Приветствую Вас Гость | Вход
Меню сайта
Главная
Азотный ТЕ лазер
Азотный ТЕА лазер
Азотный ТЕА лазер. Блюмляйн
Азотный ТЕА лазер. Блюмляйн в рулоне
Блок питания
Искровой разрядник
Разрядный резистор
Измерение напряжения
Высоковольтный конденсатор
Лампа-вспышка
Вакуумные насосы
Самодельное зеркало
Научные публикации
Литература
Обратная связь
Видеоролики
Лазер на воздухе 1
Лазер на воздухе 2
Лазер на воздухе 3
Лазер на воздухе 4
ТЕА лазер на воздухе
ТЕА лазер на воздухе. Блюмляйн
Насос " ДРОЧУН "
Насос из шприца
Мембранный насос
Насос " Z 1,2 BW "
Насос фирмы " ТАКО "
Вход на сайт
Статистика

Онлайн всего: 1
Гостей: 1
Пользователей: 0
Самодельный лазер

С. В. Дробязко, Л. Г. Журавский

 

 

ХАРАКТЕРИСТИКИ  ЛАЗЕРНОГО  ИЗЛУЧЕНИЯ  ИМПУЛЬСНОГО СO2 - ЛАЗЕРА  ПЕРИОДИЧЕСКОГО  ДЕЙСТВИЯ  НА  СМЕСИ ВОЗДУХ — СО2

 

Экспериментально показана возможность регулировки в широких пределах (0,1—80 мкс) длительности лазерного импульса путем изменения состава смеси и добротности резонатора СО2 - лазера импульсно-периодического действия на смеси воздухСО2 со средней мощностью 500 Вт. Предложена полуэмпирическая модель расчета параметров импульса генерации, позволяющая провести оптимизацию резонатора и анализ потерь энергии для различных составов смеси на основании измерения выходных характеристик излучения при известных резонаторе и размерах активной среды. Результаты расчета хорошо согласуются с экспериментом.

 

 

Для решения ряда научно-технических задач необходимы импульсные СО2 -лазеры периодического действия (ИЛПД) со средней мощностью ~1 кВт. При этом для одних задач (локация, разделение изотопов, инициирование химических реакций) необходимы короткие (0,01—1 мкс) мощные лазерные импульсы, для других (резка, сварка, сверление, закалка) длительность импульса должна лежать в пределах 0,01 — 1 мс для предотвращения оптического пробоя среды перед мишенью.
Импульс излучения СO2 -лазера высокого давления с поперечным возбуждением состоит из короткого мощного пичка и длинной маломощной части [1], содержащей, как правило, заметную часть от полной энергии импульса. При этом энергия в пичке определяется в основном степенью возбуждения v3 -моды СO2 к моменту начала генерации, а энергия в длинной части определяется степенью возбуждения колебательных уровней азота. Уже в первых работах по импульсным СO2 -лазерам с поперечным возбуждением [2—4] отмечалось влияние состава смеси на форму импульса излучения, но только в работе [5], а позже в работах [6, 7] было проведено систематическое исследование влияния состава смеси и добротности резонатора на характеристики лазерного излучения. Работы велись на смесях, содержащих от 60 до 90 % Не.
В связи с изучением возможности создания ИЛПД открытого и замкнутого циклов на безгелиевых смесях, в частности на смеси воздух — СO2, актуальной задачей является исследование характеристик лазерного излучения для этих смесей. В работе [8] описан ИЛПД на смеси воздух — СO2 с открытым газовым циклом и средней мощностью 500 Вт. В настоящей работе приведены характеристики излучения этого лазера при различных составах рабочей смеси и добротностях резонатора. Предложена полуэмпирическая модель расчета параметров импульса генерации, позволяющая провести оптимизацию резонатора и анализ потерь энергии для различных составов рабочей смеси.
Опыты проводились на установке, описанной в работе [8], электрическая схема и устройство катода которой приведены на рис. 1.

