С.П. Зинченко, И.Г. Иванов

ИМПУЛЬСНЫЕ   ИОННЫЕ  ЛАЗЕРЫ   С   ПОЛЫМ   КАТОДОМ:  ПАРАМЕТРЫ   НАКАЧКИ   И   ГЕНЕРАЦИИ

Для ионных лазеров, возбуждаемых в плазме разряда с полым катодом импульсами тока микросекундной длительности путем накачки рабочих атомов при столкновениях 2-го рода с ионами и метастабильными атомами буферного гaзa, экспериментально найдены оптимальные для генерации условия разряда. Измерения мощности излучения лазеров на Кr и парах Zn, Cd, Hg, Ga, Си,Tl в трубках с катодами различных диаметров показали, что импульсная мощность достигает десятков ватт, а средняя мощность в трубках с катодами диаметром 2 см, длиной 40 см и более приближается к 1 Вт. При этом для большинства сред генерация наблюдается одновременно на нескольких линиях (многоволновой режим). Реализована генерация на трехкомпонентной (Нe—Kr—Hg) смеси в многоволновом режиме на синей, красной и ИК лазерных линиях.

Введение

Ионные лазеры на парах металлов и инертных газах выгодно отличаются своей способностью излучать в коротковолновой части спектра (видимой и др.), а также одновременно генерировать на нескольких лазерных линиях. Наряду с традиционным способом накачки ионных переходов в газовых лазерах в плазме положительного столба (ПС) разряда продольного типа, для тех переходов, которые возбуждаются соударениями 2-го рода с атомами буферного газа, известен более эффективный способ накачки: в области отрицательного свечения (ОС) аномального тлеющего разряда с полым катодом (РПК). Преимущества разряда этого типа перед продольным разрядом обсуждаются в [1,2].
Поскольку в РПК могут образовываться пространственные неоднородности, связанные с переходом разряда из тлеющего в дуговой, в стационарном и квазистационарном режимах работы не удавалось реализовать оптимальную мощность накачки. В результате этого мощность генерации на линиях не достигала максимальных значений. Ранее [3] нами было показано, что при возбуждении РПК короткими импульсами тока микросекундной длительности (0,1-10 мкс) можно избежать развития неоднородностей плазмы разряда, а следовательно, поднять уровень накачки активной среды. Кроме того, изменяя частоту следования импульсов, можно регулировать среднее значение вкладываемой мощности накачки и мощности лазерного излучения. В [4,5] нами были проведены теоретические исследования кинетики активных сред лазеров с РПК на парах металлов с накачкой в процессах перезарядки, позволившие объяснить поведение инверсии во времени для известных и ряда новых ионных лазерных переходов металлов. Однако на данный момент детальное изучение энергетических характеристик импульсных ионных лазеров с РПК еще не завершено.
В настоящей работе для большой группы наиболее эффективных лазеров с РПК на ионных переходах Zn, Cd, Hg, Tl, Cu, Ga и Кr путем оптимизации условий разряда, а именно геометрии полости катода, концентрации рабочих атомов и атомов буферного инертного газа (Не, Ne), а также амплитуды, длительности и частоты следования импульсов тока, экспериментально определены предельные энергетические характеристики лазеров - средняя и пиковая (импульсная) мощности излучения. В результате были получены мощности, значительно превышающие соответствующие значения в непрерывном и квазинепрерывном режимах.

Механизмы  создания  инверсии  и  оптимальная  концентрация рабочих  атомов  и  атомов  буферного  газа

Накачка ионных квантовых состояний металлов и тяжелых инертных газов в смесях с легким буферным инертным газом в области ОС РПК-активной среды рассматриваемых лазеров реализуется за счет неупругих столкновений 2-го рода атомов металла с ионами буферного газа (перезарядка):

М₀ + В⁺₀ → М⁺* + В₀ + ΔЕ(∞),       (1а)

где М₀ и М⁺* - атом в основном энергетическом состоянии и возбужденный ион металла: В₀ и В⁺₀  - атом и ион буферного инертного газа в основных состояниях: ΔЕ(∞)- разность энергий ионов В⁺₀  и М⁺* . Накачка осуществляется также вследствие неупругих столкновений 2-го рода атомов металла или ионов тяжелого инертного газа с метастабильными атомами буферного газа (пеннинговская ионизация и резонансная передача возбуждения соответственно):

М₀ + В_m → М⁺* + B₀ + e + ΔЕ(∞).  (1б)

