А.Ю.Сонин

Характеристики   УФ   азотного  лазера  с  поверхностным  и  объемным   разрядами

Продемонстрирована эффективность и перспективность использования поверхностного разряда для УФ генерации на самоограниченном переходе С³ _πu→ B_πg молекулярного азота. Изучение кинетики УФ генерации показало, что основные процессы, приводящие к инверсии населенностей, происходят в стадии формирования разряда. УФ азотные лазеры с поперечным поверхностным разрядом имеют повышенную плотность мощности излучения, обеспечивающую безлинзовую накачку органических красителей и высокою чистоту повторения импульсов генерации.

УФ азотные лазеры (λ = 337,1 нм) находят широкое применение в различных областях науки и техники [1 -3]. Однако распространенные конструкции таких лазеров с поперечным объемным разрядом (ПОР) могут работать лишь с частотами повторения импульсов генерации в десятки герц [4]. В то же время разрядные лазерные камеры с поперечным поверхностным разрядом (ППР) обеспечивают работу до частот в несколько килогерц [5]. До настоящего времени комплексного сравнительного исследования УФ азотных лазеров с этими типами разрядов с целью определения наиболее перспективных конструкций проведено не было.
В данной работе предпринята попытка сравнения различных конструкций лазерных камер и их характеристик. Основные исследования УФ азотных лазеров с поперечным разрядом были проведены с лазерными камерами с активной длиной 210 мм, где создавался объемный разряд с УФ подсветкой и без нее, а также разряд по поверхности диэлектрика, конфигурация и диэлектрические свойства которого могли варьироваться. Диэлектрические пластины имели гладкую поверхность либо поверхность с различным количеством пазов прямоугольного сечения шириной 0,8 мм, пропиленных в пластинах параллельно электродам. Материалом пластин являлась алундовая керамика (Аl₂O₃) с диэлектрической проницаемостью ε = 14 и керамика из титаната бария (ВаТiO_з) с ε = 2400. Возбуждение разряда осуществлялось по схеме Блюмляйна с емкостями С₁ = С₂ тиратроном ТГИ1- 1000/25. При исследовании определялись напряжение на емкостях и область давлений азота, где наблюдалась сверхсветимость, интенсивность, форма импульса и временное расположение спонтанного и вынужденного излучений без зеркал и с зеркалами. Для корректного сравнения результатов в объемном и поверхностном разрядах все измерения проведены на низкой частоте повторения импульсов (20 Гц).
На pис.1 даны зависимости импульсной мощности сверхсветимости от давления азота в различных конструкциях камер с межэлектродным зазором 25 мм при зарядном напряжении 18 кВ на емкостях по 6 нФ.

Рис.1. Зависимости импульсной мощности излучения Р_р от давления азота при U₀ = 18 кВ для различных конструкций лазерных камер: при УФ предыонизации (2), при алундовой керамике с одним пазом (4) и меандровой стенки из Al₂O₃ (5); d = 25 мм.

Видно, что для ППР при постоянном зарядном напряжении имеются два максимума. Максимум при больших давлениях азота, связанный с объемными процессами в газе, и его положение зависят от напряженности электрического поля Е, а также от сорта и давления р газа, в котором происходит пробой. Максимум при меньших давлениях и его положение зависят, кроме Е и р, от конфигурации и ε материала стенки. Так, увеличивая число и ширину пазов в стенке, можно сдвигать этот максимум в сторону увеличения давления вплоть до давления азота, при котором наблюдается максимум излучения из ПОР с УФ подсветкой.
При этом мощность излучения из ППР может превышать мощность излучения из ПОР при одних и тех же параметрах схемы возбуждения. Более того, вынужденное излучение ППР наблюдается из узкой (0,3 мм) области у поверхности диэлектрика, а излучение ПОР имеет ширину 6 мм. Следовательно, при равных импульсных мощностях разрядов обоих типов, плотность мощности из поверхностного разряда будет более чем на порядок превышать плотность мощности из ПОР. Это свойство ППР позволило осуществить безлинзовую накачку органических красителей [6].
На рис. 2 приведены зависимости импульсной мощности излучения от напряжения питания. 

Рис.2. Зависимости импульсной мощности излучения Р_р от зарядного напряжения для конструкции лазерной камеры без предыонизации (1), при УФ предыонизации (2), при использовании гладкой алундовой керамики (3), алундовой керамики с одним пазом (4) и меандровой стенки из Al₂O₃ (5) и ВаТiO₃ (6).