 

 

Электрическая схема установки

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1. Электрическая схема установки [8] (а) и катодное устройство (б):
1 - общий контакт балластного сопротивления
2 - балластное сопротивление (электролит)
3 - медная пластина (основной электрод)
4 – изолятор
5 - катодные штыри
ШН1 - шунты.

 

Эта электродная система позволяла получать устойчивый тлеющий разряд при любых соотношениях компонент смеси воздух - СО2, давлениях до 150 мм рт. ст. и энерговкладах до 300 Дж/(л * атм).
Во всех опытах Снак= 0,1 мкФ, Свсп= 0,05 мкФ, Rбал= 500 Ом, а напряжение на накопительной емкости менялось от 22 до 36 кВ.
Катодное устройство (рис. 1, б) состояло из основного электрода — медной пластины толщиной 5 мм с отверстиями Ø 3 мм (шаг 5 мм), охлаждаемой по контуру водой, и вспомогательных электродов, выполненных в виде штырей 0 1 мм, соосных с отверстиями в пластине и изолированных от нее, так что одни концы штырей находятся заподлицо с медной пластиной и обращены к аноду, а другие подсоединены через балластные сопротивления к общей шине.
Методика измерений электрических, газодинамических и световых параметров описана в работе [8]. Давление паров воды и легкоионизируемых добавок определялось по точке росы вакуумным гигрометром. Типичные осциллограммы тока /, напряжения на разряде U и мощности излучения W приведены на рис. 2.

 

 

Типичные осциллограммы тока, напряжения и мощности

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2. Типичные осциллограммы тока I, напряжения U и мощности W лазерного излучения:
Uнак= 30 кВ, p = 114 мм рт. ст., смесь СО2 : воздух = 1 : 2.

 

 

Характерное для данной смеси Е / р определялось в точке d I / d t = 0. Полная энергия Q, введенная в плазму, определялась путем графического вычисления интеграла Q =∫ I U d t, где U - падение напряжения на плазме; / - ток через разрядный промежуток; t - время. Задержка лазерного импульса t3 определялась по отношению к началу токового импульса (рис. 2, б), длительность которого в наших экспериментах не менялась при изменении состава рабочей смеси.
Полная длительность лазерного импульса t определялась по его основанию, а длительность пичка tп— на полувысоте.
Во всех опытах приемник лазерного излучения работал в линейной области, что позволяло определить энергию и мощность в пичке и длинной части лазерного импульса, зная полную энергию и форму импульса излучения.
На рис. 3 приведены зависимости E / р, Q  и электрооптического КПД η   =   E  /   Q  (E - энергия лазерного импульса при выходном зеркале R = 85 %) от состава смеси. Видно, что с изменением доли СO2 в смеси от 2,7 до 100 % Е  /   р уменьшилось с 27 до 22 В / (см*мм рт. ст.), a Q осталось практически постоянным, поскольку с уменьшением  Е  /   p    растет амплитуда тока. При этом η  изменяется почти на порядок и имеет пологий максимум в области 20—40 %.

 

 

Зависимости E/p,энерговклада Q и электрооптического КПД от доли СO<sub>2</sub> в смеси

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 3. Зависимости E/p, энерговклада Q и электрооптического КПД η    от доли СO2 в смеси.

 

 

На рис. 4 приведены зависимости полной энергии импульса излучения и энергии, содержащейся в его длинной части, для выходных зеркал с R = 50 и 85 % в зависимости от состава смеси. Полная энергия лазерного излучения и ее распределение в импульсе, как видно, существенно зависят и от состава смеси и от добротности резонатора.

 

Зависимости полной энергии импульса излучения и энергии в его длинной части от доли СO<sub>2</sub> в смеси

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 4. Зависимости полной энергии импульса излучения (1, 2) и энергии в его длинной части (3, 4) от доли СO2 в смеси для выходных зеркал с R = 50 (2, 4) и 85 % (1, 3).

