А. Е. Кирилов, В. Н. Кухарев, А. Н. Солдатов

ИССЛЕДОВАНИЕ  ИМПУЛЬСНОГО  Рb- ЛАЗЕРА  НА  λ = 722,9 НМ  С  ДВУХСЕКЦИОННОЙ  ГАЗОРАЗРЯДНОЙ  КАМЕРОЙ

Экспериментально показано, что секционированная газоразрядная трубка (ГТ) лазера на смеси Pb—Nе имеет более высокие КПД и удельный энергосъем, а также более низкий концентрационный порог генерации, чем односекционная ГТ при таких же начальных условиях возбуждения. Получена рекордная средняя мощность генерации свинцового лазера на λ = 722,9 нм, которая составила 3,2 Вт.

Введение

К настоящему времени опубликовано большое число работ по исследованию лазеров на самоограниченных переходах в парах металлов и достигнуты высокие уровни средней мощности генерации. Однако такие параметры, как энергия в импульсе и импульсная мощность генерации, остаются низкими, что значительно ограничивает возможности применения указанного класса лазеров. Улучшение энергетических параметров возможно при повышении энергосъема или увеличении объема активной среды. В работах [1,2] показано, что для повышения энергосъема в лазерах на самоограниченных переходах нужно повышать напряженность электрического поля в активной среде. Увеличения объема активной среды можно достичь увеличением длины газоразрядного промежутка. Таким образом, для повышения энергетики данных лазеров необходимо увеличивать напряжение на электродах газоразрядной трубки (ГТ). Однако в схемах, применяемых на практике, увеличение напряжения ограничивается параметрами наиболее часто применяемых коммутаторов — водородных тиратронов.
Исходя из этих простых соображений, можно заключить, что полезно разбить ГТ на несколько одинаковых секций и обеспечить синхронность их работы. Секционированные ГТ представляют интерес и по другой причине. В работах по исследованию азотного лазера (см., например, [3]) экспериментально доказано существование оптимальных по длине газоразрядных промежутков, в которых наблюдаются максимальные мощность генерации и КПД. Можно предположить, что и для смесей паров металлов с инертными газами существуют оптимальные длины разрядных промежутков. В данной работе проведено экспериментальное сравнение энергетических характеристик работы одно- и двухсекционных ГТ, работающих в режиме саморазогрева на смеси Pb — Ne (λ = 722,9 нм).

Установка и условия эксперимента

Исследования проводились с двумя ГТ из плавленого кварца, помещенными в теплоизолятор ZrО₂. Разогрев активного объема до необходимой температуры производился импульсами тока с частотой повторения 10— 30 кГц. Каждая ГТ имела три электрода. При подключении к системе питания двух крайних электродов но схеме, представленной на рис. 1, а, трубки работали, как обычные односекционные с длиной газоразрядного промежутка 60 см, а при подключении трех электродов по схеме, показанной на рис. 1, б, активный объем ГТ состоял из двух секций, каждая с длиной промежутка 30 см.

Рис. 1. Схемы включения ГТ в одноконтурную (а) и двухконтурную (б) системы возбуждения:
L₃ — зарядная индуктивность
Д — зарядные диоды
Т — термопарные датчики
С_1,2 — накопительные емкости (соответственно 500 и 1000 пФ) Л — тиратрон ТГИ 1000/25
Р —пояс Роговского
U_1,2 — напряжение питания.

ГТ различались диаметром, толщиной теплоизоляционного слоя и формой электродов. Первая ГТ внутренним диаметром 10 мм имела цилиндрические танталовые электроды (крайние — длиной 5 см, средний — 8 см) и толщину теплоизолятора 15 мм. Газоразрядный канал второй ГТ имел диаметр 8 мм. Электроды были выполнены из сплава вольфрам-рений в виде сфер радиусом 4 мм. В этом случае возможным влиянием конечных размеров электродов на развитие разряда можно было пренебречь. Более эффективный теплоизолятор (толщина слоя из ZrО₂ 25 мм) позволял работать в большом диапазоне изменения концентраций атомов свинца.
Для сравнения эффективностей обеих систем в экспериментах поддерживались одинаковые удельные энерговклады и напряженности поля. Сравнение проводилось при одинаковых начальных условиях (давления буферного газа и паров металла, частота повторения и т. д.). Для выполнения этих условий параметры системы возбуждения удовлетворяли следующим требованиям:

