И.И. Магда, Ю.В. Ткач, Е.А. Лемберг, Г.В. Скачек, Н.П. Гадецкий, А.В. Сидельникова, В.В. Дятлова, Я.Я. Бессараб

 

 

МОЩНЫЙ  ИМПУЛЬСНЫЙ  ГАЗОВЫЙ  ЛАЗЕР  НА  АЗОТЕ  И  НЕОНЕ

 

 

Максимальные мощности генерации импульсных газовых лазеров получены при возбуждении активной среды бегущей волной в поперечном разряде в воздухе [1, 2, 3]. В таких лазерах разрядная камера составляет единое целое с плоской двойной формирующей линией, что позволяет получать скорости нарастания тока разряда до 10¹⁴ А/сек при его величине 500 кА. Широкое распространение лазеров такого типа ограничивается сложностью конструкции, малым числом посылок и сложностью эксплуатации.
В данной работе описаны две модификации мощного импульсного газового лазера с продольным разрядом и питанием от генератора импульсных напряжений, собранного по схеме Аркадьева — Маркса, и от цилиндрической двойной формирующей линии (рис. 1).

 

 

 

 

 

Рис. 1. Схема установки с питанием от генератора импульсных напряжений (а) и от цилиндрической двойной формирующей линии (б):
1 — силовой трансформатор
2 — кенотрон
3— зарядное сопротивление
4 — генератор Маркса
5 — зеркало
6 — разрядная трубка
7 — генератор импульсных напряжений
8, 13 — изоляторы
9 — водяной разрядник линии
10 — двойная формирующая линия
11 — повышающий трансформатор напряжения
12 — зарядный дроссель
14 —зеркало с алюминиевым покрытием
15 — пространство, заполненное сухим азотом
16 — разрядная трубка
17 — кварцевое окно
18 — электроды
19 — измеритель мощности ИКТ-1М.

 

 

Для лазера с питанием от генератора импульсных напряжений разрядная трубка была изготовлена из молибденового стекла и состояла из двух последовательных секций одинаковой длины, включенных электрически параллельно друг другу. Диаметр разрядной трубки изменялся от 4,5 до 13 мм, длина секции — от 30 до 45 см. На концах разрядной трубки находились юстировочные приспособления. В дальнейшем результаты приводятся для трубки диаметром 10 мм и длиной секции 45 см. Емкость генератора в «ударе» составляла 1 нф при напряжении на выходе 150—200 кВ. Для повышения крутизны фронта импульса в генераторе использовалась система из шести разрядников, находящихся под давлением 3—-5 атм, и применялись корректирующие емкости, аналогичные использованным в работе [4]. Камера разрядников наполнялась смесью азота и аргона в отношении 1 : 4. При работе генератора на согласованную нагрузку длительность фронта импульса тока составляла 3—4 нсек. При подключении его на разрядную трубку длительность фронта увеличивалась до 10—15 нсек. Суммарный ток через обе секции разрядной трубки составлял 3—4 кА при длительности импульса ~ 100 нсек. Осциллограмма импульса тока, снятая с помощью пояса Роговского, приведена на рис. 2,а.

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2. Осциллограммы импульса разрядного тока (а) и импульса генерации на азоте (б).

 

На описанной установке было получено когерентное излучение в режимах генерации и сверхизлучения. В режиме генерации использовался резонатор, образованный алюминированным сферическим зеркалом и зеркалом с диэлектрическим покрытием. В режиме сверхизлучения использовалось только одно алюминированное зеркало.