A⁺₀ + В_m → А⁺* + В₀ + ΔЕ(∞)        (1 в),

где В_m - возбужденный (метастабильный) атом буферного газа: A⁺₀  и А⁺* - ион тяжелого инертного газа (Кr и др.) в основном и возбужденном состояниях. Реакции (1 а) и (1в) являются «резонансными» с ΔЕ(∞) ~ кТ. Реакция (1б) может протекать при любом ΔЕ(∞) > 0, поскольку избы­точная энергия ΔЕ при разлете тяжелых частиц уносится электроном.
Особенности плазмы ОС РПК обеспечивают ее преимущества перед плазмой ПС при накачке уровней М⁺* и А⁺* в реакциях (1), главным из которых является наличие у распределения электронов по энергиям в ОС РПК (по сравнению с максвелловским распределением в ПС) избытка как быстрых, так и тепловых электронов [6]. Группа быстрых электронов приобретает в области катодного падения (КП) потенциала U_cf энергию ε₀ ≈ eU_cf (например, в импульсном РПК ε₀ ≤ 2 кэВ) и осуществляет в ОС преимущественную эффективную ионизацию и возбуждение буферного инертного газа (создает энергетические доноры В⁺₀ и В_m для реакций (1)). Группа тепловых электронов со средней энергией kT_e ~ 1 эВ в результате эффективных сверхупругих столкновений перераспределяет ионы М⁺* и А⁺*  по близкорасположенным квантовым уровням [3-5,7].
Парциальное сечение перезарядки Qⁱ_ch-tr = ζ_j Qⁱ_ch-tr (1 а) на i-й ионный уровень М⁺* определяется парциальным коэффициентом перезарядки ζ_j - вероятностью заселения i-го уровня (ζ_j ≤ 1 и ∑_i ζ_j = 1; Qⁱ_ch-tr - полное сечение перезарядки на все уровни М⁺*). Скорость заселения i-го возбужденного ионного уровня металла М⁺* (i) в процессах перезарядки

Здесь N - концентрация частиц,

 - константа заселения i-го уровня, т.е. усредненное по относительным скоростям V сталкивающихся частиц парциальное сечение перезарядки Qⁱ_ch-tr, Kⁱ_ch-tr - полная константа перезарядки,  Wⁱ_ch-tr - полная скорость перезарядки на все уровни М⁺* , W(В⁺₀) - скорость ионизации буферного газа, v(В⁺₀) - суммарная частота дезактивации ионов В⁺₀ в результате амбиполярной диффузии и рекомбинации, N(M₀)K_ch-tr - суммарная частота дезактивации этих ионов в процессах перезарядки.
Максимальная скорость накачки отвечает оптимальной концентрации рабочих атомов N(M₀)^opt ,когда дезактивация ионов В⁺₀ происходит преимущественно в реакциях перезарядки и когда число быстрых электронов, производящих В⁺₀, еще велико, т.е. когда

т. е. при N(M₀)^opt суммарная скорость накачки всех уровней М⁺*  в ОС РПК в процессах перезарядки есть W(В⁺₀). Например, оптимальные концентрации для смесей He-Hg и Ne-Tl таковы:

N(Hg₀)^opt ≥ 2,5*10¹⁵ см^-3 и N(Tl₀)^opt ≥ 4* 10¹⁵ см^-3.

В случае накачки уровней М⁺*  в результате пеннинговской ионизации (1б) либо уровней А⁺*  при резонансной передаче возбуждения (1в) также справедливы соотношения, аналогичные (2)-(4).
В РПК с катодной полостью цилиндрической формы при оптимальной концентрации паров металла зависимость W(В⁺₀) от давления буферного газа определяется двумя факторами. Во-первых, снижением числа быстрых электронов в радиальном направлении на их пути от границы зона КП-ОС (вблизи стенки катодной полости) к оси ОС за счет неупругих ионизирующих столкновений. Во-вторых, ростом концентрации таких электронов в результате их «фокусировки» в приосевой зоне. Если на границе зона КП-ОС начальная энергия электрона ε₀ ≈ eU_cf, то при эффективном сечении ионизации газа q_i, и средней энергии, теряемой электроном на ионизацию, ~2ε_i (ε_i - потенциал ионизации газа), критерий оптимальной концентрации газа N(B)^opt можно получить исходя из того, что полная длина пробега λ быстрого электрона должна быть равна радиусу катодной полости R_cat =  d_cat/2, т.е.

Для исследуемых смесей с накачкой в процессах перезарядки в РПК при длительности импульса тока 0,5- 1 мкс и U_cf ≈ 2 кВ соотношения подобия, которые можно найти из (5), имеют следующий вид: N(He)^opt d_cat ≈ 10¹⁸ см^-2 и N(Ne)^opt d_cat ≈ 9*10¹⁷ см^-2. Аналогичным образом может быть получен критерий  для реакций (1б) и (1в).

