Приветствую Вас Гость | Вход
Меню сайта
Главная
Азотный ТЕ лазер
Азотный ТЕА лазер
Азотный ТЕА лазер. Блюмляйн
Азотный ТЕА лазер. Блюмляйн в рулоне
Блок питания
Искровой разрядник
Разрядный резистор
Измерение напряжения
Высоковольтный конденсатор
Лампа-вспышка
Вакуумные насосы
Самодельное зеркало
Научные публикации
Литература
Обратная связь
Видеоролики
Лазер на воздухе 1
Лазер на воздухе 2
Лазер на воздухе 3
Лазер на воздухе 4
ТЕА лазер на воздухе
ТЕА лазер на воздухе. Блюмляйн
Насос " ДРОЧУН "
Насос из шприца
Мембранный насос
Насос " Z 1,2 BW "
Насос фирмы " ТАКО "
Вход на сайт
Статистика

Онлайн всего: 1
Гостей: 1
Пользователей: 0
Самодельный лазер

Н. Г. Басов,  А. Н. Брунин,  В. А. Данилычев,  В. А. Долгих,  О. М. Керимов,  А. Н. Лобанов,  С. И. Сагитов,  А. Ф. Сучков

 

УЛЬТРАФИОЛЕТОВЫЙ  ЛАЗЕР  ВЫСОКОГО  ДАВЛЕНИЯ НА  СМЕСИ  Аr + N2

 

Исследованы спектральные и энергетические характеристики лазерного и спонтанного излучения смеси Аr + N2, возбуждаемой электронным пучком. Максимальная удельная мощность генерации (~70 кВт/см3) получена при давлении смеси Ar:N2 = 10:1 около 8 атм. Эффективность преобразования энергии электронного пучка в энергию лазерного излучения на длине волны λ = 357,7 нм достигала ~ 3 %.

 

 

В настоящее время сверхизлучение на второй положительной системе азота С3Пи→В3 Пg (λ = 337,1 нм) получено как при возбуждении N2 коротким импульсом разрядного тока [1], так и пучком быстрых электронов от ускорителя [2, 3]. Однако достигнутые КПД и удельные мощности излучения малы (~ 0,6 %, ~ 1 кВт/см3 [1]; ~ 0,15 %, ~ 12 кВт/см3 [3]).
Для улучшения энергетических характеристик лазера было предложено использовать для заселения верхнего лазерного уровня азота (С3Пи) передачу энергии с возбужденных в разряде 3Р состояний аргона [4] (рис. 1).

 

Потенциальные кривые молекулы азота

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1. Потенциальные кривые молекулы азота — межядерное расстояние).

 

Однако генерация на смеси Аr + N2 не была получена. Недавние эксперименты по возбуждению Хе, Кr и Аr мощным электронным пучком показали высокую эффективность накачки (~ 20 %) уровней 3Р инертных газов [5,6].

В работах [7-9] сообщалось о получении генерации на смеси Аr + N2, накачиваемой электронным пучком. В настоящей работе приведены результаты исследований спектральных и энергетических характеристик лазерного и спонтанного излучения смеси Аr + N2.
Электронный пучок от ускорителя с холодным катодом (Е ≈ 600 кэВ, j ≈ 100 А/см2, t ≈ 10-8 с) [10]  вводился в камеру с рабочей смесью через титановую фольгу толщиной 50 мкм. Конструкция кюветы лазера на смеси Аг + N2 показана на рис. 2.

 

Лазерная камера

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2. Лазерная камера.

 

 

Рабочая камера крепилась непосредственно на выходном фланце ускорителя. Лазерная камера состоит из следующих элементов:
1 — корпус камеры из латуни;
2, 3—зеркала (или окошки из кварца «КУ» при измерении характеристик спонтанного излучения);
4 — катод ускорителя (вольфрамовые трубки);
5— титановая фольга толщиной 50 мкм, разделяющая объем камеры и объем ускорителя;
6 — анод ускорителя (три вольфрамовые проволочки с расстоянием между ними — 3 мм);
7 — отверстие для напуска газа в камеру.

 

