П. П. Брынзалов,  Б. О. Зикрин,  Н. В. Карлов,  И. О. Ковалев,  А. В. Кораблев,  Г. П. Кузьмин

АЗОТНЫЙ   ЛАЗЕР   НА   ОСНОВЕ   СКОЛЬЗЯЩЕГО  ПО  ПОВЕРХНОСТИ   ДИЭЛЕКТРИКА   РАЗРЯДА

Исследован азотный УФ лазер, возбуждаемый скользящим по поверхности диэлектрика разрядом. Показано, что излучение такого лазера имеет малую расходимость и высокую плотность мощности. Получена устойчивая работа лазера на азоте и воздухе при частоте повторения импульсов 500 Гц без обновления газа.

Значительное внимание к лазеру на азоте обусловлено его энергетическими возможностями, спектральным диапазоном генерации в УФ области и широким кругом применений [1, 2]. При решении ряда важных научных и прикладных задач наиболее существенными параметрами являются угловая расходимость и плотность мощности. Известно, что для суперлюминесцентных лазеров с большим коэффициентом усиления расходимость определяется отношением поперечных размеров активной среды к ее длине ( как правило, по порядку величины это несколько миллирадиан). Принятие специальных мер в конструкции и выбор режима работы лазера позволяют уменьшить расходимость на порядок [3].
Исследования скользящего по поверхности диэлектрика разряда показали, что разряд локализуется вблизи поверхности диэлектрика, имеет толщину менее 1 мм [4] и может быть получен в азоте и воздухе при частотах повторения до 10 кГц и давлении порядка 30 мм рт. ст. без продува газа [5].
В ранних работах генерация азотного лазера при накачке скользящим разрядом была получена либо в разрыве линии  [6], либо при коаксиальном возбуждении разряда  [7], что обеспечивало формирование наносекундных импульсов тока. Нами исследованы особенности азотного лазера, работающего на длине волны 337,1 нм и накачиваемого скользящим разрядом без принятия особых мер к формированию токового импульса.
Скользящий разряд в наших экспериментах формировался на поверхности диэлектрика размерами 750 х 44 мм. В качестве диэлектрика использовалась полированная с двух сторон пластина из кристаллического лейкосапфира размерами 800 x 80 мм и толщиной 1 мм.
Электроды толщиной 0,1 мм изготовлены из листовой стали. На рис. 1 приведена электрическая схема импульсного питания скользящего разряда. 

Рис.1 Схема экспериментальной установки:

С₀ — накопительная емкость; С₁ — обостряющая емкость; R — зарядное сопротивление; Р — искровой разрядник

При С₀ = 15 нФ и С₁ = 2,5 нФ индуктивность контура составляла около 100 нГ, а длительность импульса напряжения по полувысоте 60 нс. Резонатор лазера длиной 1 м состоял из плоского Аl зеркала и плоскопараллельной кварцевой пластины. Спектр излучения регистрировался с помощью зеркального монохроматора SPM -2, энергия в импульсе измерялась ИМО -2Н, а временные характеристики — фотодиодом ЛФД -2 и осциллографом С1 -75.
Сначала в режиме одиночных импульсов исследовалась работа лазера в чистом азоте, в смеси N₂—Не и на воздухе. На рис. 2 показана зависимость энергии лазерного импульса от давления чистого азота (кривая 1) и воздуха (2).

Рис. 2. Зависимость энергии лазерного импульса от давления чистого азота (1) и воздуха (2) (С₀ = 15 нФ, С₁ = 2,5 нФ, U  = 55 кВ)

В обоих случаях оптимальное давление находится в интервале 15—20 мм рт. ст. При этом оптимальном давлении газа энергия лазерного импульса на воздухе приблизительно в два раза меньше, чем в азоте. Столь малое падение энергии можно объяснить несущественным влиянием кислорода на дезактивацию верхнего лазерного уровня в указанном диапазоне давлений [8]. Известно [9, 10], что добавка гелия в качестве буферного газа улучшает стабильность работы лазера с традиционной геометрией разряда, а в отдельных случаях повышает энергию либо пиковую мощность. В наших экспериментах при исследовании влияния гелия (рис. 3) было замечено, что для смеси N₂:He = 1:1 при общем давлении 30 мм рт. ст. импульсная мощность возрастает по сравнению с чистым N₂ приблизительно на 20 % при неизменной длительности импульса 6,5 нс.

