Ю. Г. Аникиев, Р. Г. Вдовченко, С. Н. Телепин

СИСТЕМА   НАКАЧКИ   КРАСИТЕЛЕЙ   С  U-ОБРАЗНОЙ   ЛАМПОЙ   И   АКТИВНЫМ  ЭЛЕМЕНТОМ   ПРЯМОУГОЛЬНОГО СЕЧЕНИЯ

Описана система накачки красителя родамина 6Ж с кюветой прямоугольного сечения и малоиндуктивными импульсными лампами. Детально исследован КПД  ламп в различных спектральных диапазонах. Определена эффективность осветителя по расширению объема активной жидкости. При эффективности осветителя около 0,2 и КПД  лампы в области накачки родамина, близком к 16 %, получена энергия генерации 50 Дж при КПД  0,3 % и длительности импульса накачки около 20 мкс.

В настоящее время большой интерес представляют ОКГ на красителях с ламповой накачкой, так как в них можно плавно перестраивать длину волны генерации [1]. По имеющимся в литературе сведениям [2—6] на красителе родамин 6Ж с кюветой круглого сечения получена энергия генерации 12...150 Дж.
Увеличение энергии генерации требует разработки и исследования характеристик импульсных ламп с короткой длительностью вспышки (10...20 мкс).
В литературе имеется небольшое число работ [7—9 ], посвященных таким лампам. Однако из этих работ нельзя сделать окончательного вывода об их сравнительной эффективности для накачки красителей. Во-первых, исследовались лампы, рассчитанные на малые энергии.
Во-вторых, исследованные спектральные диапазоны излучения не совпадают с диапазонами, требующимися для накачки родамина 6Ж.
В-третьих, конструкции ламп и экспериментальные условия испытаний сильно отличны друг от друга.
Исследованию спектрально-энергетических характеристик импульсных ламп с большими энергиями вспышки и эффективности оптической системы накачки красителей с такими лампами и кюветой прямоугольного сечения посвящена данная работа.
В отличие от ранее опубликованных работ [7—9 ] исследовались (U-образные и зигзагообразные лампы. Конструкция и электрическая схема их испытаний приведены на рис. 1, а, б, в.

Рис. 1. Конструкции ламп (а, б ) и электрическая схема их испытаний (в). Цифрами показаны размеры ламп в мм.
R = 10 кОм
С = 12 мкФ (четыре конденсатора ИМ - 50/3)
Р — воздушный разрядник
Л₁ ... Л₄  — газоразрядные лампы

В системах накачки с активным элементом прямоугольного сечения (рис. 2, а, б) такие лампы весьма удобны.
Они имеют меньшую индуктивность, чем трубчатые, а следовательно, позволяют получить более короткую длительность вспышки.

Рис. 2. Схематическое изображение системы накачки с прямоугольной кюветой и (U-образными (а), а также зигзагообразными (б) лампами:
1 — капилляр для измерения энергии накачки, поглощенной в кювете
2 — кювета
3 — рубашка кюветы
4 — лампа
5 — отражатель
6 — активное вещество
7 — фильтр.

Уменьшение индуктивности трубчатых ламп можно достичь последовательным их включением таким, чтобы токи через соседние лампы проткали навстречу друг другу. Однако такое устройство по сравнению с U-образными и зигзагообразными лампами является более сложным, так как содержит большее количество электродов и, кроме того, соединяющие их элементы. Применение (U-образной и зигзагообразной ламп в системе накачки, показанной на рис. 2, б, позволяет получить наиболее «плотную упаковку» с активным элементом, погруженным в иммерсионную среду. При этом устраняются трудности, связанные с уплотнением выводов ламп, помещенных в жидкостный фильтр.
В лампах использовались колпачковые вводы от стандартных источников ИФП-25000. Все измерения проведены для двух ламп, соединенных последовательно, так как в этом случае обеспечивался апериодический режим разряда.
Электрическая схема включения ламп при накачке красителя приведена на рис. 1, в. Преимущество такой схемы в том, что лампы находятся под напряжением только в момент вспышки. Кроме того, если одна пара ламп не срабатывает, разряд ее батареи через другую пару ламп демпфируется большим сопротивлением и не вызывает их разрушения.
Активное сопротивление разрядного контура и индуктивность разряд­ной цепи вычислены по декременту затухания и периоду колебаний тока, определенных с помощью малоиндуктивного шунта. При этом лампы в контуре были заменены проводником, геометрически подобным им. Сопротивление контура составило 0,06 Ом, а индуктивность разрядной цепи — 2 мкГ. Лампа наполнялась ксеноном до давления 15 мм рт. ст. Дальнейшее повышение давления приводит к незначительному увеличению светоотдачи, но при этом ухудшаются прочностные характеристики и заполнение канала разрядом.
Исследовались излучательные характеристики лампы (энергетическое освечивание, КПД в соответствующем спектральном диапазоне и равномерность заполнения канала разрядом) и длительность световой вспышки в различных спектральных интервалах.
Результаты, полученные на (U-образной лампе (рис. 1, а) и зигзагообразной (рис. 1, б), совершенно аналогичны. Поэтому в дальнейшем при­ведены данные только для (U-образной лампы.
Энергетическое освечивание θ_λ1 … _λ2 в спектральных интервалах, ограниченных длинами волн λ₁ и λ₂, выделяемых цветными стеклами, из­мерялось дифференциальным термостолбиком Козырева.
Для вычисления энергии излучения и спектрального КПД η _λ1 … _λ2 эквивалентный телесный угол брался равным 10 ср [10]. Погрешность энергетических измерений не превышала ± 15 %.
Равномерность заполнения канала разрядом находилась его фотографированием с последующим микрофотометрированием. Форма и длительность вспышки в зависимости от длины волны измерялись на установке, состоящей из монохроматора ДМР-4, фотоумножителей ФЭУ-51 и ФЭУ-71 и осциллографа С1-17.
Зависимость длительности вспышки t, отсчитанной на уровне 0,35 амплитудного значения, от длины волны для нескольких значений энергии W, запасенной в конденсаторной батарее, приведена на рис. 3, а форма импульса тока и светового излучения на рис. 4.