 

 

Для анализа потерь энергии в ИЛПД на смеси воздух - СO2, а также для оптимизации резонатора и размеров оптически активной среды использовалась расчетная модель генерации [9]. Предполагалось, что внутримодовый колебательный обмен достаточно быстр, так что для каждой колебательной моды СО2 и N2 можно ввести свою температуру. За начало отсчета принимался момент равенства нулю коэффициента усиления, т. е. предполагалось, что разряд не приводит к инверсии населенностей лазерных уровней, которая возникает в результате опустошения нижнего лазерного уровня, так что существует момент, когда коэффициент усиления равен нулю. Такое допущение справедливо, поскольку экспериментально измеренные времена задержки между началом токового импульса и импульсом излучения (см. ниже) больше суммарной длительности токового импульса и времени «разгорания» генерации, которое для наших условий ~ 0,1 мкс. При этом можно не описывать процесс возбуждения колебательных уровней, а рассматривать эволюцию их населенностей во времени при определенных начальных условиях.
В начальный момент времени предполагалось равенство температур симметричной и деформационной мод СО2, однако в процессе генерации учитывалось различие этих температур, вызванное большим потоком квантов на уровень 100 симметричной моды СО2. Из равенства нулю коэффициента усиления следует равенство населенностей верхнего и нижнего лазерных уровней. Начальная температура газа принималась равной температуре стенок, а начальная интенсивность - интенсивности спонтанного излучения. Для решения системы уравнений необходимо определить начальные населенности колебательных уровней азота и антисимметричной моды СО2.
Отсутствие сведений о функции распределения электронов для смеси воздух — СО2 не позволяет определить начальные населенности колебательных уровней из вольтамперной характеристики разряда. Поэтому начальные населенности уровней азота и антисимметричной моды СО2 определялись сравнением расчетного импульса излучения с экспериментально измеренным при заданных размерах активной зоны, добротности и степени заполнения резонатора. При этом существенным является совпадение не только полной энергии, но и доль энергии в пичке и длинной части импульса, поскольку первая определяется в основном колебательной температурой антисимметричной моды СО2, а вторая — колебательной температурой азота. Оказалось, что равновесное распределение по вращательным уровням во время генерации устанавливается не мгновенно, и учет скорости вращательного обмена существен для правильного расчета формы импульса.

 

 

Сравнение лазерных импульсов, полученных в эксперименте и при расчете с бесконечной и конечной скоростью вращательного обмена

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 5. Сравнение лазерных импульсов, полученных в эксперименте (1) и при расчете с бесконечной (2) и конечной (3) скоростью вращательного обмена:
p = 114 мм рт. ст., Uнак = 30 кВ, смесь СО2: воздух = 2 : 1.

 

На рис. 5 приведены экспериментально измеренный импульс излучения и рассчитанные без учета и с учетом конечной скорости вращательного обмена [10]. Видно, что учет конечной скорости вращательного обмена приводит к уширению пичка и устраняет несоответствие между расчетной и экспериментально измеренной формами импульса генерации, отмеченное в работах [9, 11].
В соответствии со сказанным колебательные температуры азота и анти­симметричной моды СО2 подбирались из условий совпадения расчетной и экспериментально измеренной полной энергии импульса и энергии в пичке для резонатора с выходным зеркалом с R = 50 %, длиной активной среды 64 см и расстоянием между зеркалами 120 см. Для проверки правильности методики расчета и подобранных начальных условий рассчитывались параметры импульса генерации для выходного зеркала с R = 85 % при тех же условиях возбуждения активной среды.
Результаты сравнения расчета и эксперимента для р = 114 мм рт. ст. и Uнак = 30 кВ приведены в табл. 1.

