Д. Д. Малюта, В. Ф. Толстов

ХИМИЧЕСКИЙ   ИМПУЛЬСНЫЙ   HF- ЛA3EP  НА  СМЕСИ  ТЕХНИЧЕСКОГО  С₃Н₈  С SF₆,   ИНИЦИИРУЕМЫЙ  ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ   РАЗРЯДОМ

Сообщается о создании электрохимического HF- лазера, работающего на смеси технический пропан-бутан — SF₆, с резистивным анодом из монокристаллического Ge (p = 25 Ом*см) и УФ-предыонизацией с высокой стабильностью лазерного излучения. В неселективном режиме генерации с разрядного объема 86 см³ получены лазерные импульсы энергией 220 мДж с пиковой мощностью 3 МВт. При генерации на отдельных линиях энергии излучения Р₁(4-9)- Р₂(3-8)- и Р₃(3-8)- переходов составили 15— 43 мДж при пиковых мощностях 0,2—0,5 МВт.

Электрохимические HF-лазеры на основе нецепной химической реакции SF₆ с источником водорода С₃Н₈ являются наиболее приемлемым методом получения когерентного излучения высокой интенсивности в диапазоне длин волн λ = 2,5—3,1 мкм [1,2]. Для использования подобных лазеров в лазерной химии, спектроскопии и других областях представляет большой интерес создание небольших, удобных в эксплуатации HF-лазеров со стабильным выходным излучением. Несмотря на достижение электрического КПД, равного 4 % [3], наличие в смеси большого количества такого электроотрицательного газа как SF₆ делает затруднительным получение стабильных и однородных разрядов. Для инициируемых электрическим разрядом HF-лазеров предложено много различных конфигураций электродов, например, единичная и двойная спиральная цепочки острых штырьков, линейная и многорядная штырьковые системы, сплошные и сеточные электроды [4-6]. Однако вопросы стабильности в этих работах либо не обсуждаются, либо рабочие смеси требуют существенного разбавления гелием и весьма чувствительны к изменениям параметров разряда и давления смеси газов. Проблема создания HF-лазера со стабильным излучением решена в [2] благодаря использованию электродов из поликристаллического Ge с р = 50 Ом*см. С активного объема 0,042 л при зарядных напряжениях 18—30 кВ и высокой стабильности разряда получены лазерные импульсы энергией 20—67 мДж при многочастотной генерации и 1—7 мДж при генерации на отдельных линиях.
В данной работе сообщается о создании HF-лазера на смеси С₃Н_8тех —SF₆ с анодом из монокристаллического Ge (р = 25 Ом*см) и УФ-предыонизацией с высокой стабильностью лазерного излучения как при многочастотной генерации, так и при генерации на отдельных линиях Р-переходов.
Электроразрядная камера изготовлена из дюралюминия. Резистивный анод из Ge размерами 32 х 10 х 170 мм после придания ему формы электродов Чанга  [7] приклеивался с помощью проводящего клея к подводящей латунной пластине. Катод представлял собой латунную сетку с шагом 1 мм и прозрачностью 50 % .
Однородная предыонизация в разрядной области осуществлялась УФ подсветкой из 2 х 24 ярких дужек, расположенных вдоль разрядной области на 16 мм ниже сетчатого катода. Интенсивные дужки развивались от высоковольтных вводов, расположенных по краям, к центральной заземленной части за счет токов смещения через специальную керамику с диэлектрической проницаемостью ε = 100 по поверхности этой керамики. Такая матричная схема создания УФ-предыонизации обеспечивает сравнительно низкую собственную индуктивность и высокую однородность подсветки [8].
При расстоянии между электродами 18 мм объем разряда составил 30 х 18 х 160 мм или 86 см³.
Электрическая схема лазера изображена на рис. 1.

