А.В.; ИСЭ СО РАН. Заявл.

04.01.2002. 2002100657/28. Опубл. 20.11.2002.

Статьи в рецензируемых журналах, входящих в список ВАК:

12. Mel'chenko S.V., Panchenlco A.N., Tarasenko V.F. High - power Raman conversion of a discharge XeCl laser // Optics Communications. – 1985. – Vol. 56. – No.1. – P.51–52.

13. Мельченко С.В.,.Панченко А.Н, Тарасенко В.Ф. Электроразрядный KrCl*-лазер с энергией излучения 0,6 Дж // Письма в ЖТФ. – 1986. – Т.12. – Вып.3. – С.171–175.

14. Тарасенко В.Ф., Панченко А.Н., Мельченко С.В., и др. Мощный компактный XeCl–лазер с накачкой самостоятельным разрядом // Квант. электроника. – 1987. – Т. 14. – №12. – С.2450–2451.

15. А.Н.Панченко, В.Ф.Тарасенко. Стабильные обрывы тока при разряде через плазму, созданную XeСl-лазером // ЖТФ. – 1988. – Т.58. – Вып.8. – С.1551-1554.

16. Панченко А.Н., Тарасенко В.Ф., Букатый Е.В. Мощная генерация на =222 нм при накачке газовой среды Ne(He)–Kr–HCl самостоятельным разрядом // Квант. электроника. – 1989. – Т.16. – №12. – С.2409–2412.

17. Месяц Г.А., Панченко А.Н., Тарасенко В.Ф. Лазеры на смеси Ne-Xe-HСl и азоте при накачке генератором с плазменным прерывателем // ДАН СССР. – 1989. – Т.307. – №4. – С.869–872.

18. Панченко А.Н., Тарасенко В.Ф. Стабильная работа плазменного прерывателя с токомпереключения до 10 кА // Физика плазмы. – 1990. – Т.16. – Вып.9. – С.1061–1067.

19. Панченко А.Н., Тарасенко В.Ф. Газовые лазеры с накачкой от генератора с плазменным прерывателем тока и индуктивным накопителем // Квант. электроника. – 1990. – Т.17. – № 1. – С.32–34.

20. Верховский В.С., Ломаев М.И., Мельченко С.В., Панченко А.Н., Тарасенко В.Ф. Управление энергетическими, временными и пространственными характеристиками излучения XeCl-лазера // Квант.

электроника. – 1991. – Т.18. – №11. – С.1279–1285.

21. Копылова Т.Н., Майер Г.В., Панченко А.Н., и.др. Мощный узкополосный лазер на красителях с накачкой джоульным эксиплексным лазером на хлориде ксенона // Квант. электроника. – 1993. – Т.20. – № 7. – С.657–662.

22. Панченко А.Н., Тарасенко В.Ф. Компактный электроразрядный XeCl-лазер с энергией излучения Дж и длительностью импульса 100-300 нс // Квант. электроника. – 1993. – Т.20. – № 7. – С.663–664.

23. Кауль В.Б., Мельченко С.В., Панченко А.Н., Тарасенко В.Ф. Лазерная система с=307,65-308,5 и 457,6 -459,3 нм на основе XeCl-лазеров и ВКР - ячейки на парах свинца // Известия АН СССР. Сер.

Физическая. – 1994. – Т.58. – № 6. – С.121–124.

24. Panchenko A.N., and Tarasenko V.F. Maximum performance of discharge - pumped exciplex laser at =222 nm // IEEE Journal of Quantum Electronics. – 1995. – Vol.31. – No.7. – P.1231–1236.

25. Панченко А.Н., Соснин Э.А., Скакун В.С., Тарасенко В.Ф., Ломаев М.И. Мощные коаксиальные эксилампы со средней мощностью более 100 Вт // Письма в ЖТФ. – 1995. – Т.21. – Вып.20. – С.77–80.

26. Boichenko A.M., Panchenko A.N., Tarasenko V.F., and Yakovlenko S.I. Efficient emission of Xe–Cl2(HCl) and Kr–Cl2(HCl) mixtures pumped by a glow discharge // Laser Physics. – 1995. – Vol.5. – No.6. – P.1112–1115.

27. Бойченко А.М., Панченко А.Н., Тарасенко В.Ф., Яковленко С.И. Эффективное излучение смеси HеXe-NF3, накачиваемой тлеющим разрядом // Квант. электроника.–1996.–Т.23.– №5.– С.417–419.

28. Ломаев М.И., Панченко А.Н., Тарасенко В.Ф. Спектры излучения тлеющего разряда в смесях инертный газ–CH3Br и I2 // Оптика атмосферы и океана. – 1997. – Т.10. №11. – С.1271–1273.