Оптимальный  ток  разряда

При питании РПК импульсами тока микросекундной длительности нарушение однородности разряда (возникновение дуги), в отличие от квазистационарного режима, происходит в области более высоких токов, поскольку неоднородности не успевают развиться в течение нескольких единиц (или долей) микросекунд, и поэтому в импульсном РПК легко удается достичь плотностей тока с поверхности катода, равных единицам А/см², т.е. на порядки больших, чем в стационарном и квазистационарном режимах. Кроме того, как оказалось, величина U_cf растет при укорочении импульса, и при длительности импульса тока t ~ 1 мкс она в несколько раз превышает значение U_cf в стационарном и квазистационарном разрядах. Соответственно возрастают энергия ε₀ монокинетических электронов, а также скорости накачки в реакциях (1). С ростом ускоряющего напряжения растет и относительное число таких электронов [8]. По сравнению со стационарным РПК это позволяет увеличить диаметр полости катода, т.е. объем активной среды, без снижения эффективности накачки. Увеличение диаметра сопровождается дополнительным ростом U_cf и ε₀.
Для создания активной среды лазеров использовались разрядные трубки, показанные на рис.1.

Рис. 1. Схемы разрядных трубок лазеров с РПК, возбуждаемых импульсами тока микросекундной длительности, поперечного (а,б) и продольно-поперечного (в,г) типов; г - трубка с катодами различного диаметра для измерения удельной мощности излучения:
1 - катод (катодный блок - на рис. б)
2 - аноды (2’—секции анода)
3 - рабочее вещество
4 - вакуумная оболочка трубки (стекло, кварц или керамика)
5 - термостат (нагреватель трубки)
6 - нагреватель испарителя
7 - концевая «запирающая катафорезная» секция с  дополнительным анодом 8
9 - брюстеровское окно
10 – испаритель
11 - балластный резистор запирающей секции.

Исследованные нами вещества (Zn, Cd, Hg, Tl, Сu, Ga и Кr) химически не взаимодействуют с электродами трубки и потенциально пригодны для генерации на нескольких длинах волн с накачкой в соударениях 2-го рода, а их оптимальное для РПК давление паров (10-50 Па), позволяющее добиться полной передачи возбуждения от буферного газа при ударах второго рода (см. (3),(4)), легко создать путем термоиспарения при умеренных температурах [1,2]. Импульс тока формировался путем полного разряда накопительной LC- линии через разрядный промежуток и коммутатор-тиратрон или путем частичного разряда линии через лучевой тетрод.

Малая  частота  следования  импульсов

Эксперименты показали, что при частоте следования импульсов тока f вплоть до единиц килогерц и при оптимальном значении тока импульсная мощность для всех исследованных накопительных линии не зависела от частоты. В табл.1 приведены значения ненасыщенного коэффициента усиления и удельной импульсной мощности излучения для наиболее интенсивных переходов в спектрах ионов Zn, Cd, Hg, Tl, Cu, Ga и Кr при оптимальных условиях возбуждения и f = 1 кГц.

Табл. 1. Характеристики лазеров с РПК при оптимальных концентрациях компонент активной среды и малом значении f (f = 1 кГц, t = 1 мкс, «щелевой» катод с диаметром полости d_cat = 0,6 см).

Примечание: ПЗ- перезарядка, ПИ - пеннинговская ионизация, PПB -  резонансная передача возбуждения, *d_cat = 0,9 см.

Отметим, что для каждого из веществ генерация наблюдалась как на отдельных лазерных линиях, так и одновременно на всех, т.е. в многоволновом режиме. Видно, что наилучшими характеристиками обладают лазеры на смесях гелий- пары ртути, гелий- пары меди и неон- пары таллия при накачке в процессах перезарядки (1а), а также лазеры, работающие в коротковолновой части спектра на смесях гелий- пары кадмия и гелий- криптон при накачке в реакциях (1б) и (1в). Сравнение показывает, что мощность при микросекундной накачке существенно больше мощности в непрерывном и квазинепрерывном режимах возбуждения. Например, для линий 615 нм иона Нg⁺ и 780,8 нм иона Сu⁺ удельная мощность P^spec_p = 0,5 и 0,4 Вт*см^-3 соответственно по сравнению с 0,023 [9] и 0,01 Вт*см^-3 [10] в квазинепрерывном режиме.
На рисунках 2 приведены типичные временные характеристики лазера на смеси гелия с парами ртути, а также зависимости ряда лазерных параметров от длительности импульса тока t. Лазерная линия 615 нм иона HgII, катоды диаметром 0,6 (1); 0,9 (2); 1,4 (3) и 2 см (4). Давление гелия 1,1 кПа.