Рис. 3. Зависимость длительности импульса излучения от длины волны λ при различных энергиях конденсаторной батареи.

Рис. 4. Зависимость энергии излучения (1) в области пропускания кварцевого баллона и КПД (2 ) от энергии конденсаторной батареи. Вверху рисунка на врезке показаны осциллограммы тока J  и светового излучения для различных длин волн, указанных цифрами, при W = 7,2 кДж.

Длительность возрастает с увеличением длины волны и при переходе к большим энергиям. Форма вспышки соответствует апериодическому разряду. В отличие от работы [9] падение длительности в области длин волн 220...270 нм является менее резким. Немонотонный ход длительности вспышки при изменении длины волны вызван, следует полагать, соответствующим ходом коэффициента поглощения плазмы [10], а большая длительность вспышки при W = 2,4 кДж по сравнению с t при W   =    4, 8 кДж недостаточным заполнением канала разрядом.
На рис. 4, 5 приведены энергия излучения W _λ1 … _λ2 спектральный КПД η_λ1 … _λ2 для нескольких спектральных областей ∆λ = λ₁…λ₂ в зависимости от W.

Рис. 5. Зависимость КПД излучения от энергии конденсаторной батареи в спектральных диапазонах: 180...280 нм (1); 280...380 нм (2); 380...500 нм (3); 500...600 нм (4); 600...700 нм (5); 700... 1000 нм (6).

В области накачки родамина 6Ж наблюдается более быстрое, чем линейное возрастание энергии излучения от энергии конденсаторной батареи, начиная с 4,5 кДж. Можно предположить, что оно обусловлено приближением оптической толщины плазмы к оптимальной, что вызвано началом интенсивной возгонки кварца со стенок лампы. Этот вывод подтверждается изломом, наблюдаемым на осциллограммах тока, напряжения и сопротивления, возникающим при этих энергиях.
Хотя излучение лампы в области 180...230 нм лежит в области полезного поглощения красителя, оно одновременно приводит к фотораспаду молекул и увеличению вредных потерь [11]. Поэтому его желательно отфильтровать.
С учетом фильтрации КПД излучения лампы в области накачки родамина 6Ж ∆λ = 230...530 нм близок к 16 %, что выше, чем у ламп для накачки неодимового стекла [12].
Красители имеют весьма высокий коэффициент поглощения [11]. Поэтому при использовании цилиндрических активных элементов большого диаметра трудно получить равномерную прокачку по сечению кюветы, а следовательно и высокую энергию генерации. Для сохранения большой площади сечения активного элемента при высокой однородности прокачки можно применить активные элементы в виде параллелепипеда [13] или дисков [14].
Эффективность исследованного выше источника для накачки родамина 6Ж была проверена в системе накачки, показанной на рис. 2, а. Кювета, изготовленная из оптического кварца, имела внутренние размеры 270 х 70 x 10 мм с толщиной стенки 3 мм. Ее торцы выставлены с точностью 20". В рубашку заливался фильтр — раствор сульфита натрия в дистиллированной воде с концентрацией 1 вес. %. Накачка осуществлялась четырьмя лампами, схема питания которых приведена на рис. 1, в. Длина кюветы подбиралась близкой к оптимальной [15], исходя из измеренного коэффициента «холодных» вредных потерь, равного 0,06 см^-1 для раствора родамина 6Ж в этаноле с концентрацией 3,6 • 10¹⁶ см^-3.
В таком осветителе с резонатором, имеющим коэффициент отражения выходного зеркала R₂= 0,45, при энергии накачки Е_н = 18 кДж, получена энергия генерации Е_г = 50 Дж. При этом КПД составил 0,3 %, удельный энергосъем 0,35 Дж/см³ и длительность импульса генерации 15 мкс.
Чтобы оценить влияние осветителя на генерацию, была экспериментально измерена эффективность всей системы накачки по увеличению объема активной жидкости под действием поглощенной радиации. Результаты измерений представлены на рис. 6.