Титановая фольга 5 металлическим стаканом прижималась к вкладышу из нержавеющей стали толщиной 3 мм с отверстиями диаметром 5 мм. Прозрачность вкладыша для пучка быстрых электронов составляла ~ 60 %. Такая система позволяет поднимать давление газа в рабочей камере вплоть до 50 атм.
Резонатор лазера был образован сферическим глухим (R = 0,5 - 5 м) и плоским полупрозрачным (Т = 0,5—35 %) интерференционными зеркалами. Диаметр используемых зеркал составлял 1 см. Для получения интерференционных покрытий с минимальным поглощением в области λ =337,7 нм из небольшой группы применяемых веществ были выбраны фтористый свинец PbF2 и криолит Na3AlF6. Длина активной области лазера составляла 4 см, а расстояние между зеркалами — 6 см.
Энергия лазерного излучения измерялась калориметром, мощность — скоростным вакуумным фотоэлементом (разрешение не хуже 10-9 с). Спектры спонтанного и лазерного излучения с помощью монохроматора BМ -1 (дисперсия 18 Ǻ/мм) фотографировались, на пленку РФ-3. Исследовалась зависимость спектральных и энергетических характеристик лазера и спонтанного излучения от состава смеси Аr + N2 при давлениях 0—20 атм.
Направленность лазерного излучения, регистрировалась с помощью фотографирования люминесцентного экрана, который располагался па различных расстояниях от выходного зеркала. В спектрах спонтанного излучения чистого азота и смесей Аr + N2 линия перехода С3П' uv=0B3 П'''gv=1 (λ = 357,7 нм) обладает наибольшей интенсивностью. Мощность спонтанного излучения возрастает примерно на порядок при добавлении аргона к азоту. Это свидетельствует о том, что прямое возбуждение уровня С3П u мало по сравнению с заселением аргоном. На рис. 3 представлена зависимость мощности спонтанного излучения для смеси Аг : N2= 4:1 от давления.

 

Зависимость удельной мощности излучения от давления газовой смеси

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 3. Зависимость удельной мощности W спонтанного излучения от давления р  смеси Ar + N2 состава 4:1.

 

 

Видно, что при давлении смеси, меньшем 5 атм, наблюдается линейное увеличение мощности спонтанного излучения с ростом давления, соответствующее линейному увеличению мощности накачки. При давлениях, больших 8 атм, мощность спонтанного излучения возрастает незначительно. В этой же области давлений заметно уменьшается мощность и энергия лазерного излучения (рис. 4, 5).

 

Зависимость удельной мощности генерации от давления газовой смеси

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 4. Зависимость удельной мощности W  генерации от давления р смеси Аr + Nсостава 4:1  при пропускании полупрозрачного зеркала Т= 12,5 %.

 

 

Зависимость удельной энергии генерации от давления газовой смеси

 

 

Рис. 5. Зависимость удельной энергии Е генерации от давления р при пропускании полупрозрачного зеркала Т= 0,5 (а), 12,5 (б), 35 % (в) и составе смеси Аr + N= 1:1 (▲), 2:1 (), 4:1 (●), 10:1 (О), 20:1 (∆), 40:1 (■)

 

 

Генерация получена на длине волны λ = 357,7 нм С3П' uv=0B3 П'''gv=1 в смеси при составах Аr : N2 от 1:1 до 100:1. Длительность импульса лазерного излучения при давлении, большем 0,7 атм, для всех исследуемых смесей составляла ~10-8с и приблизительно совпадала с длительностью импульса накачки. При давлениях лазерной смеси, меньших 0,7 атм, наблюдалось увеличение длительности импульса генерации.
Максимальная удельная мощность и энергия генерации достигали соответственно 70 кВт/см3 и 0,7 мДж/см3 при давлении смеси Аr : N2 = 10:1 около 8 атм и коэффициенте пропускания полупрозрачного зеркала Т = 35 %. Наибольшая эффективность преобразования энергии электронного пучка в энергию лазерного излучения на длине волны λ = 357,7 нм составляла ~ 3 %. Эти значения удельной мощности и КПД существенно превосходят полученные ранее [1-3].Микрофотограмма спектров спонтанного (а) и лазерного (б) излучения при давлении смеси Аr : N2 = 3,5:1, равном 14 атм, приведены на рис. 6.

 

Микрофотограмма спектров спонтанного и лазерного излучения

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 6. Микрофотограмма спектров спонтанного (1) и лазерного (2) излучения (D — почернение пленки).

 

 

Ширина линии генерации (~2 Ǻ) определяется разрешением монохроматора.
Интенсивность спектра (б) уменьшена по сравнению с интенсивностью спектра (а) примерно в 500 раз. Измерения расходимости излучения лазера показали, что она определяется параметрами используемого резонатора и составляет ~15 мрад, когда резонатор лазера образован сферическим глухим (R = 5 м) и плоским полупрозрачным зеркалами.
Можно предположить, что образование инверсии и генерация в смеси Ar+N2 происходит по следующей схеме:

 

Аr + е → Аr ++ е          (1)

Аr + е → Аr*+ е           (2)

 

Механизм исчезновения атомных ионов аргона в результате столкновений трех тел описывается реакцией

 

Аr++2Аr Аr2 ++ Аr    (3).

 

Константа скорости этой реакции, измеренная в работе [11], к3* ≈ 2,5 х 10-31см6/с.        
Константа скорости реакции

 

Аr2 + e Аr*+ Аr,     (4)

 

приводящей к образованию атомов Аr в состоянии 3Р, измерена в работе [12] и равняется к4* ≈ 7 х 10-7 см3/с.

