В.Н. Ищенко, В.Н. Лисицын, А.М. Ражев, В.Н. Старинский

УЛЬТРАФИОЛЕТОВЫЙ   ЛАЗЕР   НА   АЗОТЕ   МОЩНОСТЬЮ   0,5 Вт

В УФ- лазере на азоте с двойным поперечным разрядом возможно эффективное охлаждение газа за счет теплопередачи на стенки, что позволяет работать без быстрой прокачки газа. Показана возможность использования такого способа охлаждения в лазерных системах со средней мощностью ~ 1—10 Вт. Экспериментально получена мощность свыше 0,5 Вт при скорости потока рабочего газа < 0,3 м/с.

В настоящей работе мы сообщаем о результатах исследований по получению высокой средней мощности импульсного ультрафиолетового лазера на азоте с λ = 337,1 нм. Задача создания источников мощного когерентного УФ- излучения продиктована потребностями ряда практических приложений. Особую важность при решении этой проблемы приобретает выбор конкретного варианта всей системы, пригодной для достаточно широкого использования. К настоящему времени наибольшая средняя мощность УФ- лазера (1,5 Вт) была получена в работе [1] при использовании тиратронного коммутатора и прокачке азота со скоростью ~ 30 м/с. Последнее обстоятельство является серьезным препятствием, так как требует либо очень большого расхода газа, либо создания замкнутой циркуляционной вакуумной системы. Мы исследовали лазерные установки, которые не требуют быстрой прокачки газа, и получили среднюю мощность 0,5 Вт при скорости потока < 0,3 м/с.
Принципиальная возможность получения средней выходной мощности на уровне одного или нескольких ватт была показана в работе [2]. При этом учитывалось, что описанные в [2, 3] системы с поперечным разрядом, в принципе допускающие работу в периодическом режиме, обеспечивают при низкой частоте следования импульсов энергию 10 мДж за импульс. Однако ряд технических аспектов, главным образом перегрев газа [4], который при уровнях накачки несколько киловатт и частоте 100 Гц определяет работоспособность системы, не рассматривался.
Конструкция разрядной ячейки, используемая в наших экспериментах, показана на рис. 1. В общем случае допускаются два канала отвода тепла: за счет смены газа в рабочем промежутке и путем теплопередачи на стенки.

Рис. 1. Разрядная ячейка с двойным импульсным поперечным разрядом:
1 — хладоагент (водопроводная вода)
2 — поджигающие электроды
3 — диэлектрические стенки ячейки
4 — основные электроды.

Отметим, что наличие второго механизма является преимуществом системы с объемной предионизацией разрядного промежутка [2], так как в других конструкциях [1, 3] для обеспечения пространственной однородности разряда стенки удаляются от зоны разряда, что существенно снижает эффективность охлаждения, обусловленную теплопередачей. Как было показано в работе [1], за счет прокачки газа даже при дозвуковых скоростях обеспечивается работа лазера с частотой порядка нескольких килогерц. Однако столь существенное усложнение лазерной установки становится оправданным лишь при достаточно высоком уровне средней мощности накачки (о конкретных цифрах речь пойдет ниже). При умеренной накачке можно использовать только второй механизм. Пределы его применимости и эффективность можно оценить, анализируя соответствующие уравнения теплопередачи.
Для ячейки на рис. 1 основной путь отвода тепла — теплопередача через диэлектрические стенки 3 на охлаждаемые поджигающие электроды 2. Для оценок воспользуемся решением одномерной задачи

ΔT = qΔ/(λSt).

Здесь ΔТ — перепад температур, при котором через слой вещества с теплопроводностью λ, площадью S и толщиной Δ за время t переносится количество тепла q.
Представляет интерес определение допустимых удельных нагрузок на единицу площади охлаждающей поверхности

P_s = qj/(St) [Вт/см²], где j = 4,18 Дж/кал— механический эквивалент теплоты.