Когерентное излучение наблюдалось на переходах второй положительной системы молекулярного азота на полосах 0—0 (337,1 нм), 0—1 (357,7 нм) и 1—0 (315,9 нм), а также на линиях атомарного неона с длинами волн 540,1 (переход 2р₁—1S₄) и 614,3 нм (переход 2р₆—1S₅).
Усредненная по большому числу посылок импульсная мощность излучения на N₂ составила 200 кВт при длительности импульса не более 15 нсек, максимальная зарегистрированная мощность когерентного излучения достигала 300 кВт. Измерения проводились с помощью измерителя лазерной энергии типа ИКТ-1М (погрешность ± 15 %). Мощность генерации на чистом азоте в 1,5—2 раза превышала мощность генерации на воздухе. Максимум мощности наблюдался при давлениях 15—20 тор. При изменении давления в обе стороны она плавно уменьшалась. Осциллограмма импульса генерации на N₂, полученная при подаче сигнала с ФЭК-12 непосредственно на пластины осциллографа С1-11, представлена на рис. 2,б. Следует отметить, что генерация на линии λ = 315,9 нм раньше наблюдалась лишь при охлаждении стенок разрядной трубки до температуры жидкого азота [5]. В нашем случае она наблюдалась при комнатной температуре стенок трубки.
Мощность генерации на линиях неона составляла 10 кВт, при длительности импульса не более 15 нсек. Наиболее интенсивная генерация на линии λ = 540,1 нм наблюдалась при давлениях 15—20 тор, а на линии λ = 614,3 нм — при давлении 10^-2 тор. Максимальная частота следования импульсов в нашем случае достигала 50 гц, что не является пределом для установки такого типа. Дальнейшее усовершенствование лазера позволит получить импульсную мощность генерации до 10⁴ Вт и частоту посылок до 10³ гц.
Как уже указывалось, применение плоских двойных формирующих линий для питания газовых лазеров с поперечным разрядом позволяет осуществить эффективный режим накачки (режим бегущей волны) и получить хорошее согласование разрядной камеры с низкоомным сильноточным источником, имеющим высокую скорость нарастания тока. Коаксиальная двойная линия позволяет также получить большую плотность, тока в разрядном канале и осуществить бегущую волну накачки [6]. Однако переход, от плоских к цилиндрическим линиям приводит к принципиальным изменениям в физике работы лазера, так как меняется тип разряда и, следовательно, меняются условия возникновения генерации и механизм накачки.
На рис. 1,б приведена схема лазера на азоте с продольным разрядом и питанием от цилиндрической двойной формирующей линии. Генератор импульсных напряжений с высокой крутизной переднего фронта и регулируемым диапазоном выходных напряжений (100—500 кВ) [7] заряжает линию, которая позволяет получить на согласованной нагрузке ток 15 кА при напряжении 250 кВ с длительностью импульса 30 нсек. В качестве диэлектрика в линии использовалась дистиллированная вода (ε = 80), что позволило при сравнительно небольших размерах получить малое волновое сопротивление линии (4 Ом). В нашем случае использовалась коаксиальная разрядная трубка. Путем варьирования геометрических размеров элементов коаксиальной трубки проводилось согласование линии с трубкой для давлений, соответствующих оптимальным условиям генерации. Для предотвращения пробоев между плазмой в разрядной трубке и внешним цилиндром в пространство между ними накачивался сухой азот под давлением до 10 атм. Осциллограмма импульса разрядного тока приведена на рис. 3,а (осциллограф OK-19M).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.3 Осциллограммы импульсов разрядного тока (а) и импульса генерации азота при давлении 40 тор (б). Период калибровочного сигнала – 10 нсек.

 

 

На описанной установке была получена мощная генерация на переходах, принадлежащих второй положительной системе азота, с длинами волн 357,7, 337,1 и 315,9 нм. Мощность на этих линиях распределялась соответственно: 1,8 : 3,5 : 1. Суммарная мощность генерации на всех линиях достигала 1,8 МВт при длительности импульса 8±1 нсек и давлении 40 тор. Длительность импульса генерации при изменении давления менялась от 8 до 12 нсек. В системе использовалось одно непрозрачное алюминированное зеркало, длина разрядной трубки достигала 60 см при диаметре 12 мм. Расходимость излучения не превышала 3*10^-2 рад. Мощность излучения, снимаемая с единицы объема активной среды, составляла 30 кВт/см³, что согласуется с данными, приводимыми в работе [8]. Осциллограмма импульса генерации, полученная с помощью фотоэлемента ФЭК-12 и осциллографа 6ЛОР-2М, показана на рис. З.б. В данной работе мы не рассматривали физические процессы в разряде, обуславливающие накачку. Отметим только, что накачка осуществлялась коллективными процессами, развивающимися в разрядах с большой скоростью нарастания тока. Нами показано, что лазеры с продольным разрядом позволяют получать мощности генерации, сравнимые с мощностями генерации лазеров на поперечном разряде.

 

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 

1. I.D. Shiрmаn. Appl Phys. Letts, 10, № 1, 3 (1967).

2. D.A. Lеоnагd. IEEE J. Quantum Electronics, QE-3, 133 (1967).

3. Г.А. Абакумов, M.А. Касымджанов, В.П. Протасов, А.П. Симонов, В.В. Фадеев, Р.В. Хохлов . ЖПС, 15, 415 (1971).

4. К.М. Авакян, Ф.В. Восканян, Э.Г. Меликян. «Приборы и техника эксперимента», № 4, 87 (1969).

5. В.М. Каслин, Г.Г. Петраш. ЖЭТФ, 54, 1051 (1968).

6. М. Geller, D.Е. Аltmаn, Т.A. DеТеmрlе. J. Appl Phys., 37, № 9, 3639, (1966).

7. О.Г. 3агороднов, И.И. Магда, Н.П. Гадецкий, В.И. Беляев, Ю.В.Ткач. «Приборы и техника эксперимента», № 6, 89 (1971).

8. A.W. Ali, А.С. Коlb., A.D. Anderson. Appl Optics, 6, 2115 (1967).