Рис. 6. Зависимость энергии накачки, поглощенной в кювете, от энергии конденсаторной батареи.

Более быстрый, чем линейный рост энергии, поглощенной в кювете, от энергии накопителя, обусловлен аналогичной зависимостью энергии излучения ламп от энергии накачки.
Фактически поглощенная энергия в кювете больше, потому что часть ее уносится излучением люминесценции. Поправка на люминесценцию была вычислена, так как известны квантовый выход, близкий к 90 % [16], не зависящий от длины волны [17], а также спектр поглощения красителя [16] и найденный нами спектр излучения лампы.
С учетом поправки эффективность системы накачки ~ 0,04. Так как η_180...530  ≈ 20 %, то эффективность осветителя ~ 0,2.
Как видим, эффективность осветителя довольно низка. Расчет, результаты которого будут опубликованы отдельно, показал, что ее можно повысить в три раза благодаря более плотной упаковке и введению иммерсии в осветитель с зигзагообразными лампами, показанный на рис. 2, б. В этом случае при неизменных параметрах ламп и резонатора энергия генерации и КПД должны составить 150 Дж и 1 %.
В заключение отметим, что использование кювет прямоугольного сечения допускает дальнейшее увеличение габаритов ОКГ, а следовательно, и энергии генерации.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1  Б.Н. Степанов, А. Н. Рубинов. УФН, 95, № 1, 45 (1968).

2  С. А. Михнов, В.С. Стрижнев. ЖПС, 17, № 1, 38 (1972).

3  P. Anliker, М. Gassman, Н. Weber. Optics Comm., 5, N 2, 137 (1972).

4  В. А. Алексеев, И.В. Антонов, В.Е. Коробов, С.А. Михнов, В.С.Прокудин, Б.В. Скворцов. «Квантовая электроника», под ред. Н.Г. Басова, № 6, 100 (1971).

5  Ф.Н. Балтаков, Б. А. Барихин, В. Г. Корнилов, С. А. Михнов, А. Н. Ру­бинов, Л.В. Суханов. ЖТФ, 42, № 7, 1459 (1972).

6  В.А. Алексеев, И. В. Антонов, Г.И. Кромский, С.А. Михнов, В.С. Прокудин, А.Н. Рубинов, Б.В. Скворцов, Б.И. Степанов. Ан­нотации докладов, представленных на Всесоюзную конференцию по нелинейной оп­тике (Кишинев, 1970). МГУ, 1970,  с. 80.

7  В.Н. Будник, Н.А. Козлов, В.А.Малашенков. ЖПС, 13, № 6 979 (1970).

8  В.Н. Будник, Н.А. Козлов, В.А. Малашенков. ЖПС, 13, № 4, 617 (1971).

9  В.Г. Игнатьев, В.М. Подгаецкий. «Квантовая электроника», под ред. Н. Г. Басова, № 4, 121 (1971).

10  А.С. Дойников, Е.А. Еремин, Ю.А. Калинин, В.К.Пахомов. В сб. «Импульсная фотометрия». Л.,  

     «Машиностроение», 1972, с. 126.

11  А.Н. Рубинов, Т.И. Смольская, С.А. Михнов. ЖПС. 13, 368 (1970).

12. Ю.Г. Аникиев, Р.Г. Вдовченко, М.Е. Жаботинский, И.С. Маршак,   

       «Оптика и спектроскопия»  32, № 2, 392 (1972).

13. Ю. А. Калинин, А. А. Мак. «Оптико-механическая промышленность», № 2, 61 (1970).

14. J.Е. Swaiп, R.Е. Кiddеr, К. Реttiriесе, F. Rainеr, Е.D. Вaiгd, В. Lоth. J. Appl. Phys., 40, 3973 (1969).

15. Методы расчета оптических квантовых генераторов. Под ред. Б.И. Степанова, т. 1, Минск, «Наука и техника», 1966.

16. Б. И. Степанов, А. Н. Рубинов, В. А. Мостовников. Препринт  Института физики АН БССР , Минск, 1971

17. А. А. Шишловский  Прикладная физическая оптика. М., Физматгиз, 1961.