А.В. Армичев, В.С. Алейников, Т.Б. Фогельсон

МОЩНЫЙ   УФ   ЛАЗЕР   НА   АЗОТЕ   С   ПОПЕРЕЧНЫМ РАЗРЯДОМ   БЕЗ   ПРОКАЧКИ   ГАЗА

Показана возможность работы в «отпаянном» режиме мощного (импульсная мощность 1 МВт, средняя мощность 350 мВт) УФ лазера на азоте с поперечным разрядом. Прибор испытан на долговечность при средней мощности 250 мВт в течение 550 ч (10⁸ имп.). В процессе испытаний мощность оставалась практически неизменной. Основным фактором, ограничивающим долговечность, является поглощение азота, составляющее 5*10¹³ молекул/импульс при энергии накопителя 9 Дж.

Введение

Азотный лазер с поперечным разрядом является одним из наиболее мощных источников когерентного излучения ближнего УФ диапазона (λ = 0,337 мкм). Особенно эффективно эти лазеры применяются для накачки перестраиваемых лазеров на органических красителях.
Все выпускаемые за рубежом [1] и в СССР [2]  азотные лазеры с поперечным разрядом имеют разборную конструкцию и работают только в режиме непрерывной прокачки азота. Типичная скорость газового обмена находится в пределах 13—60 л/мин. Такая скорость позволяет компенсировать газоотделение и натекание воздуха в трубку через уплотняющие прокладки. Прокачка газа способствует также некоторому увеличению выходной мощности вследствие частичного отвода метастабильных атомов и ионов из разряда.
Прокачные разборные конструкции обладают рядом достоинств, в частности возможностью замены оптики и регулировкой давления в процессе эксплуатации для получения оптимальной мощности. Однако громоздкая система газового обмена существенно ограничивает их использование и ухудшает стабильность выходной мощности азотных лазеров и соответственно перестраиваемых лазеров на красителях.
В настоящей работе приведены результаты исследования азотного лазера с поперечным разрядом с уровнем импульсной мощности Р = 1 МВт при энергии 10 мДж и средней мощности до 350 мВт, работающего в отпаянном режиме.

Конструкция  лазера

Основой отпаянного лазера является вакуумно-плотная разрядная трубка. Конструкция разрядной трубки (рис. 1) традиционна для приборов этого типа, где для уменьшения индуктивности электроды являются частью корпуса трубки.

Рис. 1. Конструкция разрядной трубки:
1 — анод
2 — диэлектрические пластины
3 — катод
4 — водяные каналы охлаждения
5 — боковая диэлектрическая стенка.        

Рабочая поверхность электродов выполнена из малораспыляющегося алюминиевого сплава Д16Т. Диэлектрические пластины, соединяющие электроды, изготовлены из вакуумно-плотной алюмооксидной керамики 22ХС, обладающей высокой теплопроводностью (λ_т = 0,03 кал/(см*°С). Электроды охлаждаются водой. Высокая теплопроводность керамики обеспечивает отвод энергии не только из зон разряда, примыкающих к электродам, но и из всего разрядного объема, значительная часть которого контактирует с керамическим изолятором. Сечение разрядного накала составляет 8 x 28 мм, длина — 700 мм.
В лазере применен внутренний вакуумный оптический резонатор, состоящий из глухого зеркала с радиусом кривизны 5 м, с интерференционным диэлектрическим покрытием, которое обеспечивает коэффициент отражения 97—98 %, и выходного зеркала, в качестве которого используется плоская кварцевая пластина.
Были проведены расчеты распределения электрического поля для различных конфигураций электродов в разрядной области без учета искажения поля объемными зарядами. Они показали, что для обеспечения равномерного заполнения плазмой междуэлектродного промежутка целесообразно применение цилиндрического катода и плоского анода.

Электрическая  схема  возбуждения

На рис. 2 приведена схема возбуждения лазера.