Рис. 2 а. Осциллограммы импульсов тока и генерации

Рис. 2 б. Зависимости оптимального тока накачки от длительности импульса тока накачки

Рис. 2 в. Зависимости длительности импульса генерации от длительности импульса тока накачки

Рис. 2 г. Зависимости коэффициента усиления от длительности импульса тока накачки

Рис. 2 д. Зависимости удельной импульсной мощности от длительности импульса тока накачки

Рис. 2 е. Зависимости полной импульсной мощности от длительности импульса тока накачки

Рис. 2 ж. Зависимости удельной средней мощности от длительности импульса тока накачки

Рис. 2 з. Зависимости полной средней мощности от длительности импульса тока накачки

Насыщение мощности излучения вызывается накоплением в плазме ОС РПК тепловых электронов и включением процессов перераспределения ионов М⁺* по уровням за счет девозбуждающих столкновений с ними [3]. Измерения показали, что при любых t в случае использования трубки с катодом наибольшего диаметра (4 см) достигались максимальные полная мощность излучения и КПД.

Высокая  частота  следования  импульсов

Измерения импульсной и средней мощностей излучения в импульсно-периодическом режиме проводились при f ≤ 10 кГц и t = 0,3-1 мкс. В диапазонах f = 0-5 кГц для лазеров на парах ртути и таллия и f = 0-2 кГц для лазера на парах кадмия импульсная мощность Р_р была максимальной и не зависела от f, а средняя мощность P_av увеличивалась линейно с ростом частоты. При дальнейшем увеличении частоты следования импульсов величина Р_р начинала падать, а P_av испытывала насыщение при оптимальном значении f и далее снижалась (рис.З).

Рис.З. Зависимости импульсной (1,1') и средней (2,2’) мощностей излучения иона Нg II на линии 615 нм от частоты следования импульсов при длительности импульса тока 1 мкс (1 и 2) и 0,3 мкс (1' и 2'); 3 - расчет. Диаметр катода 0,9 см.

Измерения при f = 10-100 кГц проводились в случае возбуждения РПК цугами импульсов, число которых в цуге варьировалось от двух (метод сдвоенных импульсов) до 75 при t = 0,3-1 мкс (рис.4).

Рис.4. Осциллограммы цугов импульсов тока (а), напряжения на трубке U ≈ U_cf (б), а также импульсная (в) и средняя (г) мощности излучения на линии 615 нм иона Hg ll. Диаметр катода 0,9 см, f = 40 кГц, t = 1 мкс.

Обнаружено, что за время между двумя соседними импульсами происходит неполный распад плазмы и накапливаются тепловые электроны, т.е. к приходу каждого последующего импульса в полости катода имеется остаточная проводимость, в результате чего напряжение разряда U ≈ U_cf несколько снижается (рис.4.б). Накопление электронов интенсифицирует процессы электронного девозбуждения уровней [3], а уменьшение U_cf приводит к некоторому снижению скорости создания В⁺₀ и В_m в ОС за счет уменьшения энергии быстрых «первичных» электронов [8].
В табл.2 для различных t и d_cat приведены оптимальные значения f (соответствующие максимальной P_av) в импульсно-периодическом режиме и отвечающие им значения Р_р и Р_аv, а также мощности при малых f.

Табл.2. Характеристики He-Cd-, He-Hg-, Ne-Tl- и Не-Кr- лазеров с РПК при большой частоте следования импульсов.

Видно, что если при малых частотах и t = 1 мкс средняя мощность (см. рис.2) больше, чем при t = 0,3 мкс, то при f > 20 кГц картина меняется: большая P_av соответствует меньшему значению t, что определяется менее резким снижением Р_р в этом случае. Другими словами, при высоких, в том числе и оптимальных f выгоднее работать с более короткими импульсами тока. Отметим, что зависимости, представленные на рис. З, ведут себя почти одинаково для катодов всех использованных диаметров. Более низкая оптимальная частота следования импульсов для Ne-Tl , He-Cd- и Не- Кr- лазеров определяется тем, что снижение импульсной мощности с ростом f происходит здесь быстрее.
При высоких частотах и малых давлениях криптона и паров металлов (2-5 Па) происходит некоторое снижение N(М) в приосевых частях трубки, что обусловлено действием катафорезного разделения газовой смеси в области ОС импульсного РПК, где в направлении от оси катода к его стенке действует электрическое поле Е ~ 100 В*см^-1. Это делает более плоским радиальный профиль интенсивности лазерных линий [6].