Время жизни метастабильных уровней 3Р ар­гона ~1с [13].

В результате столкновений второго рода

 

Ar(3Р) + N2(X'Σ +gi=0  ) Аr (1S0) + N2(C3П ' uv=0)       (5)

 

образуются возбужденные молекулы N2(C3Пu) преимущественно в состоянии с v' = 0.

Эффективное сечение передачи возбуждения σ5 ≈ 3,4 х 10—16см2 [14].

Возбужденная в состояние С3 П ' uv=0  молекула азота высвечивает квант света:

 

N2(C3 П ' uv=0) t21 N2(B3 П ''uv=1 )   + hv.   (6)

 

При   высоких давлениях процессом, конкурирующим с (5), является процесс образования возбужденных молекул Аr*2, излучающих в вакуумной ультрафиолетовой области спектра:

 

Аr(3Р) + 2Ar(1S0)Аr2 ++ Аr.       (7)

 

Константа скорости образования молекул Аr*2 в тройном соударении к7* ≈ 6 х 10-33 см6/с [15].

Стационарное решение скоростных уравнений, описывающих реакции (4) — (7), показывает, что населенность уровня С3 П ' uv=0  на пороге гене­рации

 

n2 Nt21k5x(1 —х) j/[khx + k7N (1—х)2],          (8)

 

где т21— время жизни уровня относительно реакции (6)

 kh— константа скорости передачи энергии от Аr(3Р) к N2(x' Σ +g)

 j — плотность тока ускорителя

 N — число частиц в см3

 х — доля N2 в смеси

 А — нормировочная константа.

 

Нижний лазерный уровень в соответствии с принципом Франка — Кондона заселяется пренебрежимо мало, n1 = 0. В связи со столкновительным тушением уровня С3 П ' uv=0  время t21 убывает с ростом давления N2 [16]:

 

1/ t21 = 1/ t021 + 3,3 х 107 px,     (9)

 

где t021 =  4 х 10 -8с — время жизни при р = 0; р — давление смеси в атм.

Зависимости (8) и (9) качественно объясняют полученные в настоящей работе экспериментальные результаты. Уменьшение коэффициента усиления и выходной мощности при высоких давлениях, по-видимому, связано со столкновительным тушением, возрастанием скорости процесса (7), а также с увеличением ширины линии перехода.

В многокаскадной схеме с задающим генератором рассмотренная лазерная среда является перспективной для получения мощных субнаносекундных импульсов с высоким контрастом и КПД ~ 2—3 %.

 

 

 

1  D.A.Leonard. Appl. Phys. Letts, 7, 4 (1965).

2  R. W. Dreyfus, R.Т. H о d s о n. Appl. Phys. Letts, 20, 195 (1972).

3  E.L.Peterson,J.B.Gerardo, A.W.Johnson. Appl. Phys.  Letts,21.293 (1972).

4  А.В.Елецкий, В.М.Смирнов. Газовые лазеры. М., Атомиздат, 1971, с. 34.

5  J.В.Gerardo, A.W.Johnson. IEEE J. Quantum Electronics,  QE-9, 748 (1973). H. А. Коehler  et  al. Appl. Phys. Letts, 21, 1 (1972).

6  H.Г.Басов, В.А.Данилычев, В.А.Долгих, О.М.Керимов, А.Н.Лобанов, А.С.Подсосонный,  А.Ф.Сучков. «Квантовая электроника», 2. 28 (1975).

7  Н.Г.Басов, В.А.Данилычев, В.А.Долгих, О.М.Керимов, А.Н.Лобанов, А.Ф.Сучков. «Письма в     ЖЭТФ», 20, 124 (1974).

8  S. К.S е а г l е s, G. А. Н а г t. Appl. Phys. Letts, 25, 79 (1974).

9  Е.R.Ault, M.L.Вhaumik, N.Olson. IEEE J. Quantum  Electronics, QE-10,  624 (1974).

10  В. А. Д а н и л ы ч e в, Д. Д. X о д к е в и ч. ПТЭ, № 3, 157 (1971).

11  E. W. Mc Daniel et al. Ion-Molecular Reactions, Wilev-Interscience, N.-Y., 1970, p. 338.

12  J. N. В a r d s le у, М. A. В i о n d i. Advances in Atomic and  Molecular Physics., Acad. Press. N.-Y.. 1970. Ch. 1.

13  Van Dick, С.E.Johnson, H.A.Shugar.t. Phys. Rev., A5, 991 (1972).

14  О. П. Бычкова, H.В.Чернышева, Ю.А.Толмачев. «Оптика и спектроскопия», 36, 36 (1974).

15  J. Le Calve, M.Bourence. J.Chem. Phys., 58, 1446 (1973).

16  J. М. Сalo, R. C. A x t m a n. J. Chem. Phys., 54, 1332 (1971).

 

 

 

 

 

 

Конструктор сайтов - uCoz