29. Панченко А.Н., Тарасенко В.Ф. Излучательные характеристики поднормального тлеющего разряда в смесях инертных газов и галогенов // Опт. и спектроскопия – 1998. – Т.84. – №3. – С.389–392.

30. Lomaev M.I., Panchenko A.N., Skakun V.S., Sosnin E.A., Tarasenko V.F., Adamson M.G., Myers B.R., and Wang F.T. Excilamp producing up to 130 W of output power and possibility of its applications // Laser and Particle Beams. – 1997. – Vol. 15. No. 2. – P.339–345.

31. Ломаев М.И., Панченко А.Н., Соснин Э.А., Тарасенко В.Ф. Цилиндрические эксилампы с накачкой тлеющим разрядом // ЖТФ. – 1998. – Т. 68. № 2. – С.64–68.

32. Бакшт Е.Х., Панченко А.Н., Тарасенко В.Ф. Азотный лазер с накачкой продольным разрядом от индуктивного и емкостного накопителей энергии // Квант. электроника. – 1998. – Т.24. – №12. – С.1087–1090.

33. Бакшт Е.Х., Орловский В.М., Панченко А.Н., Тарасенко В.Ф. Эффективный электроразрядный СОлазер с предымпульсом формируемым генератором с индуктивным накопителем энергии // Письма в ЖТФ. – 1998. – Т.24. – Вып.4. – С.57–61.

34. Baksht E.H., Panchenko A.N., and Tarasenko V.F. Discharge lasers pumped by generators with inductive energy storage // IEEE Journal of Quantum Electronics. – 1999. – Vol.QE-35. – No.3. – P.261–265.

35. Панченко А.Н., Тарасенко В.Ф., Яковленко С.И. Несимметричное прохождение тока через сгусток лазерной плазмы // ЖТФ. – 1999. – Т.69. – Вып.3. – С.77–79.

36. Панченко А.Н., Тарасенко В.Ф. Эффективный электроразрядный KrCl-лазер “Фотон” // Квант. электроника. – 1999. – Т.28. – №2. – С.136–138.

37. Panchenko A.N., Sosnin E.A., Tarasenko V.F. Improvement of output parameters of glow discharge UV excilamps // Optics Communications. – 1999. – Vol. 161. – No.3. – P.249–252.

38. Ломаев М.И., Панченко А.Н., Скакун В.С., Соснин Э.А., Тарасенко В.Ф. Мощные источники спонтанного ультрафиолетового излучения // Изв. вузов. Физика. – 2000. – №5. – С.70–72.

39. Бакшт Е.Х., Панченко А.Н., Тарасенкo В.Ф. Эффективный длинноимпульсный XeCl лазер c предимпульсом формируемым индуктивным накопителем энергии // Квант. электроника. – 2000. – Т.30. – №6. – С.506–508.

40. Тарасенкo В.Ф., Орловский В.М., Панченко А.Н. Энергетические характеристики и устойчивость разряда нецепного НF лазера с накачкой самостоятельным разрядом // Квант. электроника. – 2001.

– T.31. – №12. – C.1035–1037.

41. Baksht E.H., Panchenko A.N., Tarasenko V.F., Matsunaga T., and Goto T. Long-pulse discharge XeF and KrF lasers pumped by a generator with inductive energy storage // Jap. J. Appl. Phys. – 2002. – Vol.41. – No.6A. – P.3701–3703.

42. Панченко А.Н., Орловский В.М., Тарасенко В.Ф., Бакшт Е.Х. Эффективные режимы генерации HF лазера с накачки нецепной химической реакцией, инициируемой самостоятельным разрядом // Квант. электроника. – 2003. – Т.33. – №5. – С.401–407.

43. Панченко А.Н., Орловский В.М., Тарасенко В.Ф. Эффективный нецепной лазер, возбуждаемый самостоятельным разрядом // ЖТФ. – 2003. – T.73. – Вып.2. – С.136–138.

44. Панченко А.Н., Тарасенко В.Ф. Об эффективности нецепных электроразрядных HF (DF)-лазеров // Изв. ВУЗов. Физика. – 2004. – Т.47. – №5. – С.93–94.

45. Панченко А.Н., Орловский В.М., Тарасенко В.Ф. Спектральные характеристики нецепных электроразрядных HF и DF лазеров в эффективных режимах возбуждения // Квант. электроника. – 2004. – T.34. – №4. – C.320–324.

46. Панченко А.Н., Тарасенко В.Ф. Эффективныe HF(DF) лазеры, с накачкой нецепной химической реакцией, инициируемой самостоятельным разрядом // Письма в ЖТФ. – 2004. – T.30. – Вып.11. – С.22–28.

