А. Н. Панченко, В. Ф. Тарасенко

НАКАЧКА   ГАЗОВЫХ   ЛАЗЕРОВ   ОТ   ГЕНЕРАТОРА   С ИНДУКТИВНЫМ  НАКОПИТЕЛЕМ

Исследована генерация в смесях Nе (Hе, Ar)- Хе— НСl ( λ = 308 нм), Ne—Н₂ ( λ = 585,3 нм) и азоте ( λ = 337,1 нм) при накачке от генератора с индуктивным накопителем энергии и плазменным прерывателем тока. Показано, что применение такого генератора позволяет реализовать оптимальные условия накачки для лазеров различных типов: эксиплексных, плазменных и лазеров на самоограниченных переходах.

Введение

В настоящее время накачка импульсных газовых лазеров осуществляется от генераторов с емкостными накопителями, которые очень сложно согласовывать с переменным сопротивлением плазмы газового разряда, формируя в то же время объемный разряд. В последние годы появились сообщения о создании импульсных генераторов с индуктивными накопителями энергии и плазменными прерывателями тока (ППТ) многократного действия, которые позволяют существенно увеличить мощность, передаваемую в нагрузку, в том числе и в нагрузку с переменным сопротивлением [1- 4]. Применение таких импульсных генераторов весьма перспективно для накачки электроразрядных газовых лазеров. Ранее подобные генераторы с прерывателями однократного действия на основе взрывающихся медных проводников применялись для накачки азотного лазера [5], а также для увеличения энерговклада в смеси инертных газов с галогенидами [6], и только в [7,8] сообщалось о первых успешных экспериментах по накачке XeCI* и азотного лазеров от генератора с индуктивным накопителем и ППТ многократного действия.
В настоящей работе приведены результаты исследования генерации в смесях Ne(He, Аr) Хе—НCI, Ne—Н₂ и в азоте при накачке от генератора с ППТ и индуктивным накопителем. Показана перспективность применения такого генератора для накачки лазеров различных типов.

1.   Экспериментальная установка

Схема экспериментальной установки приведена на рис. 1.

Рис 1. Схема генератора с индуктивным накопителем энергии и ППТ

Плазменный прерыватель тока был образован двумя электродами из нержавеющей стали, установленными в вакуумной камере с остаточным давлением р = 3*10^-5мм рт. ст. на расстоянии d = 1 см друг от друга. Промежуток между электродами предварительно заполнялся плазмой. Энергия, необходимая для ее создания. обычно не превышала 10—15 мДж. Генератор мог работать с частотой повторения до 3 Гц.
Емкость С₀ составляла 30 нФ, индуктивность L₀ = 0,35 мкГ. Параллельно ППТ устанавливалась лазерная камера (ЛК) с продольным разрядом длиной 20 см или поперечным разрядом с активной длиной 20 см и межэлектродным расстоянием l = 1 — 2,5 см (L_н паразитная индуктивность подводов). Во втором случае применялась УФ подсветка, по конструкции аналогичная [9]. В экспериментах регистрировались импульсы напряжения на прерывателе тока U_n и электродах ЛК U_H емкостным (С₁ —С₂) и омическим (R₁ — R₂) делителями напряжения, общего тока /₀ и тока через ЛК /₁ шунтами R₃ и R₄, сигналы с которых подавались на осциллограф C8-14. Импульс лазерного излучения регистрировался фотодиодом ФЭК-22 СПУ, сигнал с которого направлялся на осциллограф С8-12, энергия лазерного излучения определялась калориметром ИМО-2Н.
На рис. 2 приведены характерные осциллограммы тока через ППТ /₀ и напряжения на нем U_п при работе без нагрузки.

Рис. 2. Осциллограммы импульсов общего тока /₀  (а) и напряжения на ППТ U_п (б) при работе генератора без нагрузки (U_п = 15 кВ)

Прерыватель тока срабатывал через 100—200 нс после запуска разрядника К (см. рис. 1) при токе 1,5—3 кА в зависимости от энергии, затраченной на создание плазмы.
При обрыве тока напряжение на прерывателе за 10—15 нс возрастало до 50—60 кВ и могло превышать зарядное напряжение конденсатора С₀ в 4—5 раз, а начальное напряжение на плазме — в 10—15 раз. Сопротивление прерывателя возрастало от 2—4 до нескольких десятков ом со скоростью ~ 1 ГОм/с. Потом оно начинало спадать из-за поступления в вакуумный промежуток плотной анодной и катодной плазмы, и через 50— 100 нс мог наступить повторный пробой промежутка. При работе на нагрузку напряжение на ППТ ограничивалось электрической прочностью газа в ЛK и определялось давлением и составом рабочей смеси. После пробоя газа его сопротивление быстро спадало до R_н ≤ R_п   где R_п, сопротивление прерывателя. При этом до 80 % общего тока /₀ могло переключаться на накачку активной среды лазера.