Многоволновая  генерация  в  смеси  нескольких  рабочих веществ

Поскольку в ОС РПК процессы прямой ионизации преобладают над ступенчатыми, при помещении нескольких рабочих веществ (активных сред) в одну разрядную трубку с РПК целесообразен такой подбор веществ, при котором энергия каждой частицы-донора буферного газа (В⁺₀ или В_m) не перераспределяется между активными частицами различного сорта, а «накачивает» частицы только одного сорта. Нами найдено, что такой смесью для импульсного РПК является смесь He-Kr-Hg, где накачка ионов Hg** происходит при перезарядке с He⁺₀ (реакция (1а)), а ионов Кr** - при передаче возбуждения от Не_m (реакция (1в)). При этом канал разрушения Не⁺₀ столкновениями с Кr₀ из-за «несовпадения» энергий их уровней (ΔE(∞) » кT) отсутствует, что позволяет поддерживать более высокое суммарное давление рабочих веществ. Удельная пиковая мощность излучения He-Kr-Hg- лазера на линиях 615,0 и 794,5 нм Hg ll и 469,4 нм Кr II достигала в импульсно-периодическом режиме 0,25 Вт*см^-3. Изменяя давление паров ртути в трубке объемом V = 40 см³, можно реализовать три режима генерации (рис.5):

- при P(Hg) = 0 - на синей линии Кr II

- при P(Hg) = 10,7 Па - на красной линии Hg ll (со средней мощностью около 8 мВт*кГц^-1 при f ≤ 10 кГц)

- при P(Hg) = 4,7 Па - режим совместной генерации на всех линиях, в том числе и с равными мощностями на синей Kr ll и красной Hg II линиях (~ 4 мВт*кГц^-1).

Рис.5. Зависимости средней мощности генерации на линиях 615 нм (Hg II, 1) и 469,4 нм (Kr II, 2) от давления паров ртути в импульсном He–Kr–Hg- лазере с РПК при P_He = 2,5 кПа, P_Kr = 5 Па, j = 0,9 А/см² (эксперимент). Кривая 1' – результат расчета для линии 615 нм (Hg II) при условном наличии перезарядки в смеси He–Kr c типичной константой K_ch-tr = 10^–9 см³ с^–1 (виден выигрыш в мощности при отсутствии перезарядки).

Заключение

Таким образом, накачка ионных лазеров с РПК микросекундными импульсами тока позволила, по сравнению с непрерывным и квазинепрерывным режимами, значительно поднять коэффициент усиления и мощность излучения при генерации как на отдельных линиях, так и в многоволновом режиме. Продемонстрирована работоспособность активных элементов таких лазеров в импульсно-периодическом режиме с частотой следования импульсов вплоть до 100 кГц. Найдены оптимальные значения f и показано, что средняя мощность излучения активных элементов сравнительно небольших размеров может достигать долей ватта, а при использовании трубок с катодами диаметром 2 см и длиной более 40 см - приближаться к 1 Вт. Можно надеяться на дальнейшее повышение мощности до нескольких ватт при соответствующем увеличении объема активной среды, т.е. полости катода, что наряду с высокой частотой следования импульсов будет способствовать новым применениям этих лазеров для обработки информации, медико-биологических исследований и др.

1. Ivanov I.G., Sem M.F. Proc. SPIE Int. Soc. Opt. Eng., 3403, 120   (1998).

2. Little С.Е. Metal Vapour Lasers. Physics, Engineering and Application  (Chichester–New York–Brisbane–Toronto–Singapure: John Wiley &  Sons, 1999).

3. Zinchenko S.P., Ivanov I.G., Sem M.F. Proc. SPIE Int. Soc. Opt. Eng.,  2110, 150 (1993).

4. Иванов И.Г., Сэм М.Ф. Оптика атмосферы и океана, 14, 1016 (2001).

5. Кравченко А.В., Иванов И.Г. Оптика атмосферы и океана, 22, 1060 (2009).

6. Kalinchenko G.A. Proc. SPIE Int. Soc. Opt. Eng., 4243, 21 (2001).

7. Яковленко С.И. Квантовая электроника, 30, 501 (2000).

8. Зинченко C.П., Иванов И.Г. Тезисы докл. ХV Всерос. симп.  «Лазеры на парах металлов» (ЛПМ-2004) (Ростов-на-Дону:  Диапазон, 2004, с.20).

9. Piper J.A., Webb C.E. Opt. Commun., 13, 122 (1975).

10. Leigt B., Tobin R.С., Rozsa K., Donko Z. J. Phys. D: Appl. Phys., 30,  2946 (1997).