 

Таблица 1

 

Таблица

 

 

 

Подобранные значения начальных населенностей Z30 и Z40 обеспечивают совпадение в пределах 15 % расчетных и экспериментальных значений ξΣ  и ξП  для выходных зеркал с R = 50 и 85 % для всех смесей при экспериментальной ошибке определения порядка 10 %.
Используя значения Z30 и Z40 из табл. 1 и полагая Z10 = Z30, Z10 = Z220 в момент начала счета, можно определить энергии, содержащиеся в каждой колебательной моде и провести анализ потерь энергии, вложенной в разряд.
Результаты такого анализа приведены в табл. 2.

 

Таблица 2

 

Таблица

 

 

 

Величина Qco2 в табл. 2 определялась по уменьшению концентрации СО2 после разряда в дополнительных экспериментах на герметичной камере при сохранении условий предыдущего эксперимента. При этом предполагалось, что диссоциация СО2 происходит в результате соударений с электроном и на каждый акт диссоциации необходимо затратить энергию 7 эВ. Константа скорости диссоциации О2 для наших E/p согласно [12] в 3—5 раз выше, чем для СО2. Используя этот факт, а также константу скорости диссоциации СО2, определенную для нашего разряда для различных смесей, мы вычисляли величину Qсо2.
Видно, что энергия, идущая на химические реакции, колеблется от 11 до 42 % в зависимости от состава смеси и сильно зависит от концентрации кислорода в ней. Поэтому наличие кислорода в рабочей смеси является нежелательным.
Экспериментально измеренный энерговклад в разряд и рассчитанная величина Qкол + Qх совпадают с точностью до 25 %, что вполне удовлетворительно, если учесть, что экспериментальная ошибка при измерении Q ~ 10 %, а подбор начальных условий обеспечивал совпадение с экспериментом с точностью ~ 15 %.
Отметим, что при малом содержании СО2 в смеси (6,7 и 13,3 %) заметная часть энергии, запасенная в деформационной моде СО2, успевает перейти в тепло до начала генерации (для этих смесей t3 = 4,4 и 1,4 мкс соответственно). Начальная температура газа для этих смесей принималась равной 380 и 360 К соответственно.
Для чистого СО2 энергетический баланс сравнивался с результатами расчета в [13]. Как видно из табл. 2, отличие не превышает 10 %. КПД разряда при доле СО2 в смеси < 70 % слабо меняется от состава смеси и достигает 60 %, что лишь на 20 % ниже, чем для смесей с большим содержанием Не [14].
Доля, которую составляет излучаемая энергия от максимально возможной (ηрез), во всех наших экспериментах была меньше 42 %. Заметная часть энергии в момент прекращения генерации, как следует из расчетов, остается запасенной в колебаниях азота и антисимметричной моде СО2, что связано с ростом населенности нижнего лазерного уровня в результате нагрева газа. Понижение начальной температуры газа, как следует из результатов расчета, приведенных в табл. 3, позволяет повысить ηрез в 1,5 раза (расчет проведен для смеси СО2: воздух = 2:13 давлением р = 114 мм рт. ст. и значений Uнак = 30 кВ, R = 85 %, Z30 = 0,04 и Z40 = 0,09).

 

 

 

Таблица 3

 

Таблица

 

 

 

 

 

Максимальная длительность импульса 80 мкс получена нами экспериментально при доле СО2 в смеси 2,7 %. При этом ξΣ = 0,83 Дж. Для дальнейшего увеличения длительности импульса необходимо уменьшать долю СО2 в смеси. Как следует из расчетов, при доле СО2 в смеси 1,7 % t = 150 мкс, а при доле 1 % равна 250 мкс. При этом для поддержания КПД лазера на постоянном уровне необходимо увеличивать длину активной среды и повышать добротность резонатора.
Зависимость параметров импульса от добротности резонатора для смеси с давлением 114 мм рт. ст. и (СO2) = 13,3 % приведена в табл. 4 (Uнак = 30 кВ).

