В. С. Антонов, И. Н. Князев, В. Г. Мовшев

ГЕНЕРАЦИЯ   АЗОТНОГО   ЛАЗЕРА   УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ДИАПАЗОНА   В   ОТКРЫТОЙ   ВОЗДУШНОЙ   КЮВЕТЕ   С ПОПЕРЕЧНЫМ   ВОЗБУЖДЕНИЕМ

Переход к атмосферному давлению газа в системах с поперечным возбуждением существенно улучшает энергетические параметры лазерного излучения при одновременном снижении требований к герметичности лазерной кюветы. С этой точки зрения особый интерес представляет азотный лазер ультрафиолетового диапазона, генерация которого мощностью ~ 2 Вт наблюдалась ранее [1] в воздухе при атмосферном давлении в системе с продольным возбуждением импульсом напряжения с амплитудой до 350 кВ. Генерация в чистом азоте при атмосферном давлении наблюдалась нами ранее [2]. В настоящей работе сообщается о сверхсветимости азотного лазера ультрафиолетового диапазона в открытой воздушной кювете с поперечным возбуждением. В технологическом отношении этот лазер является, по-видимому, наиболее простым с точки зрения лазерной техники.

Сверхсветимость азотного лазера ультрафиолетового диапазона в открытом воздухе использовалась нами для юстировки электродов кюветы водородного лазера вакуумного ультрафиолета.
Лазер возбуждался с помощью плоской линии Блюмляйна [3] размером 30 х 50 см² (рис. 1). 

Рис. 1. Схема возбуждения лазера с постоянной зарядкой линии:
1 — диэлектрический коммутатор
2 — электроды линии
3 — полированная стеклянная пластина
4 — люминесцирующий экран
5 — диэлектрическая прокладка
V_З — напряжение зарядки линии.

Для получения генерации при атмосферном давлении газа требуется относительно высокое напряжение зарядки линии V₃. Основные трудности при зарядке линии в воздухе связаны с тем,что при V₃ = 40 кВ возникают интенсивный коронный разряд и пробои по поверхности диэлектрика, предотвращающие дальнейший рост напряжения на линии. Протяженность пробоев составляла 40 ... 50 см.
В экспериментах использовались две системы возбуждения: с импульсной и с постоянной зарядкой линии (рис. 1, 2). Эффективное подавление коронного разряда в импульсной системе (рис. 2) обеспечивалось за счет короткого времени зарядки ( ~ 150 нс) до напряжения 150 кВ.

Рис. 2. Схема возбуждения лазера с импульсной зарядкой линии:
С = 0,15 мкФ
P₁ — воздушный разряд­ник
ИТ — импульсный трансформатор с коэффициентом трансформации 3
Р₂ — воздушный разрядник или коммутатор на диэлектрической пленке
L — зарядная индуктивность (100 нГ при волновом сопротивлении линии Блюмляйна 5 Ом).

В линии использовался воздушный разрядник Р₂ или коммутатор на диэлектрической пленке. Для подавления коронного разряда в системе с постоянной зарядкой использовалась биполярная линия с зарядкой верхней и нижней пластин до равного по величине и противоположного по знаку напряжения (± V₃/2). При надлежащей изоляции пластин пороговое напряжение возникновения коронного разряда и поверхностных пробоев для биполярной линии примерно вдвое выше, чем при однополюсной зарядке. Система с биполярной зарядкой выгодно отличается в практическом отношении от метода изоляции линии путем погружения в дистиллированную воду [4] или масло. Наиболее удобной для возбуждения лазеров атмосферного давления является, по-видимому, биполярная линия Блюмляйна с переменным профилем и трансформацией напряжения, обеспечивающей формирование короткого ( ~ 3... 4 нс) импульса напряжения с амплитудой до сотен киловольт (действие этой линии будет подробно описано позже).
Разрядный промежуток (рис. 1) образовывался плоскими металлическими электродами толщиной ~ 0,5 мм с полированными гранями, наклеенными на расстоянии 1 см с точностью ~ 0,1 мм на несущую пластину из полированного стекла.
Разряд имел вид прилегающих друг к другу относительно узких, слабо искривленных искр длиной ~ 1 см (диаметр светящейся области ~ 0,5 мм), пространственно расположенных на поверхности стеклянной пластины на среднем расстоянии ~ 3 ... 4 мм. Сверхсветимость наблюдалась на люминесцирующем экране в виде яркой горизонтальной полосы. Визуальный порог сверхсветимости по напряжению зарядки биполярной линии с коэффициентом трансформации ~ 3 равнялся ~ 15 кВ и лишь на 3 кВ превышал порог возникновения разряда. Мощность генерации при напряжении зарядки 30 кВ достигала нескольких десятков киловатт. При этом никаких специальных мер по оптимизации условий возбуждения (имеются в виду коэффициент трансформации и напряжение зарядки линии) не принималось. В системе с импульсной зарядкой отмечено существенное увеличение мощности генерации при использовании электрического коммутатора вместо воздушного разрядника.
В экспериментах обнаружено сильное влияние верхней стеклянной пластины на сверхсветимость азота. При установке верхней пластины на электроды сверхсветимость в канале высотой h = 0,5 мм не наблюдалась. Сверхсветимость возникала снова при увеличении зазора между стеклом и электродами до 1 мм, существенных изменений в форме разряда не отмечалось. При использовании в качестве электродов медной фольги толщиной 50 мкм сверхсветимость наблюдается при высоте разрядного канала h ≥1 мм и плотном прилегании верхней пластины к фольге, т. е. при h = 50 мкм.
Указанные выше особенности генерации связаны, по-видимому, с перераспределением средней плотности тока по высоте разрядного канала при установлении верхней пластины. Существенную роль может играть ухудшение условий развития разряда в связи с увеличением диффузионных потерь электронов на стенках. В сверхузком канале с h = 50 мкм нежелательное влияние диффузии, по-видимому, компенсируется за счет более высокой плотности тока в разряде.
Воздушный азотный лазер ультрафиолетового диапазона с постоянной зарядкой отличается технологической простотой, не требует дорогих материалов, вакуумного оборудования. Для него не существует проблемы отпайки, а срок службы определяется, по-видимому, лишь постепенным обгоранием электродов. Уникальные параметры импульса возбуждения: амплитуда напряжения около сотни киловольт и наносекундный фронт нарастания — обеспечиваются относительно простыми техническими средствами. Использование газового разрядника под давлением позволит, видимо, получить генерацию в режиме частых повторений.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1  A. Svedberg, L. Hogborg, R. Nilsson. Appl. Phys. Letts, 12, 102 (1968).

2  I.M. Knyazev, V.S. Letokhov, V.G. Movsev. Optics Comm., 6, 250 (1972).

3  R.Т. Hоdgsоn. Phys. Rev. Letts, 25, 494 (1970).

4  R.W. Waynant, J.D. Shipman, R.C. Elton, A.М. Ali. Appl.  Phys. Letts, 17, 383 (1970).