U₁ = 2U₂

 С₁ = С₂/2

 L₁ = 2L₂,    (1)

где U_1,2 — напряжения на электродах при одно- и двухконтурной схемах возбуждения; С_1,2 — величины накопительных емкостей для схем на рис. 1; L₁ — индуктивность разрядного контура односекционной ГТ; L₂ — парциальная индуктивность (без учета взаимоиндукций) каждого из разрядных контуров секционированной ГТ.
При выполнении условий (1) и одинаковых начальных условиях параметры импульсов возбуждения в сравниваемых системах должны быть одинаковыми в предположении, что активное сопротивление на единицу длины газоразрядных промежутков в одно- и двухконтурной системах одинаково, а влиянием взаимоиндукций связанных контуров секционированной ГТ можно пренебречь. Однако, как показали измерения, параметры импульсов в сравниваемых системах отличаются (см. ниже).
Для измерения параметров тока и напряжения в ГТ использовались пояса Роговского и омические делители, сигналы с которых подавались на входы осциллографов С7-5 и С7-8. Параметры лазерного излучения измерялись с помощью измерителя мощности ИМО-2 и фотоэлемента ФЭК-2. Температура в двух точках ГТ на внешних стенках газоразрядного канала измерялась с помощью термопарных датчиков.

Результаты эксперимента и их обсуждение

При включении ГТ по схеме на рис. 1, б для получения наибольшей эффективности необходимо обеспечить одновременность разряда в секциях. Осциллографирование импульсов тока и напряжения в секциях, а также импульсов лазерного излучения секционированной ГТ показало, что в пределах разрешения регистрирующей системы в разрядных промежутках наблюдалось одновременное развитие разряда. Синхронность разряда в секциях может быть объяснена взаимным влиянием ионизирующей «подсветки» электрически и оптически связанных промежутков.
На рис. 2 приведены зависимости температуры на внешней стенке газоразрядного канала от времени разогрева для частоты следования импульсов f = 23 кГц при давлении буферного газа неона p_Ne = 35 мм рт. ст.

Рис. 2. Экспериментальная зависимость температуры на стенке ГТ от времени ее разогрева для частоты повторения f = 23 кГц, снятая для одноконтурной (●) и двухконтурной (О) систем возбуждения:
U₁ = 5,8 кВ, U₂ = 2,9 кВ, p_Ne = 35 мм рт. ст.

Видно, что температурные зависимости для двух схем включения в пределах ошибок измерений совпадают. Это указывает на одинаковый энерговклад в ГТ при возбуждении одно- и двухконтурной систем. Подобные результаты получены и для других частот (15,4 и 19 кГц) и давлений буферного газа.
На рис. 3 приведены типичные экспериментальные зависимости мощности генерации лазерного излучения от температуры на внешних стенках одноконтурной (кривые 2, 4, 6) и двухконтурной (кривые 1, 3, 5) систем возбуждения для ГТ с цилиндрическими (кривые 1—4) и сферическими (кривые 5, 6) электродами.

Рис. 3. Экспериментальные зависимости средней мощности генерации от температуры на стенке ГТ (см. текст):
f = 23 (1, 2), 19 (3, 4), 15,4 кГц (5-7); U₁ = 5,8 (2) и 6 кВ (4, 6, 7); U₂ = 2,9 (1) и 3 кВ (3, 5, 7); Т_п1 = 500 (2) и 501 °С (4) ); Т_п2 = 453 (1) и 453 °C (3); P_Ne = 35 (1—4) и 20 мм рт. ст. (5-7).

