ОПТИЧЕСКАЯ   НАКАЧКА   НЕОДИМОВОГО  СТЕКЛА ИЗЛУЧЕНИЕМ  СИЛЬНОТОЧНОГО  РАЗРЯДА

Развитие современной экспериментальной техники, в частности, используемой в исследованиях проблем лазерного термоядерного синтеза, в значительной степени определяется совершенством лазерных систем с предельно высокими энергетическими и мощностными параметрами. В настоящее время в этих исследованиях наибольшее распространение получили твердотельные лазеры на стекле, активированном неодимом, с накачкой от мощных газоразрядных ламп.
В стандартном режиме, обеспечивающем оптимальный КПД, длительности световых импульсов этих ламп составляют 1 мс, что приблизительно вдвое больше времени жизни возбужденного состояния рабочего уровня ⁴F_{3l 2} иона Nd³⁺. В связи с этим при 2 — 3- кратном превышении порога генерации потери на люминесценцию достигают значительных величин и существенно снижают КПД генератора.
Очевидно, что укорочение времени накачки до 100 . . . 200 мкс (при сохранении энергии в области поглощения неодимового стекла) может привести к значительному повышению эффективности лазерной системы, работающей в режиме модулированной добротности. Однако укорочение импульса газоразрядных ламп за счет изменения СL- контура не приводит к заметному улучшению, так как, с одной стороны, при этом возрастает температура плазмы разряда и снижается спектральный КПД в области накачки неодимового стекла [1], а с другой — резко ухудшаются эксплуатационные характеристики этих ламп. Введение щелочных металлов в лампу повышает ее спектральный КПД [2], но на этом пути встречаются весьма существенные технологические трудности, и к настоящему времени лампы этого типа не получили распространения.
В связи с этим представляет интерес использовать в качестве источника накачки вакуумный литиевый разряд, описанный в [3, 4]. При температуре плазмы 2 . . . 2,5 эВ (I_тах = 230 кА, n = 10¹⁸ см^-3, t_0,5 ≈ 100 мкс) максимум излучения этого разряда лежит в области 700 нм, т.е. вблизи основных полос поглощения Nd³⁺.
Использованная в работе установка схематически показана на рис. 1. Она состояла из блока питания и синхронизации, разрядной камеры и системы регистрации.

Рис. 1. Схема экспериментальной установки:
1 — Не-Ne –лазер
2 — за­пускающий генератор
3 — блок поджига
4 — разрядная камера
5 — стеклянная труба
6 — активный стержень
7 — калориметр
8 — фотоприемник ФД-ЗА.

Вакуумная (~ 10^-4 мм рт. ст.) разрядная камера представляла собой металлический цилиндр с внутренним диаметром 168 мм и высотой 360 мм. Чтобы исключить возможность переброса разряда на стенки камеры, ее корпус был изолирован от токонесущих частей установки. Длина разрядного промежутка составляла 28 см, а его диаметр ограничивался системой обратных проводов и был равен 5 см. В камере вакуумно уплотнялась стеклянная трубка, на оси которой помещался активный элемент из стекла, активированного неодимом. Область разряда и активный элемент охватывались эллиптическим отражателем с осями длиной 166 м и 150 мм. Расстояние между осями разряда и рабочего стержня было равно 70 мм.
Конструкция камеры позволяла укреплять лампу ИФП-8000 (или ИФП-5000) на место разряда, что обеспечивало возможность сравнения энергетических и генерационных характеристик системы при использовании в качестве источника накачки лампы или разряда в условиях данной камеры. Внешний вид камеры приведен на рис. 2.

Рис. 2. Внешний вид разрядной камеры.