2. Работа   генератора   с   индуктивным   накопителем  на   лазерную   нагрузку

Накачка лазера на N₂.

Для эффективной накачки азотного лазера необходимо поддерживать на разрядном промежутке высокие значения Е/р, где Е — напряженность электрического поля, а р — давление газа. Оптимальное значение Е/р ≈ 100 В/см*мм рт. ст. [10]. При накачке N₂ - лазера от генератора с емкостным накопителем достаточно сложно поддерживать оптимальные Е/р из-за наличия паразитной индуктивности соединений накопителя с разрядным промежутком и быстрого уменьшения сопротивления активной среды. Поэтому длительность импульсов генерации, как правило, составляет ~ 5 нс на полувысоте.
Важной особенностью накачки азотного лазера от генератора с ППТ является поддержание высоких Е/р на разрядном промежутке в течение десятков наносекунд (рис. 3, а).

Рис. 3. Осциллограммы импульсов общего тока /₀ (1), напряжения на ЛК U_н (2) (а), тока разряда /₁ (3) и генерации Р₂ (4) (б) при поперечной накачке, давлении азота 120 мм рт. ст. и U₀ = 15 кВ, а также тока разряда /₁ (5) и генерации Р₂ (6) при продольной накачке, давлении азота 15 мм рт. ст. и U₀ = 18 кВ (в)

Длительность импульсов излучения в наших экспериментах достигала ~ 50 нс, что, по-видимому, является максимальным значением при накачке азотного лазера поперечным разрядом.
О высоких значениях Е/р говорит также тот факт, что генерация наблюдалась вплоть до давления в ЛК р = 0,6 атм.
Столь длительную генерацию азотного лазера можно связать с тем, что характерное время спада напряжения на разрядном промежутке при накачке от индуктивного накопителя t ~ L₀/R_h  [11] для L₀ ~ 0,1 мкГ и R_h ~ 1 Ом может составлять ~ 0,1 мкc, что близко к значению, приведенному на рис. 3, а. Очевидно, что при увеличении сопротивления нагрузки R_н спад напряжения должен происходить быстрее, а импульс генерации — сокращаться, что и наблюдалось при работе генератора на трубку с продольным разрядом (рис. 3, в). В этом случае высокое сопротивление нагрузки приводило также к сокращению импульса накачки из-за шунтирования по ППТ.
Следует отметить, что в наших экспериментах время срабатывания ППТ и соответствен­но параметры генерируемых импульсов определялись скоростью нарастания тока через вакуумный промежуток dl₀/dt до момента обрыва. Поэтому мы ограничивали ток срабатывания ППТ значением /₀ = (0,3 — 0,4)/ _мах, где /_мах  = U₀/(L₀/C₀)^1/2 — ток короткого замыкания. При этом в индуктивность передавалось 10—20 % энергии, запасенной в емкостном накопителе. Энергия излучения в импульсе составляла 0,15 мДж, что указывает на достаточно эффективное преобразование энергии, запасаемой в индуктивности, в лазерное излучение. При полной передаче энергии в индуктивный накопитель (этого можно добиться, например, уменьшением p_K= (L₀/C₀) ^1/2  и оптимизацией конструкции генератора) можно повысить эффективность накачки азотного лазера при данном способе накачки.

Накачка эксиплексного лазера.

Для получения высоких КПД эксиплексных электроразрядных лазеров необходимы высокая однородность разряда, обеспечиваемая интенсивной и однородной предыонизацией и большим перенапряжением на лазерном промежутке в момент пробоя, а также согласование импеданса контура накачки с сопротивлением разряда. Поэтому для реализации эффективной накачки применяются сложные многоконтурные емкостные генераторы импульсов [12,13].
Из рис. 4 видно, что генератор с индуктивным накопителем формирует короткий мощный импульс накачки, необходимый для зажигания объемного разряда.

Рис. 4. Осциллограммы импульсов общего тока (/), напряжения на ЛК (2) (а), тока разряда (б), генерации (3) и спонтанного излучения (4) (в), а также зависимость вкладываемой в разряд мощности от времени (г) для смеси Ne : Xe : HCI = 160 : 10 : 1 при давлении 3,5 атм, U₀ = 12 кВ и межэлектродном расстоянии I = 1,5 см.