На этом же рисунке кривая 7 характеризует отношение КПД сравниваемых систем со сферическими электродами (η₁ , η₂ — КПД одно- и двухконтурной ГТ). Результаты получены при частоте следования импульсов 15,4 кГц, начальном давлении неона 20 мм рт. ст. и напряжении 3 кВ на длину 30 см. КПД двухконтурной ГТ в большом диапазоне температур значительно выше КПД одноконтурной ГТ. В других исследованных случаях (кривые 1—4) η₂ также превышает η₁.
Было проведено также сравнение работы одно- и двухсекционных ГТ, работающих при начальных условиях U₁ = U₂; С₁ = 2С₂; L₁ = 2L₂. В этом случае сохранялся энерговклад в ГТ сравниваемых систем, однако начальная напряженность в газоразрядных промежутках двухсекционной ГТ была в 2 раза выше, чем в односекционной. При прочих одинаковых начальных условиях возбуждения КПД и мощность лазерного излучения двухсекционной ГТ были более чем в 2,5 раза выше, чем для одиосекционной.
Таким образом, результаты эксперимента показывают, что лазер на парах свинца с двухсекционной ГТ в большом диапазоне изменения начальных условий имеет более высокий КПД, более низкую пороговую и оптимальную концентрации паров рабочего вещества, чем односекционный.
Для выяснения причины этого явления было проведено осциллографирование импульсов тока, протекающих через одно- и двухконтурную ГТ при сохранении условий (1) (рис. 4). Из осциллограмм видно, что крутизна фронта и амплитуда импульса тока в двухконтурной ГТ больше, чем в одноконтурной. При этом время задержки разряда в газоразрядном промежутке одноконтурной ГТ больше, чем в двухконтурной.

Рис. 4. Типичные осциллограммы тока, протекающего через одноконтурную (1) и двухконтурную (2) ГТ, снятые при одинаковых температурах рабочих объемов и начальных условиях возбуждения. (Временной масштаб на рис. 4 следует считать в два раза большим.)

Результаты эксперимента позволяют сделать вывод, что различие импульсов накачки в сравниваемых системах обусловлено различием протекания процессов формирования плазмы в газоразрядных промежутках разной длины. С уменьшением длины газоразрядного промежутка уменьшается время формирования плазмы внутри ГТ [2]. Кроме того, как было указано выше, в секционированной ГТ разряд инициируется и развивается одновременно в нескольких газоразрядных промежутках, обеспечивая тем самым более однородную, чем в объеме одноконтурной ГТ, электро- и фотоионизацию газа. Это приводит к увеличению крутизны фронта и амплитуды импульса тока и уменьшению его длительности. Положительно на параметрах импульсов накачки должна сказываться и взаимная индукция разрядных контуров секционированной ГТ. Так как контуры включены навстречу друг другу, реактивное сопротивление каждого из них во время работы ГТ уменьшается за счет влияния взаимоиндукции. Увеличение эффективности накачки верхнего уровня приводит к снижению пороговой температуры рабочего объема секционированной ГТ, а также к увеличению удельной, импульсной и средней мощности лазерного излучения.
В таблице приведены некоторые результаты сравнения одно- (индекс 1) и двухсекционной (индекс 2) конструкции ГТ для λ = 722,9 нм.

Как видно из таблицы, в первом и во втором случаях КПД и средняя мощность генерации для двухсекционной ГТ значительно выше, чем для односекционной. В третьей строке таблицы приведены результаты, полученные с двухсекционной ГТ объемом 630 см³. Подробных исследований для этой ГТ провести не удалось, но уже первые эксперименты дали возможность получить рекордные для свинца мощности генерации (указаны в таблице). КПД в случае ГТ диаметром 22 мм (четвертая строка таблицы) составил 0,13 %. Это позволяет надеяться, что оптимизация накачки двухсекционной ГТ большого объема приведет к значительному повышению КПД, импульсной и средней мощности генерации лазера на парах свинца.

Выводы

1. При прикладывании высоковольтного импульсного напряжения к электрически и оптически связанным газоразрядным промежуткам в смеси Pb — Ne газовый разряд в них происходит одновременно.
2. Секционированная ГТ на парах металлов характеризуется более высокими КПД и средней мощностью лазерного излучения, чем одноконтурная ГТ той же длины и объема.
3. Концентрационный порог генерации для секционированной ГТ значительно ниже, чем для одноконтурной системы.
4. Разделение газоразрядной трубки на n секций позволяет уменьшить напряжение источника питания в n раз при начальных условиях возбуждения и тем самым расширяет возможности применяемых коммутаторов.
5. Проведено экспериментальное сравнение энергетических параметров лазеров на парах свинца для двух- и односекционной ГТ объемом 630 см³. Максимальная средняя мощность генерации на λ = 722,9 нм для двухсекционного включения достигла 3,2 Вт, что является в настоящее время рекордной величиной.

1. А.А. Исаев, М.А. Казарян. «Квантовая электроника», 4, 451  (1977).

2. Hans Е.В. Andersson, Rod С. Tobin. Physica Scripta, 9, 7 (1974). 3.

3. F.J. Theiss. Optics Comms, 9, 1 (1973)