Измерение энергии генерации производилось графитовым калориметром с диаметром приемной площадки 60 мм. Форма импульса генерации регистрировалась фотодиодом ФД-ЗА с выводом сигнала на двулучевой осциллограф. На второй канал осциллографа подавался сигнал с пояса Роговского, пропорциональный току разряда, это позволяло контролировать стабильность разряда.
Предварительные эксперименты показали, что в разряд вводится около 80 % энергии, запасенной в батарее, а именно: 33,5 кДж в стандартном режиме работы установки и 48 кДж в форсированном. При этом 90 % этой энергии вводилось за 70 мкс.
Световая энергия, падающая на активный элемент, измерялась стержневым калориметром (черненый медный стержень диаметром 16 мм и длиной 240 мм), помещавшимся на место рабочего стержня. Чтобы учесть вклад конвективного теплообмена между калориметром и окружающей его стеклянной трубкой, нагревавшейся ультрафиолетовым излучением разряда, проводились дополнительные измерения, в которых на время разряда калориметр экранировался массивной металлической трубкой. Пренебрегая такими малыми эффектами, как теплообмен на торцах, испарение стеклянной трубки, теплообмен между калориметром и экранирующей металлической трубой за время разряда, можно записать следующие соотношения для эксперимента с экранировкой и без экранировки калориметра соответственно:

С_К Δt ^/ = С_тр (ΔТ ^/  - Δt ^/),

С_тр (ΔТ ^/  - Δt ) = С_к (Δt — ΔТ ),

где С_к = 155 Дж/град — теплоемкость калориметра; С_тр = 78,5 Дж/град — теплоемкость стеклянной трубки; Δt ^/ , Δt — приращения температуры калориметра после опыта экранирующей металлической трубой и без нее; ΔТ ^/, ΔТ  — приращения температуры стеклянной трубки и калориметра после разряда.
После преобразований получаем:

ΔТ ^/ = Δt ^/ (1+ С_к/С_тр), ΔТ = Δt — С_тр/С_к (ΔТ ^/ — Δt)

Предполагая, что ΔТ ^// ΔТ = К не зависит от энергии, вкладываемой в разряд [3], получаем

ΔТ = (С_тр + С_к ) Δt /(С_к + К С_тр ) = А Δt.

Результаты калориметрических измерений с учетом поглощения калориметром не всей световой энергии, падающей на него (коэффициент «серости» принят равным 0,85 [5]), приведены в таблице.

Линейная зависимость энергии, падающей на калориметр, от энергии, запасенной в батарее, позволяет уверенно экстраполировать данные калориметрических измерений на большие энергии, что дает в случае энергии, запасенной в батарее, равной 60,5 кДж, 1050 Дж на рабочем стержне.
Прямыми измерениями было показано, что значительное уменьшение доли энергии, падающей на активный стержень, в опытах с разрядом обусловлено низкой эффективностью использованного отражателя как за счет резкого падения коэффициента отражения его поверхности [6] при облучении мощными потоками света, богатого ультрафиолетом, так и за счет геометрии системы (диаметр разряда больше диаметра активного элемента).
Режим свободной генерации осуществлялся на стеклянном стержне, активированном неодимом, диаметром 20 мм и длиной 260 мм (концентрация Nd₂О_3:< 2 % вес.). Длина резонатора составляла 720 мм. Использовались плоские зеркала с диэлектрическими покрытиями (100 и 55 %). Резонатор монтировался на специальной оптической скамье, механически развязанной с разрядной камерой. Это было вызвано тем, что в опытах с разрядом мощные пондеромоторные силы, возникающие в токонесущих шинах и системе обратных проводов разряда, приводят к сильной разъюстировке резонатора.
Зависимость энергии генерации от энергии, вложенной в стержень в области пропускания молибденового стекла, представлена на рис. 3.

Рис. 3. Зависимость энергии генерации от энергии, вложенной в стержень в области пропускания молибденового стекла, для разряда (1) и лампы (2).

Из рис. 3 видно, что, как и следовало ожидать, порог генерации при накачке разрядом ниже, чем порог генерации при накачке лампой ИФП-8000.
Типичная осциллограмма импульса свободной генерации представлена на рис. 4.

Рис. 4. Осциллограмма импульса свободной генерации и тока разряда. Развертка 20 мкс/см.