Рис. 2. Схема возбуждения лазера:
В — выпрямитель
Д — зарядный диод
L — зарядный дроссель
Т — тиратрон
С₁ — накопительная емкость
L_n — дроссель
С₂ — плоские линии
Л — разрядная трубка

В качестве коммутатора использован импульсный водородный тиратрон ТГИ1-1000/25, помещенный в специальный коаксиальный корпус. Накопительная емкость 60 нФ состоит из параллельно включенных малоиндуктивных конденсаторов типа К-15-10.
Мeждy накопительной емкостью и разрядной трубкой помещены две плоские формирующие линии из фольгированного стеклотекстолита, обеспечивающие равномерный подвод энергии к разрядной трубке и минимальную индуктивность рабочего контура, содержащего разрядную трубку и плоскую линию (волновое сопротивление плоской линии ρ ≈ 0,1 Ом).
Индуктивность тиратронного контура сделана минимальной для повышения крутизны нарастания напряжения на разрядной трубке и увеличения пробивного потенциала, что повышает температуру электронов в разряде. Ток через разрядную трубку определяется конечным разрядным контуром, состоящим из плоской линии и трубки. В используемой схеме благодаря перенапряженному пробою разрядной трубки, обеспечивающему малое время развития разряда, и низкому волновому сопротивлению рабочего контура ток через разрядную трубку примерно в три раза превышает ток в тиратронном контуре и достигает 30 кА.

Характеристики  лазера

Все характеристики, приведенные ниже, измерены после тренировки разрядной трубки в рабочем режиме с пяти-восьмикратной сменой газа. На рис. 3 дана зависимость энергии излучения от напряжения накопительной емкости в отпаянном режиме и режиме прокачки азота со скоростью 3,5 л/мин.

Рис. 3. Зависимость энергии излучения от напряжения на накопительной емкости С₁ при частоте повторения f = 20 имп./с в отпаянном (1) и прокачном (2) режимах

В отпаянном режиме энергия излучения снижается примерно на 10 %. На рис. 4 приведена зависимость энергии излучения от давления азота при постоянном напряжении заряда емкости С₁ в диапазоне частот повторения 20—60 имп./с.

Рис. 4. Зависимость энергии излучения от давления азота при частоте повторения f = 20 (1, 2), 40 (3), 60 имп./с (4) и U_с = 25 (1) и 20 кВ (2-4)

По мере роста частоты повторения наблюдается снижение оптимального давления азота. Это можно объяснить ростом остаточной концентрации заряженных частиц и метастабильных атомов и подтверждается снижением потенциала зажигания разряда в трубке по мере роста частоты повторения. На основании проведенных исследований было установлено рабочее давление азота для получения максимальной энергии излучения в достаточно широком диапазоне частот повторения и напряжения на накопителе.
На рис. 5 даны зависимости импульсной и средней мощности излучения от частоты повторения и напряжения на С₁, измеренные при давлении 40—45 мм рт. ст. в отпаянном режиме.

Рис. 5. Зависимость импульсной (1—3) и средней (4—6) мощности от частоты повторения импульсов в отпаянном режиме при давлении азота 45 мм рт. ст. и U_c =25 (1), 22 (2, 4), 20 (3, 5) и 15 кВ (6) 

Максимальная энергия излучения при частоте повторения 20 имп./с и напряжении на накопителе 25 кВ составила 10 мДж.
Длительность импульса (на уровне 50 % амплитуды) равна 9,5 нc. Импульсная мощность 1 МВт, средняя мощность при частоте повторения 60 имп./с равна 350 мВт.
Для большинства применений азотного лазера очень важно распределение мощности излучения по сечению луча. Распределение плотности мощности измерялось сканированием по сечению термоэлектрического приемника ИМО-2, имеющего входную диафрагму Ø 2 мм, расположенного на расстоянии 300 мм от выходного окна. На рис. 6 приведено распределение плотности мощности по сечению. Плотность мощности монотонно спадает к краям апертуры, ограничивающей излучение.