Видно, что максимальную мощность дает разряд вдоль алундовой керамики с меандровой поверхностью. Кроме того, ярко выражена зависимость от конфигурации (изменение числа пазов в стенке) и от диэлектрических свойств стенки. Так, при использовании меандровой стенки из BaTiО₃ зависимость мощности от напряжения (кривая 6) резко отличается от такой же зависимости для меандровой керамики из Al₂O₃ (кривая 5), но близка к зависимости для гладкой алундовой керамики (кривая 3), поскольку про­бой по поверхности меандровой керамики с ε = 2400 происходит так же, как по гладкой керамике с ε = 14 (за счет локального усиления поля Е в разрядной камере).
Из рис. 2 видно, что при пороговых напряженностях Е мощность излучения из ППР растет линейно с ростом Е (кривые 3-6), в то время как мощность излучения из ПОР (кривые 1,2) растет квадратично. Такое различие связано с тем, что при ППР с ростом Е не происходит роста активного объема, а увеличение мощности излучения связано лишь с ростом оптимального давления азота. При ПОР сначала увеличивается активный объем, т.к. область излучения расширяется от анода к катоду с одновременным увеличением оптимального давления азота. При УФ предыонизации уменьшается порог появления излучения по напряжению и увеличивается импульсная мощность (кривая 2) по сравнению со случаем без УФ предыонизации (кривая 1). При удалении от пороговых условий зависимость выходной мощности излучения от Е для всех конструкций линейна. Порог генерации по напряжению для ППР ниже, чем для ПОР .
На рис.3 приведены зависимости импульсной мощности от параметра E/p при различных зарядных напряжениях. 

Рис.3. Зависимости импульсной мощности излучения Р_р от параметра Е/р (в); d = 25 мм.

Видно, что эти кривые имеют вид функций возбуждения электронным ударом с пороговым параметром E/p для уровня С³ _πu молекулы азота, равным 100 В/ см*Тор. Кроме того, видно, что Е/р, соответствующее максимальной мощности, с ростом зарядного напряжения уменьшается, стремясь к 100 В/см*Тор [7].
На рис.4 показано влияние межэлектродного зазора d при постоянном зарядном напряжении (а) и емкостей схемы Блюмляйна (б) на мощность излучения.

Рис.4. Влияние межэлектродного зазора при U₀ = 16 кВ (а) и емкостей схемы Блюмляйна (б) на мощность лазерного излучения при С₁ = С₂ = 6 (1-3), 2 (4) и 1 нФ (5).

Порог сверхсветимости по напряжению уменьшается, во-первых, при уменьшении d, т.к. уменьшается напряжение, необходимое для получения оптимального параметра Е/р,и во-вторых, при увеличении C₁ и С₂, т. к. снижается волновое сопротивление схемы накачки и растет ее эффективность. С уменьшением d одновременно заметно расширяется область давлений азота, где наблюдается сверхсветимость, и уменьшается оптимальный параметр E/p, стремясь к предельному значению 100 В/см*Тор. Длительность импульса сверхсветимости на полувысоте для d = 25; 5,5 и 2 мм составила 4,5; 2,5 и 1,75 нс соответственно. Отметим, что при изменении объема активной среды при постоянной активной длине и оптимальном параметре E/p мощность излучения, приходящегося на одну молекулу активного вещества, остается постоянной.
На рис.5,а показана конфигурация области генерации в ПОР и ППР в случае, когда при d= 5,5 мм в одной половине разрядного промежутка УФ генерация происходит в объеме газа, а в другой - у поверхности диэлектрика.

Рис.5. Вид вынужденного излучения с торца лазерной камеры для последовательного (а) и параллельного (б) объемно-поверхностных разрядов.