Рис. 3. Зависимость импульсной мощности лазера от содержания гелия в смеси N₂—Не с давлением р_см

Генерация в азотном УФ лазере наблюдалась также в смеси азота с гелием при общем давлении 1 атм. Лазер работал устойчиво.
Для оценки поперечных размеров активной лазерной среды, формируемой скользящим разрядом вблизи поверхности тонкостенного диэлектрика, были проведены исследования распределения энергии в лазерном пятне. Для этого использовался чувствительный пироэлектрический приемник, перед которым устанавливалась щелевая диафрагма. В ближней зоне на расстоянии приблизительно 20 см от выходного окна лазера размеры лазерного пятна с половинной интенсивностью излучения составили (0,5—0,6) х 22,5 мм. Исследования распределения энергии в лазерном пятне на расстоянии 5,5 м позволили оценить лазерную расходимость. Измеренная таким способом расходимость лазерного излучения на половине интенсивности составила 0,45 х 8,0 мрад соответственно в поперечном и продольном на­правлениях к поверхности диэлектрика при давлении азота в лазерной камере р = 18 мм рт. ст.
Помимо расходимости важным параметром любого лазера является плотность энергии либо плотность мощности. Максимальная плотность мощности в нашей конструкции азотного лазера составляет 1—3 МВт/см².
Интересной особенностью данной конструкции азотного лазера является наличие большой площади соприкосновения активной среды, имеющей малые поперечные размеры 0,5 х 22 мм, с поверхностью тонкостенного диэлектрика. В [11] была показана существенная роль поверхности диэлектрика в охлаждении газовой среды мощного азотного лазера, работающего с высокой частотой повторения импульсов при слабой прокачке газа. Импульсно-периодический режим работы лазера исследовался без прокачки газа с двумя импульсными схемами питания лазера. При частоте следования импульсов генерации до 30 Гц применялся импульсный генератор (см. рис. 1) с основной емкостью 20 нФ, заряженной до напряжения 40 кВ. Емкость коммутировалась искровым разрядником. Параллельно скользящему разряду установлена обостряющая емкость С ₁     = 2,5 нФ. При давлении 18 мм рт. ст. максимальная средняя мощность для азота была около 7 мВт, а для воздуха — около 3 мВт, т. е. 42— 43 % мощности в азоте. Для исследования работы лазера на более высоких частотах применялся импульсный генератор с накопительной емкостью С₀ = 3,4 или 10 нФ, которая коммутировалась с по­мощью тиратрона ТГИ 1000/25. Соответствующие обостряющие емкости С₁ бы­ли 0,8 и 2,5 нФ. На рис. 4 представлены зависимости энергии лазерного импульса средней мощности излучения для двух емкостей накопительного конденсатора. 

Pиc. 4. Зависимость энергии лазерного импульса (1, 2) и средней мощности (3, 4) от частоты следования импульсов при p_N2 = 24 мм рт. ст.; С₀ = 3,4 (1, 4) и 10 нФ (2,3); С₁= 0,8 (1,4) и 2,5 нФ (2, 3)

Для рассматриваемых случаев получена средняя мощность выше 3 и 7 мВт при частоте следования импульсов около 180 Гц. При частоте следования импульсов 500 Гц лазер излучал 1,5 мВт.
Максимальная частота следования импульсов 500 Гц ограничивалась возможностями источника питания. Кроме того, наблюдаемое уменьшение энергии лазерного импульса с ростом частоты повторения обусловлено преимущественно недозарядкой накопительной емкости.
Следует отметить, что лазерная генерация на длине волны 337,1 нм в режиме одиночных импульсов была получена при длине разрядного промежутка на поверхности стеклотекстолита до 170 мм.
Таким образом, проведенные исследования импульсно-периодического азотного УФ лазера на основе скользящего по поверхности диэлектрика разряда показали, что, с одной стороны, скользящий разряд представляет определенный практический интерес для формирования узконаправленных лазерных пучков с высокой плотностью мощности, а с другой — исследование свойств лазерной среды может дать дополнительную информацию о самом скользящем разряде.
Кроме того, важно отметить, что скользящий по поверхности диэлектрика разряд можно использовать для возбуждения других газовых сред. Так, при напуске в лазерную камеру неона при давлениях 15—30 мм рт.ст. нами наблюдалась генерация на самоограниченном переходе в зеленой области спектра (λ = 540,1 нм).

1  Е.  Armandillo, A. J. Kearsley. Appl.  Phys. Letts, 41, 611   (1982).

2  С. H. Дорофеев, Н. А.Козлов, А. Г. Климашина. ЖПС, 35, 612 (1981).

3  В.  Godard, М. Vannier.    Optics Comms, 16, 37 (1976).

4  Н.  В. Карлов, А. В. Кислецов, И.О. Ковалев, Г. П. Кузьмин, А.А. Нестеренко, Г.Р.Токер. Письма в ЖТФ, 12, 617 (1986).

5   В. Ю. Баранов, В. М. Борисов. Препринт ИАЭ им. И. В. Курчатова, М., 1981, № 347217.

6  В. С. Антонов, И. Н. Князев, В. Г. Мовшев. Квантовая электроника, 1, 433 (1974).

7  П. Н. Дашук, С. Л. Кулаков. Письма в ЖТФ, 7, 1307 (1981).

8  Г. Г. Арутюнян, Г. А. Галечан. ЖТФ, 51, 155 (1981).

9  С. N. Brito Cruz, В. Loureiro, A. D. Tavares, A. Scalabrin. Appl.Phys.  В., 35, 131 (1984).

10  Э. И. Асиновский, Л. М. Василяк и др. ЖПС,  42, 131 (1985).

11  В. П. Ищенко, В. Н. Лисицын, А. М. Ражев, В.Н. Старинский.  Квантовая электро­ника, 2, 1777 (1975).