Рис. 1. Электрическая схема лазера:
C₁ = 26 нФ; С₂ = С_з = --- С₆ = 10 нФ
R₁= R₃= R₄ = 20 кОм; R₂= 1 МОм; R₅ = 240 МОм
А — анод из монокристаллического Ge
К — сетчатый катод
Р — разрядник

Емкости  С₁…С₆    были собраны из малоиндуктивных конденсаторов К15-10. Коммутация в цепи основного разряда осуществлялась разрядником с искажением поля Р, а в цепи предыонизации коммутатором являлся тиратрон ТГИ-1000/25. Электрическая схема позволяла регулировать время запуска основного разряда относительно предыонизации или вообще работать без нее. Источником запускающих импульсов служил генератор ГЗИ-6.
Оптические элементы лазера — окна и выходные зеркала изготовлены из CaF₂, глухое вогнутое зеркало с радиусом кривизны R= 5м— из бронзы БРХ-08.
В экспериментах по исследованию зависимости выходного излучения лазера от добротности резонатора использовались выходные зеркала с разными коэффициентами отражения, полученные вакуумным напылением многослойных диэлектрических покрытий на плоскопараллельные подложки из CaF₂.
Исходными компонентами лазерной смеси являлись техническая пропан-бутановая смесь С₃Н_8тех и гексафторид серы. Газовая схема приготовления и напуска смеси собрана по обычной схеме, откачка отработанной смеси производилась через патрон с химическим известковым поглотителем.
Были проведены экспериментальные исследования по определению оптимальных состава и рабочего давления лазерной смеси. Сравнительно плавные максимумы наблюдались при соотношении компонентов С₃Н_8Тех : SF₆ = 1 : 30 и давлении р = 55 мм рт. ст.
Использованная нами электродная система позволяла зажигать однородные разряды в лазерных смесях при давлениях до 100 мм рт. ст. без предыонизации. Помимо уровня УФ предыонизации существенным параметром является время задержки основного разряда относительно предыонизации t₃. Было проведено экспериментальное исследование влияния времени задержки t₃ на увеличение выходной энергии лазера. На рис. 2 показаны зависимости фактора увеличения энергии лазерного импульса EIE_б (Е — энергия импульса с предыонизацией и E_б без нее) от t₃ при разных давлениях в разрядной камере для смеси С₃Н_8тех : SF₆ = 1 : 22.

Рис. 2. Зависимость фактора увеличения выходной энергии (EIE_б) от времени задержки между основным разрядом и предыонизацией

Видно, что при сравнительно малых давлениях р = 30—50 мм рт. ст. энергия увеличивается всего на 15—20 %. Однако с увеличением давления влияние уровня предыонизации растет, что, по всей видимости, связано с увеличением концентрации фотоэлектронов и возрастанием энерговклада в основной и вспомогательный разряды. Оптимальным временем задержки является t₃ = 1—2 мкс. Такое t₃, вероятно, необходимо для установления однородной концентрации фотоэлектронов в разрядной области. УФ-предыонизация позволила существенно стабилизировать работу НF- лазера.
Многочастотный лазерный импульс имел трехпичковую форму, аналогичную наблюдавшейся в [2]. Энергия генерации при U₁ = 35 кВ, U₂ = 20 кВ для смеси С₃Н_8тех = 1 : 30 при р = 55 мм рт. ст. составила 220 мДж с пиковой мощностью 3 МВт.
Резонатор с L= 85 см был образован глухим вогнутым зеркалом R= 5 м и выходным зеркалом с отражением r = 40 %.
При выделении отдельных линий генерации глухое зеркало заменялось дифракционной решеткой N= 200 штрих/мм с углом блеска 0—30 °. Генерация наблюдалась на линиях P₁(4—9), Р₂ (3—8) и Р₃ (3—8) с энергией 15 — 43 мДж и пиковыми мощностями 2 — 0,5 МВт.
Описанный НF- лазер работал весьма стабильно. Повторяемость лазерных импульсов была хорошей и флуктуации энергии от импульса к импульсу составляли не более 1 %. Электрический КПД лазера в неселективном режиме составил 2,5 %.

1. Т. V. Jacobson, G. Н. Kimbell. IEEE J. QE-9, 173 (1973).

2. С. В. Hatch. J. Phys. E, 13, 589 (1980).

3. F. Voigner, M. Gastaud. Appl. Phys. Letts, 25, 649 (1974).

4. Т. V. Jacobson, G. H. Kimbell. Chem. Phys. Letts, 8, 309 (1971).

5. H . Pummer, K. L. Kompa. Appl. Phys. Letts, 20, 356 (1972).

6. R. G. Wenzel, G. P. Arnold. IEEE J. QE-8 , 26 (1972).

7. T.Y. Chang. Rev. Set. Instrum., 44, 405 (1973).

8. А. К. Жигалкин, Ю. Л. Сидоров. ПТЭ, № 6, 146, (1980).