Максимальная энергия генерации составляет 16,8 ± 2,0 Дж, что соответствует удельной энергии генерации 0,21 Дж/см³ и удельной мощности 5,0 кВт/см³. Аналогичные величины для установок типа ГОС-1000 составляют 1,0 Дж/см³ и 1,0 кВт/см³ [7]. Из сравнения этих данных видно, что даже в простой системе, не предназначенной для получения предельных параметров, накачка разрядом позволяет реализовать удельную мощность, в 5 раз превышающую удельную мощность, достигаемую на лучших лабораторных установках. Следует отметить, что достигнутая в режиме свободной генерации удельная энергия не является предельной для рассматриваемой системы и после незначительных конструктивных изменений может быть увеличена в 3 ... 5 раз.
Режим модулированной добротности осуществлялся на том же стержне и резонаторе с помощью пассивного затвора, в качестве которого использовалась просветляющаяся ячейка, помещавшаяся внутри резонатора у «глухого» зеркала. Рабочий объем ячейки диаметром 30 мм и толщиной 4 мм заполнялся просветляющимся красителем (тиапентакарбоцианином, растворенным в ацетоне). Конструктивные особенности установки не позволяли варьировать накачку в широких пределах, поэтому моноимпульсный режим модулированной добротности осуществлялся подбором концентрации красителя при фиксированной накачке, на 20 % превосходящей порог свободной генерации.
Осциллограмма проинтегрированного импульса (RC = 3 мкс) генерации в режиме модулированной добротности приведена на рис. 5.

Рис. 5. Осциллограмма проинтегрированного импульса (RC = 3 мкс) генерации в режиме модулированной добротности. Развертка 20 мкс/см.

При этом была зафиксирована энергия 1,1 Дж, а в режиме свободной генерации при той же накачке было получено 5,4 Дж, т. е. коэффициент преобразования (отношение энергии моноимпульса модулированной добротности к энергии импульса свободной генерации при той же накачке) равен 20 %. Для сравнения следует отметить, что при работе с ламповой накачкой и тем же красителем в полностью оптимизированном режиме [8] этот коэффициент равен 11,7 %. В нашем случае при накачке лампой ИФП-8000 это отношение не превышало 2 %. Длительность импульса модулированной добротности не измерялась. Однако, как следует из [8], в наших условиях она, по-видимому, составляла 30 ... 40 нс.
КПД преобразования в режиме свободной генерации в случае полной утилизации световой энергии разряда, например при концентрическом расположении стержней вокруг разряда, составит 0,6 %. Это значение соответствует двукратному превышению порога и будет расти при увеличении энергии накачки. При использовании разряда для накачки усилителей наносекундных импульсов КПД системы может составить 1,5 %. Дальнейшее усовершенствование (уменьшение потерь на торцах камеры за счет увеличения длины разряда, использование разряда в цезии и согласование батареи с нагрузкой) позволяет рассчитывать на увеличение КПД до 2,5 .. . 3,0 %.
Проведенные исследования показывают, что сильноточные разряды, аналогичные разряду в литии, могут быть успешно использованы для накачки усилителей и оптических квантовых генераторов. При этом возможно получение более высокой эффективности энергетических и мощностных параметров системы, чем в случае применения осветителей с газоразрядными лампами. Применение сильноточного разряда, по-видимому, наиболее рационально в системах с модулированной добротностью и усилителях наносекундного диапазона. Однако для осуществления таких систем накачки требуется проведение дополнительных технологических и конструктивных исследований.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. А.Д. Клементов, Г.В. Михайлов. ЖПС, 9, 756 (1968).

2. J.Оlivег, F.S. Barnes. Proc. IEEE, 59, 638 (1971).

3. А.Д. Клементов, Г.В. Михайлов, Ф.А. Николаев, В.Б. Розанов, Ю.П. Свириденко. «Теплофизика высоких температур», 8, 736 (1970).

4. А.А. Вехов, А.Д. Клементов, Ф.А. Николаев, В.Б. Розанов, В.А. Рубцов, Ю.П. Свириденко. «Краткие сообщения по физике»,   ФИАН, № 10, 53 (1970).

5. Б.П. Козырев, М.А. Кропоткин. «Оптика и спектроскопия», 10,  657 (1961).

6. Ф.А. Николаев, В.Б. Розанов, В.А. Рубцов, А.В. Шелоболин. «Краткие сообщения по физике», ФИАН, № 3, 31 (1973).

7. В.А. Батанов, Б.В. Ершов, Л.П. Максимов, В.В. Савранский, В.Б. Федоров. «Краткие сообщения по физике», №. 4, 8 (1970).

8. Ю.М. Грязков, О.Л. Лебедев, В.А. Серебряков, А.Д. Стариков, Е.М. Швом. ЖПС, 10, 739 (1969).