47. Бакшт Е.Х., Ломаев М.И., Панченко А.Н., Рыбка Д.В., Тарасенко В.Ф., Кришнан М., Томпсон Дж.

Мощный источник спонтанного излучения в УФ области спектра: режимы возбуждения // Квант.

электроника. – 2005. – Т.35. – № 7. – С.605–610.

48. Панченко А.Н., Тарасенко В.Ф., Тельминов A.Е. Эффективный электроразрядный ХеF – лазер с накачкой от генератора с индуктивным накопителем энергии // Квант. электроника. – 2006. – Т.36. – №5. – С.403–407.

49. Panchenko A.N., and Tarasenkо V.F. Pulsed gas lasers pumped by generators with inductive energy storage // Laser Physics. – 2006. – Vol.16. – No.1. – Р.23–39.

50. Panchenko A.N., Tarasenko V.F., Belokurov A.N., Mendoza P., Rios I. Planar KrCl* – excilamp pumped by transverse self-sustained discharge with optical system for radiation concentration // Physica Scripta. – 2006. – Vol.74. – No.1. – P.108–113.

51. Панченко А.Н., Тарасенко В.Ф. Планарная эксилампа на хлоридах инертных газов с накачкой поперечным самостоятельным разрядом // Квант. электроника. – 2006. – T.36. № 2 – С. 169-174.

52. Лосев В.Ф., Ковальчук Б.М., Тарасенко В.Ф., Панченко А.Н., и др. Широкоапертурная эксимерная лазерная система // Квант. электроника. – 2006. – T.36. – № 1. – C.33–38.

53. Бычков Ю.И., Панченко А.Н., Тарасенко В.Ф., Тельминов А.Е., Ямпольская С.А., Ястремский А.Г.

Теоретическое и экспериментальное исследование XeCl - лазера с использованием полупроводникового прерывателя тока в схеме питания // Квант. электроника. – 2007. – Т.37. – №4. – С.319–324.

54. Панченко А.Н., Суслов А.И., Тарасенко В.Ф., Тельминов А.Е. Лазер на смеси азота с электроотрицательными газами, накачиваемый поперечным разрядом от генератора с индуктивным накопителем энергии: теория и эксперимент // Квант. электроника. – 2007. – Т.37. – №5. – С.433–439.

55. Коновалов И.Н., Панченко А.Н., Тарасенко В.Ф., Тельминов Е.А. Широкоапертурный электроразрядный азотный лазер // Квант. электроника. – 2007. – Т.37. – №7. – C.623–627.

56. Панченко А.Н., Тарасенко В.Ф., Тельминов А.Е. Рентгеновское излучение искровой системы предыонизации и плазмы объемного разряда в лазере с индуктивным накопителем энергии // Квант.

электроника. – 2007. – Т.37. – №1. – С.103–107.

57. Бычков Ю.И., Панченко А.Н., Тельминов Е.А., Тарасенко В.Ф., Ямпольская С.А., Ястремский А.Г.

KrF-лазер с накачкой двойным разрядом от генератора с индуктивным накопителем // Известия ТПУ. – 2008. – Т.312. – №2. – C.113–116.

58. Панченко А.Н., Тарасенко В.Ф. Коаксиальные эксилампы, возбуждаемые барьерным разрядом с повышенной энергией излучения в импульсе // Квант. электроника. – 2008. – Т.38. –№1. – С.88–91.

59. Panchenko A.N., Suslov A.I., Tarasenko V.F., Konovalov I.N., and Tel'minov A.E. Laser on nitrogenelectronegative gas mixtures, pumped by inductive energy storage generator: Experiment and theoretical model // Physics of Wave Phenomena. – 2009. –Vol.17. – No.4. – P.251–276.

60. Панченко А.Н., Тарасенко В.Ф. Мощные электроразрядные лазеры на плотных газах с накачкой от генераторов с полупроводниковыми прерывателями тока // Оптика атмосферы и океана. – 2010. – Т.23. – № 10. – С.865–872.

61. Орловский В.М., Панченко А.Н., Тарасенко В.Ф. Электроразрядный СО2 лазер с высокой пиковой мощностью излучения // Квант. электроника. – 2010. – Т.40. – №3. – С.192–194.

62. Генин Д.Е., Панченко А.Н., Тарасенко В.Ф., Тельминов А.Е. Влияние добавок SF6 и NF3 на режимыУФ и ИК генерации в азоте // Квант. электроника. – 2011. – Т.41. – №4. – С.360–365.






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.