После этого энерговклад в разряд осуществляется емкостным накопителем С₀. При этом в разряд вкладывается примерно половина энергии, запасенной в C₀ (W = C₀U₀²/2  = 2,2 Дж). Генерация начиналась примерно через 100 нс после начала накачки и продолжалась 180 нс. Спонтанное излучение наблюдалось в течение всего импульса возбуждения, что указывает на объемный характер разряда, несмотря на большое содержание в смеси галогеноносителя. Энергия генерации в импульсе составляла 2,5 мДж.
Такой же результат был получен при использовании смесей с буферным газом гелием. В экспериментах удавалось переключать на лазерную трубку до 85 % тока емкостного накопителя, что свидетельствует о сравнительно большом сопротивлении ППТ R_п ≈ 5R_н в течение всего импульса накачки. Смеси с буферным газом аргоном имели большее сопротивление, что приводило к снижению переключаемого на нагрузку тока в 1,5—1,8 раза. Генерация в смесях с аргоном наблюдалась до давления р = 2 атм, что также подтверждает высокую степень однородности формируемого в ЛК разряда. Таким образом, генератор с индуктивным накопителем позволяет легко формировать объемный разряд в рабочих смесях эксиплексных лазеров. При этом можно подобрать режим накачки так, чтобы основной энерговклад осуществлялся от емкостного накопителя, импеданс которого можно согласовать с сопротивлением разряда R_н подбирая значении L₀  и С₀ в соответствии с соотношением (L₀  / R₀)^1/2 ≈ R_н. При данном способе возбуждения легко реализовать нестационарный режим накачки, позволяющий существенно увеличить длительность импульсов генерации [14,15].

Накачка плазменного лазера.

Для получения эффективной генерации накачку плазменных лазеров необходимо осуществлять жестким ионизатором (электронный или ионный пучок, рентгеновское излучение), а при накачке самостоятельным разрядом работать в послесвечении [16]. Применение емкостных накопителей энергии, например, для накачки лазера на смеси Ne—Н₂ [17] не позволяет сформировать однородный импульс тока малой длительности с крутым спадом, что приводит к снижению эффективности накачки.
При использовании генератора с ППТ импульс накачки с требуемыми параметрами можно получить при большом сопротивлении нагрузки (см. рис. 3). В наших экспериментах была осуществлена накачка пеннинговского плазменного лазера на смеси Ne—Н₂ (λ = 585,3 нм) при давлении смеси 0,5 атм. Длительность импульса генерации составила ~ 400 нс.
По сравнению с накачкой от емкостного накопителя [17] оптимальное давление рабочей смеси возросло в 2 раза. Генерация имела место как в послесвечении, так и на спаде импульса тока.

Заключение

В настоящей работе получена генерация в смесях Ne(He, Аr) — Хе—НСl на λ = 308 нм, Ne—Н₂ на λ = 585,3 нм и в азоте на λ = 337,1 нм при накачке от генератора с индуктивным накопителем и ППТ. Показано, что такой генератор позволяет менять параметры импульса накачки в широких пределах и может использоваться для накачки лазеров различных типов: эксиплексных, плазменных и лазеров на самоограниченных переходах.

1. P. F. Ottinger, S. A. Goldstein, R. A. Meger. J Appl Phys., 56. 774    (1984).

2. Э. Н, Абдуллин, Г. П. Баженов. С. П. Бугаев и др. Физика плазмы,    II, 109 (1985).

3. R A. Meger. R. J. Comiso, G. Cooperstein. S. A. Gold­stein. Appl   Phys. Letts, 42. 943 (1983).

4. Б.  М. Ковальчук, Г.А. Месяц.  ДАН СССР. 284,   857 (1985).

5. Ю И. Бычков, Ю. А Котов. В. Ф. Лосев. В. Ф. Тарасенко.   Квантовая электроника. 3. 1607 (1976).

6. В. Г Гейман. С. А. Генкин. Ю Д. Королев и др Письма и ЖТФ. 13,  91 (1987).

7.  А  Н. Панченко,В.Ф. Тарасенко. Тезисы докл. VII Всесоюз. симп.  по сильноточной электронике. Ч. 1. — Томск,   1988. с. 293.

8.  А. Н.Панченко,В.Ф. Тарасенко. Тезисы докл. VII Всесоюз. симп.  по сильноточной электронике. Ч. 3. Томск,   1988. с. 19.

9. В. Ф Тарасенко. А. И. Федоров. Изв. вузов. Сер. Физика. № 2,15  (1981).

10. В. В. Савин. В. Ф. Тарасенко. Ю. И. Бычков. ЖТФ. 46. 198 (1976).

11.  В.В.Кремнев, Г.А.Месяц. Методы умножения и трансформации  импульсов в сильноточной электронике. Новосибирск: Наука.   1987

12. Н. Long, J. Michael, J. Plummer, E. A. Stappaerts. Appl Phys. Leifs.  43, 735 (1983).

13. H. Fisher, M. J. Kushner, Т. E. De Hart et al. Appl. Phys. Letts. 48. 1574 (1986).

14. E.А Литвинов, С.  В.Мельченко,  А.Н.Панченко, В.Ф.Тарасенко. ТВТ.   23.    392 (1985).

15. С.В.Мельченко, А.Н.Панченко,В.Ф.Тарасенко. Квантовая электроника. II. 1190 (198-1)

16. Л.И.Гудзенко, С. И.Яковленко Плазменные лазе­ры. М.: Атомиздат, 1978.

17.М. И. Ломаев. В Ф. Тарасенко. Оптика и спектроскопия. 61.   1102 (1986)