В.М. Борисов, А.М. Давидовский, С.Г. Мамонов, О.Б. Христофоров

ХИМИЧЕСКИЙ   HF- ЛАЗЕР,   ИНИЦИИРУЕМЫЙ   СКОЛЬЗЯЩИМ  ПО   ПОВЕРХНОСТИ   ДИЭЛЕКТРИКА   РАЗРЯДОМ

Исследованы энергетические характеристики НF- лазера с инициированием скользящим разрядом, распределенным по внутренней поверхности цилиндрической камеры, изготовленной из тефлона. Получена энергия генерации 140 Дж, которая с высокой однородностью распределена по апертуре лазера площадью 100 см².

В настоящее время химические HF- лазеры, инициируемые УФ излучением импульсных ламп, довольно широко распространены и исследованы [1]. Известны и недостатки таких лазеров [2]. Они обусловлены в основном ухудшением прозрачности кварца при работе ламп в агрессивной среде, большой длительностью инициирующего импульса, недолговечностью ламп. Для инициирования лазеров высоких объемов целесообразно применять большое число ламп [3], а это вносит дополнительные технические трудности, связанные со сложностью коммутации многих ламп.
В [4] показано, что протяженный скользящий разряд (СР) с успехом может заменить лампы в качестве источника УФ излучения в химических лазерах. Однако осуществление разряда по одному-двум каналам [4, 5] ведет к неоднородной засветке активного объема в лазерах с большой апертурой. Для однородного инициирования химических лазеров большой апертуры в [6] предложено использовать СР, однородно распределенный по большой (≥ 10³ см²) поверхности плоских диэлектриков, с длительностью УФ излучения ~ 1 мкс и приведены световые и электрические характеристики такого разряда.
В данной работе описана простая конструкция HF- лазера, инициируемого СР, распределенным по внутренней поверхности диэлектрической камеры, и приведены основные лазерные характеристики.
Схема лазера приведена на рис. 1. В качестве диэлектрической камеры нами использовалась тефлоновая труба 1 диаметром 120 мм с толщиной стенки 6 мм. На торцах трубы фланцами 2 и 3 крепились плоскопараллельные юстируемые пластины 4 и 4' из CaF₂. Металлический заземленный кожух 5, плотно надетый на тефлоновую трубу 1, электрически соединялся с металлическим кольцом 6, помещенным внутри трубы. Скользящий разряд развивался по внутренней поверхности тефлоновой трубы между кольцом 6 и отстоящими от него на 25 см фланцами 3 при разрядке емкостей C₁ и С₂ (С₁ = С₂ = 0,5 мкФ), заряжаемых через индуктивности L и коммутируемых разрядником Р.

Рис. 1. Схема химического HF- лазера, инициируемого распределенным СР по внутренней поверхности диэлектрической камеры

Таким образом, размер вдоль оптической оси области засветки УФ излучением от СР составлял ~ 50 см, эффективный лазерный объем при этом ~ 5,0 л. Резонатор был образован выходным ок­ном 4 и медным зеркалом 7 (R = 10 м).
Лазерная энергия и ее распределение но апертуре измерялись калориметрами ТПИ, форма импульса генерации — приемником, основанным на пироэффекте, с временем разрешения —100 нс, длительность и амплитуда УФ излучения от СР— с помощью ФК-3 и фильтра УФС-5 (250— 390 нм).
Следует отметить, что хотя предложенная нами в [6] конструкция HF- лазера, инициируемого плоским СР, обладает такими преимуществами, как малая длительность импульса УФ излучения и возможность осуществления импульсно-периодического режима работы при поперечном продуве рабочей смеси, конструкция, изображенная на рис. 1, более проста и удобна для качественных исследований лазера в моноимпульсном режиме. Мы не стремились предельно уменьшать индуктивность разрядного контура, например, располагая С₁, С₂ вокруг цилиндрической камеры и применяя многоканальный кольцевой разрядник. В качестве С₁, С₂ мы использовали типовые конденсаторы ИК-100/25 и одноканальный разрядник, исходя из длительности первого пика токового импульса ~ 1—2 мкс.
Результаты проведенного исследования излучательной способности CP [6] показали, что доля УФ излучения (250—350 нм) в аргоне выше, чем в гелии, в силу чего в рабочей смеси HF- лазера мы в основном использовали Аr. Компоненты газовой смеси были выбраны следующими: F₂ : О₂ : Н₂ : Аr = 10 : 3 : 3 : 15.
На рис. 2 приведены типичные осциллограммы напряжения на плазме СР (1) разрядного тока (2), свечения разряда в диапазоне 250—390 нм (3) и импульса генерации (4). Амплитуда максимального напряжения на плазме составила 44,2 кВ, тока — 43,9 кА. Длительность первой полуволны тока равнялась 2 мкс.

Рис. 2. Типичные осциллограммы (см. текст)

За это время, как было вычислено из осциллограмм, в разряд вкладывается 65 % запасаемой энергии. Длительность импульса УФ излучения от плазмы СР по полувысоте составила 1,6 мкс, длительность генерации HF- лазера — 1,1 мкс. Мощность генерации в максимуме была 140 МВт.
Рис. 3 иллюстрирует распределение плотности энергии генерации Р по апертуре лазера при различных давлениях газовой смеси.

Рис. 3. Зависимость плотности энергии лазерного излучения от расстояния до оси лазера /

Из рисунка видно, что при давлении смеси ~ 0,75 атм (кривая 1) достигается однородное инициирование и соответственно однородное распределение плотности энергии генерации по апертуре. Энергия генерации при этом составила 141,5 Дж, коэффициент преобразования вложенной в СР электрической энергии в энергию генерации равен 15 %. При уменьшении давления газовой смеси до 0,5 атм (кривая 2) энергия генерации снизилась за счет уменьшения плотности энергии от центра к периферии апертуры. Давления, большие 0,75 атм, нами не использовались, так как необходимое напряжение для создания СР при них (> 60 кВ) могло привести к пробою и разрушению диэлектрика. При умеренных зарядных напряжениях (50—60 кВ) на лазере было произведено > 5000 импульсов генерации без каких либо заметных повреждений диэлектрика.
Наличие фтора в рабочей газовой смеси предотвращало образование нагара на поверхности диэлектрика.
Таким образом, в данной работе предложена и осуществлена схема HF- лазера с инициированием СР по поверхности диэлектрика большой площади. В простой конструкции лазера получена высокая однородность лазерного излучения с максимальным удельным энергосъемом ~ 27,5 Дж/л.

1. Химические лазеры / Под ред. Н.Г. Басова. — М.: Наука, 1982, с. 229.

2. К. Watanabe, Y. Sato, М. Obara, Т. Fujioka. Jap. J. Appl. Phys., 19, 2175 (1980).

3. А.С. Башкин, A.H. Ораевский, В.С. Пазюк и др. Квантовая  электроника, 6, 2277 (1979).

4. А.С. Башкин, П.Г. Григорьев, А.Н. Ораевский и др. Квантовая  электроника, 3, 1824 (1976).

5. N.G. Basov et al. FIAN Preprint, M., 1976, No. 62.

6. В.M. Борисов, A.M. Давидовский, О.Б. Христофоров. Квантовая электроника, 9, 2159 (1982).