Для стеклянных стенок Δ_с = 6см, λ_с = 2*10^-3 кал/(см• с• град) [5], ΔТ_с = 72P_s. Задаваясь ΔТ_с = 100 °С, что определяется теплостойкостью стекла, получаем P_s = 1,3 Вт/см². Эта цифра может быть увеличена до ~ 5 Вт/см² при уменьшении Δ и использовании диэлектрика с большей теплопроводностью (для кварца, например, λ_К = 3*10^-3).
Аналогичный расчет для газа, принимая λ_N2 = 10^-4 ккал/(см*с*град) [6], Δ = d/4, где d—толщина разрядного промежутка, дает ΔТ_N2 = 0,6 x 10³dP_s. Для той же нагрузки 1,3 Вт/см² и d = 0,5 см ΔТ_N2  = 400 °С, т.е. нагрев газа определяется не теплопроводностью стенок, а самим газом. При некотором повышении ΔТ и уменьшении d в разумных пределах можно увеличить среднюю тепловую нагрузку на ячейку до ~ 5 Вт/см², что, видимо, является пределом для лазерной системы без быстрой прокачки. Для реальных значений S ~ 1000 см² получаем: Р^max_cp ~ 5 кВт, что с учетом КПД ультрафиолетового N₂- лазера, равного ~ 10^-3, дает Р^вых_cp  ~ 5 Вт.
Таким образом, оценки показывают, что лазерные системы со средней выходной мощностью ~ 1—10 Вт могут быть построены без применения быстрой прокачки, разумеется, при обеспечении достаточно эффективного охлаждения газа за счет теплопроводности.
Экспериментальное изучение частотной зависимости генерации и предельной средней нагрузки для разных условий прокачки газа и различной геометрии разрядного промежутка проводилось на установке, подобной использованной в [2]. Применение в качестве коммутаторов в ГИН1 и ГИН2 импульсных водородных тиратронов (рис. 2) дает возможность работать в широком диапазоне частот.

Рис. 2. Схема генератора импульсных напряжений (ГИН) с тиратроном, включенным по схеме с общей сеткой:
С — накопительная емкость 5—30 нФ
Л — импульсный водородный тиратрон ТГИ1-2500/50.

Кроме того, представляло интерес экспериментально выяснить применимость тиратронов в схеме ультрафиолетового N₂- лазера с поперечным разрядом, их энергетические и частотные свойства в сравнении с ГИН на разрядниках [7].
Исследовались ячейки размерами d x 30 x 300 мм с d = 2,5; 5 и 10 мм в резонаторе, образованном плотным алюминированным зеркалом и кварцевой пластиной.
Газовая система обеспечивала кратковременную (~10 с) прокачку газа (технический азот) со скоростью до 1 л/с при давлении ~ 100 мм рт. ст.
Лазер работал в режиме кратковременных включений, поэтому дополнительное водяное охлаждение электродов не применялось. Измерение мощности производилось системой ФЭК — осциллограф, калиброванной по ИМО-2.
Для уменьшения собственной индуктивности основного тиратрона он был включен по схеме с общей сеткой, когда разрядный ток замыкается через промежуток анод — сетка, а запуск осуществляется подачей на катод отрицательного импульса. Такое включение возможно, пока средний ток анода не превышает максимально допустимого тока сетки, а длительность импульса мала (≤ 10^-7 с), что предотвращает образование дуги и повреждение сетки. В этом режиме оказывается возможным получение амплитуды тока анода больше паспортного значения (до 5—8 кА), что опять-таки обусловлено малой длительностью импульса и малой величиной среднего тока анода.
Скорость коммутации, которая является в данной системе основным параметром, определяющим КПД лазера, измеренная по форме импульса напряжения на активной нагрузке, оказалась равной dl/dt = 1—1,5 *10¹¹ А/с, что, хотя и превышает паспортное значение, но на порядок хуже, чем для разрядника. В соответствии с этим максимальный КПД, который удалось получить в схеме с тиратроном, не превышал 0,03—0,05 % по сравнению с 0,1—0,15 % для ГИН с разрядниками.
Несомненным преимуществом тиратрона является устойчивая работа в периодическом режиме (был опробован диапазон до 400—500 Гц) и превосходная стабильность запуска, которая гарантируется в пределах ± 5 нс и легко может быть обеспечена в пределах ± 1—2 нс. Графики зависимости выходной мощности от частоты для разных ячеек, нормированные на амплитуду при низкой частоте, приведены на рис. 3.