Рис. 6. Распределение плотности мощности по сечению на расстоянии 300 мм от выходного окна лазера

Долговечность

Разрядная трубка была испытана на долговечность при начальном давлении азота, равном 40 мм рт. ст. Режим испытания: частота повторения f = 45 имп./с; напряжение на накопителе U_c = 18,5 кВ, что соответствует амплитуде напряжения на разрядной трубке U_T =12 кВ. К трубке был присоединен балластный объем, равный 2 л. Начальное значение средней мощности излучения составило 270 мВт, энергия за импульс 6 мДж.
На рис. 7 приведено изменение средней мощности излучения от времени и числа импульсов работы лазера.

Рис. 7. Изменение средней мощности излучения при испытании лазера на долговечность в отпаянном режиме в зависимости от времени и числа импульсов при f = 45 имп./с и U_с= 18,5 кВ (стрелками показаны моменты добавления азота)

В течение первых 110 ч (1,7*10⁷ имп.) мощность излучения оставалась практически постоянной, после чего она начала слегка уменьшаться и к 150 ч (2,5*10⁷ имп.) снизилась на 10 %. Для выяснения причины снижения мощности после 150 ч было измерено давление азота в трубке и установлено, что снижение мощности определялось поглощением азота в процессе работы и полностью коррелировало с зависимостью мощности излучения от давления азота (рис. 8, кривая 1).

Рис. 8. Зависимость средней мощности излучения от давления после 150 (1) и 450 ч (2) испытания на долговечность (f = 45 имп./с)

В процессе испытания из присоединенных к резервному объему ампул периодически добавлялся азот при повышенном давлении (каждая из ампул содержала 25 л*мм рт. ст. N₂) без разгерметизации системы. Добавление азота позволило провести испытание в течение 550 ч (9*10⁷ имп.).
Давление азота находилось в пределах 30—50 мм рт. ст. Поглощение азота за время испытания составило 120 л*мм рт. ст. За каждые 100 ч поглощалось 4 активных объема разрядной трубки. Усредненное количество поглощенного N₂ составило 4,6*10¹³ молекул за импульс.
Мощность излучения за 550 ч при р = 40 мм рт. ст. уменьшилась на 12 %. Это уменьшение может быть объяснено загрязнением выходного зеркала продуктами распыления электродов разрядной трубки. Прозрачность зеркала при λ = 0,337 мкм до испытания в приборе составляла 92 %, после 550 ч работы — 78 %. Уменьшить запыление выходного зеркала можно путем удаления от него границы разряда. При этом необходимо учесть, что значительное удаление границы разряда от зеркала увеличит длину резонатора и, следовательно, может снизить мощность излучения, так как длительность существования инверсии составляет 10 нс.
Помимо испытания на долговечность, результаты которого даны на рис. 7, на той же разрядной трубке дважды были проведены длительные испытания после чистки зеркал. Общее время испытания составило 1300 ч. Количество поглощенного газа в условиях, близких к первому испытанию, составило от 5,6 до 3,8*10¹³ молекул за импульс. Насыщения в режиме поглощения не наблюдалось.

Заключение

Проведенные исследования показали возможность длительной работы в отпаянном режиме УФ лазера на азоте с поперечным разрядом при высоком уровне импульсной (650 кВт) и средней (250—270 мВт) мощности излучения. Примечание: при проведении настоящей работы авторы ознакомились с работой [3] , где отпаянный режим азотного лазера с поперечным разрядом реализован со средней мощностью излучения, на два порядка меньшей, чем в настоящей работе. Основным фактором, ограничивающим долговечность разрядной трубки, является интенсивное поглощение азота. Для обеспечения срока службы порядка 1000 ч (2*10⁸ имп.) необходим запас азота 400—500 л*мм рт. ст., что может быть осуществлено подключением либо соответствующего резервного объема, либо химического источника газа. Борьба с другим фактором, снижающим мощность излучения — запылением зеркала продуктами распыления электродов — может быть осуществлена путем совершенствования конструкции разрядного промежутка.

1. Laser Focus Buyers Guide, 1978.

2. Газовые лазеры: Сб. ст./Под ред. Р.И. Солоухина, В. П. Чеботаева. — Новосибирск: Наука, Сибирское отделение, 1977.

3. Н.М. von Bergmann . J. Phys. Е, 10, 1210 (1977)