 

 

Таблица 4

Таблица

 

 

 

 

 

 

 

 

Отсутствие спада при R > 0,9, который наблюдался в работе [6], объясняется тем, что коэффициент отражения глухого зеркала в наших расчетах принимался равным 100 %.
Таким образом, экспериментально показана возможность регулировки длительности импульса излучения СО2 - лазера на смеси воздух — СО2 в широком интервале (от 0,1 до 80 мкс) при помощи состава смеси и добротности резонатора.
Зависимость энергии лазерного излучения от напряжения на накопи­тельной емкости при различных составах рабочей смеси приведена в табл. 5.

 

 

Таблица 5

 

 

Таблица

 

 

 

 

 

 

 

Во всех смесях поддерживалось одинаковым содержание СО2 и N2, а количество Н2О, Н2 и Не обеспечивало одинаковую скорость опустошения ниж­него лазерного уровня. Отличие в энерговкладах при различных смесях не превышало 10 %.
Предложенная расчетная модель с полуэмпирическим определением начальных условий позволяет рассчитывать начальные населенности уровней и форму импульса излучения для любых составов смеси, добротностей резонатора и размеров активной среды. Учет конечной скорости вращательного обмена позволил добиться совпадения расчетной длительности пичка с экспериментально измеренной. Анализ баланса энергии показал, что при работе на смеси воздух — СО2 заметная доля энергии идет на диссоциацию О2, поэтому более перспективными являются безгелиевые смеси типа СО2 - N2 - Н2 и СО2 - N2 - H2О.
Эффективность использования разряда в лазере на смеси воздух — СО2 достаточно высока (до 60 %).
Для дальнейшего повышения эффективности лазера необходимо повышать ηрез, оптимизируя добротность резонатора для каждого размера активной среды и увеличивая скорость опустошения нижнего лазерного уровня за счет понижения начальной температуры газа.
В заключение авторы считают своим приятным долгом выразить благодарность проф. А. А. Веденову за постановку задачи и внимание к работе и В. Н. Книжникову за полезные обсуждения и помощь при проведении расчетов.

 

 

 

1. J. Gilbert, J.L. Lachambre, F. RheauIt, R. Fortin, Cariad. J. Phys., 50, 2523 (1972).

2. А. ВeauIieu. Proc. IEEE, 59, 667 (1971)

3. P.R. Pearsоn, H.M. Lambertоn. IEEE J. QE-8, 145  (1972).

4. Y.L. Pan, A.F. Bernardt, J.R. Simpson. Rev. ScL Instr.,43, 662    (1972).

5. A. Giгaгd,  A.J Beaulieu. IEEE J. QE-10, 521 (1974).

6. K.J. Andrews, P.E. Dyer, D.J. James.J.Phys. E., 8, 493 (1975).

7. D.C. Hamilton, D.J. James, S. A. Ramsden. J. Phys. E.,8,849     (1975).

8. А.А. В еденов, С.В. Дробязко, А.А. Егоров, Л.Г. Журавский, В.Б. Турундаевский. «Квантовая электроника», 3, 2480 (1976).

9.   В.Ю. Баранов, В.М. Борисов, А.П. Напартович,  Е.Ш. Напартович, Ю.А. Сатов. Препринт ИАЭ, М., 1974, № 2398.

10. В.К. Garside, J. Raid, Е.A. Ballik. IEEE J. QE-ll, 583 (1975).

11. К.R. Manes, H.J. Sequin. J. Appl. Phys., 43. 5073 (1972).

12.  Д.И. Словецкий. Докт. диссертация. ИНХС им. А. В. Топчиева  АН СССР, М.. 1977.

13. L. Nighan. Phys. Rev. А, 2, 1989 (1970).

14. J.J. Lоwkе, A.V. Рhеlрs, В.W. Irwin.J. Aррl. Phys., 44, 4664 (1973).

 

 

Конструктор сайтов - uCoz