Рис. 3. Влияние геометрии разрядной ячейки на частотные характеристики лазера:
1 — ячейка 10 x 30 x 300 мм при слабой прокачке
2 — то же с прокачкой ~ 3 л/с
3, 4 — зазор d = 5 и 2,5 мм при слабой прокачке.

В согласии с приведенными оценками допустимая частота увеличивается с уменьшением толщины разрядного промежутка. Влияние прокачки, существенное для d = 10 мм, в пределах доступных скоростей прокачки остается незаметным для d = 2,5 мм. Считая основной причиной снижения мощности нагрев газа и принимая в качестве критерия допустимого перегрева снижение мощности в 1,5 раза, можно оценить предельную нагрузку P_sd, которая оказывается равной 0,7—1,5 Вт/см.
Этому значению соответствует перегрев газа ΔТ_N2 = 400—900 °С.
Итак, вывод о возможности существенного увеличения частоты генерации без применения быстрой прокачки газа находит экспериментальное подтверждение. При d = 2,5 мм генерация была получена с частотой до 500 Гц. Однако конструкция используемых ячеек и сравнительно низкий КПД тиратрона не позволили получить среднюю мощность более 150 — 200 мВт. Лишь с ячейкой 10 x 30 x 300 мм при прокачке 2—3 л/с удалось кратковременно получить весьма нестабильную генерацию на уровне 350 мВт. Нестабильность, видимо, обусловлена неравномерностью прокачки в нашей системе.
Лазерная установка со средней мощностью накачки 1,5—2 кВт была собрана по схеме рис. 4. Размеры активной зоны ячейки 0,5 x 6 x 60 мм, боковые стенки и электроды охлаждаются водой, предусмотрена возможность прокачки газа.

Рис. 4. Схема мощного УФ-лазера:
1 — основной ГИН с напряжением U ≤ 70 кВ и энергией до 25 Дж,  R_ш = 1 кОм
2 — поджигающий ГИН ( энергия < 0,5 Дж )
3 — полосковая линия 2 х 0,5 м с волновым сопротивлением ~ 0,1  Ом
4 — разрядная лазерная ячейка объемом 0,5 х 6 х 60 см.
ГИН 1, ГИН 2 и разрядная ячейка охлаждаются водой

ГИН собран из двух секций № 3 [7] по 5 нф, 70 кВ, включенных последовательно (см. рис. 4). Такое включение дает возможность удвоить энергию в импульсе и обеспечивает большую долговечность ГИН в периодическом режиме по сравнению с тригатронной схемой [7], так как поджигающая игла удалена из зоны основного разряда. На этой установке получена средняя мощность более 0,5 Вт (рис. 5) и пиковая мощность на частоте 25 Гц более 1,5 МВт (длительность импульса 5 нс).

Рис. 5. Выходные характеристики мощного УФ- лазера. Длительность импульса 5 нс, прокачка азота < 0,3 л/с.

Существенно, что скорость прокачки была < 0,3 л/с. Ее увеличение на порядок не приводило к заметному росту выходной мощности.
В аналогичной системе [2] был достигнут КПД 0,1 % (на низкой частоте), что дает основание надеяться за счет оптимизации размеров разрядной ячейки увеличить выходную мощность в 1,5—2 раза с теми же ГИН.

1. R. Таrg. IEEE J. Quantum Electronics, QE-8, 726 (1972).

2. В.H. Ищенко и др. «Оптико-механическая промышленность», № 3, 32 (1974).

3. В.Ф. Тарасенко, Ю.И.Бычков. ПТЭ,№ 1, 183 (1973).

4. В.М. Каслин, Г.Г. Петраш. Препринт ФИАН, 1967, № 132. В.А. Бурмакин, А.А. Дорошкин, Г.Г. Петраш. «Электронная техника»,   сер. 1, вып. 2, 142 (1970).

5. «Стекло». Справочник, под ред. Н.М. Павлушкина. Стройиздат,  1973.

6. Краткий физ.-техн. справочник. Под ред. К.П. Виноградова. М.,  Физматгиз, 1962.

7. В.Н. Ищенко, В.Н. Лисицын, В.Н. Старинский. ПТЭ, № 3, 108  (1974).