Следует отметить, что УФ генерация привязана к силовым линиям электрического поля Е, причем она отсутствует в той области разряда, где поле Е перпендикулярно линии, соединяющей катод и анод. Следовательно, инверсия населенностей, обусловленная электронным ударом, определяется дрейфовой скоростью.
При определенных условиях и конфигурации диэлектрической стенки можно разделить пространственно-объемный и поверхностный разряды и изучить их взаимодействие. В конструкции лазерной разрядной камеры с d = 25 мм, когда гладкая сплошная стенка из Аl₂O₃ располагалась на расстоянии 2,7 мм от электродов, было получено пространственное разделение поверхностного и объемного разрядов. Вынужденное излучение наблюдалось также разделенным в пространстве (рис.З,б).
При фоторегистрации оказалось, что излучения из поверхностного и объемного разрядов разделены во времени (3 нс), причем в зависимости от давления азота в камере при постоянном напряжении питания мощность излучения из поверхностного разряда растет незначительно. Излучение из объемного разряда появляется сначала у анода, затем эта область сверхизлучения начинает увеличиваться, распространяясь к катоду, причем излучаемая объемным разрядом мощность быстро увеличивается, превышая мощность излучения из поверхностного разряда в несколько раз.
Механизм такого поведения излучения может быть объяснен следующим образом. При подаче импульса напряжения на электроды сначала начинается пробой по поверхности диэлектрика из-за искажения электрического поля и его локального роста в зазорах между керамикой и электродами. Образование электронной лавины у поверхности диэлектрика приводит за счет соударения электронов с молекулами азота к инверсии населенностей и появлению как мощного вынужденного, так и спонтанного УФ излучений.
При малых давлениях азота вынужденное излучение наблюдается лишь из поверхностного разряда, поскольку объемное сопротивление газа велико, а начальная концентрация электронов в газе мала. С ростом давления азота растет эффективность начальной ионизации объема газа поверхностным разрядом за счет УФ подсветки. Таким образом, с ростом давления азота увеличивается начальная концентрация электронов, которые, разгоняясь в электрическом поле, создают электронную лавину, достаточную для образования инверсии сначала у анода, а затем все ближе и ближе к катоду. При дальнейшем увеличении давления эффективность создания инверсии в объемном разряде уменьшается за счет уменьшения Е/р.
Значительное увеличение мощности излучения из объемного разряда при постоянном напряжении на электродах указывает на то, что вынужденное излучение в ППР происходит при достаточно высоких сопротивлениях разрядного промежутка. При этом напряжение на электродах за время излучения в ППР существенно не уменьшается, что и дает возможность эффективно разогнать электроны в ПОР до энергий, необходимых для создания инверсии. Это указывает на то, что процессы, определяющие УФ вынужденное излучение в азотном лазере происходят на той стадии разряда, когда напряжение на разряде и сопротивление разрядного промежутка велики, т.е. на стадии формирования разряда [8]. Используя комбинированный объемно-поверхностный разряд при давлениях азота 30-100 Тор, когда обеспечивается непосредственный контакт плазмы разряда с керамической стенкой, имеющей высокую теплопроводность, нам удалось создать лазерную камеру с активной длиной 420 мм и варьируемой длительностью импульса генерации 3-6 нс, пиковой мощностью 450 кВт и частотой повторения импульсов 0,5 кГц.
Для выяснения кинетики процессов спонтанного и вынужденного излучений были измерены их временные зависимости как в режиме сверхизлучения, так и при одном зеркале с коэффициентом отражения R = 1, располагаемом на различных расстояниях от активной среды. Схема эксперимента и изменение формы импульсов вынужденного и спонтанного излучений без зеркала и при расстоянии от зеркала до активной среды, равном 11 см, изображены на рис.6.

Рис.6. Временные зависимости мощности спонтанного и вынужденного излучений в отсутствие зеркала (сплошные кривые) и при его наличии (пунктир) (а), а также блок-схема измерении (б):
1 - лазерная камера; 2 – осциллограф; 3 – зеркало; 4 - фотосопротивление

Видно, что длительность вынужденного излучения у зеркала существенно уменьшается с приближением последнего к активной среде. При этом амплитуда импульса излучения у зеркала уменьшается, что говорит о влиянии резонатора на форму, длительность и перераспределение поля вынужденного излучения в активной среде, т. к. при наличии зеркала выходная мощность вынужденного излучения у другого торца лазерной камеры увеличивается. Видно, что максимум вынужденного излучения по времени соответствует максимальной скорости нарастания спонтанного излучения. Временной сдвиг начала импульса вынужденного излучения относительно начала импульса накачки, равный 4 нс, не зависит от положения зеркала резонатора, наличие которого приводит к изменению только задней части импульса вынужденного излучения и к уменьшению интенсивности спонтанного излучения после окончания вынужденного излучения. Следовательно, начало вынужденного излучения определяется лишь пороговой интенсивностью спонтанного излучения в активной среде, которое резонатор только перераспределяет в лазерном объеме. В то же время резонатор укорачивает импульс вынужденного излучения и увеличивает его мощность, выводимую из активной среды, уменьшая тем самым число остающихся возбужденных молекул, что и приводит к уменьшению спонтанного излучения после вынужденного излучения.
Таким образом, экспериментально изучен ППР для генерации вынужденного излучения и показана эффективность и перспективность этого тина разряда для УФ генерации на самоограничением переходе С³ _πu→ B_πg молекулярного азота. Изучена также кинетика УФ генерации и определено, что основные процессы, приводящие к генерации (инверсии населенностей), происходят на стадии формирования разряда.

1  Шефер Ф.П. (ред.) Лазеры на красителях (М.. Мир. 1976).

2  Ledbetter J.W, Askins H.W, Hartman R.S.J.Amer. Ckem.Soe. 101.  4284 (1979).

3  Зиновьев H.H. и др. Письма к ЖЭТФ. 33.601 (1981).

4  Месяц Г.А, Осипов В. В. Тарасенко В.Ф. Импульсные газовые лазеры (М.. Наука. 1991).

5  Папакин В.Ф, Сонин А.Ю. Квантовая электроника. 5. 1580  (1978).

6  Тымянский Я.Р. и др. Оптика и спектроскопия. 48. 622 (1980).

7  Сонин А.Ю. Квантовая электроника. 21. 213 (1994).

8  Коробкин В.В, Сонин А.Ю. Письма в ЖТФ. 19. 49 (1993).