Ю.И. Бычков, В.П. Кудряшов, В.В. Осипов

ИМПУЛЬСНЫЙ   ЛАЗЕР   НА   ДВУОКИСИ   УГЛЕРОДА  С  ЭНЕРГИЕЙ  ИЗЛУЧЕНИЯ  15 Дж

Актуальнейшей проблемой при создании мощных импульсных СО₂- лазеров является возбуждение равномерного разряда в больших объемах с высоким давлением газа. Однако с увеличением объема и давления растет и вероятность образования искровых каналов, с появлением которых ввод энергии в газ практически прекращается. Для преодоления этой трудности используется ряд методов: облучение разрядного промежутка пучком быстрых электронов [1], нейтронов [2], ультрафиолетовым излучением [3], излучением вспомогательных разрядов [4]. Цель этих операций — создание в межэлектродном объеме предварительной ионизации, достаточно равномерной и интенсивной, что в последних двух случаях не всегда удается. Степень предварительной ионизации можно повысить введением в газ веществ с низким потенциалом ионизации [5].
На рис. 1 показан внешний вид (а) и схема (б) экспериментальной уста­новки.

Рис. 1. Внешний вид (а) и схема (б) экспериментальной установки.

В настоящей работе приведены результаты исследования влияния добавок в рабочей смеси газов веществ с низким потенциалом ионизации на энергетические характеристики импульсного СО₂-лазера. Область возникновения разряда имеет объем 3 x 5 x 100 см. Электродная система лазера состоит из анода 1, катода 2, дополнительного электрода 3. Анод алюминиевый, изготовлен по форме, рекомендованной Роговским. Поперечное сечение катода имеет вид гребенки, в пазы катода укладывались стеклянные трубочки 4 с наружным диаметром 4 мм и внутренним диаметром 1 мм. Дополнительными электродами служили проволочки диаметром 0,8 мм, вставленные в трубочки. Глубина пазов катода подбиралась таким образом, чтобы заостренные рабочие края находились на одном уровне с осью проволочек. Система размещена в корпусе из медной трубы с внутренним диаметром 20 см. Резонатор длиной 120 см образован двумя зеркалами (плоским германиевым и сферическим металлическим с радиусом кривизны 6 м). Зеркала диаметром 6 см крепились с помощью фланцев на торцах трубы.
Низкоиндуктивный накопитель С емкостью 20 нФ собран из конденсаторов типа К15-4, на которые в отдельных режимах работы подавались высоковольтные импульсы с амплитудой, в два раза превосходящей номинальные значения. Для уменьшения разрядного контура накопитель соединялся с катодом посредством пяти вводов. Генератор импульсов напряжения 5 собран по схеме Маркса и имеет 6 ступеней. Каждая ступень емкостью 0,1 мкФ заряжалась до 20 кВ. Собственная индуктивность генератора составляла 1,5 мкГ. После срабатывания генератора заряжался накопитель, время заряда которого зависит от его емкости, индуктивности зарядного контура и давления газа в кювете и имеет величину ~ 500 нс. Практически в течение всего этого времени между катодом и проволочками горел коронный разряд, переходящий в поверхностный пробой диэлектрика. Ультрафиолетовым излучением и электронами этого разряда проводилась предварительная ионизация межэлектродного объема.
Как только напряжение между катодом и анодом достигало пробивного значения, возбуждался основной разряд и энергия, запасенная в накопителе, рассеивалась на сопротивлении плазмы, обеспечивая эффективную накачку верхнего лазерного уровня.
В смеси газов СО₂ : N₂ : Не = 1 : 2 : 6 равномерный разряд получен вплоть до 0,8 атм. При больших давлениях разряд был не­устойчив, быстро локализовался и в газ поступала лишь небольшая часть запасенной энергии. Однако, даже в наилучшем режиме при 0,6 атм, разряд не был достаточно равномерным. Этим, по-видимому, объяснялся весьма низкий КПД лазера, который составлял 1,5% при выведенной энергии 1 Дж и рабочем объеме 1,5 л.
Результаты значительно улучшались при добавлении в газ веществ с низким потенциалом ионизации. В этом случае ультрафиолетовое излучение и электроны дополнительного разряда, попадавшие в основной межэлектродный промежуток, производили более сильную ионизацию. Далее, при нарастании напряжения начинался процесс лавинного размножения на молекулах органических добавок. Измерение тока и напряжения показало, что при достижении пробивного напряжения в промежутке уже протекает ток, который составляет 1/7 от максимального. Использовался целый ряд добавок. Сточки зрения возбуждения равномерного разряда наилучшие результаты получены при использовании n, n-диметиланилина. Однако, учитывая, что n, n -диметиланилин загрязняет поверхности зеркал, что затрудняет вывод излучения, в дальнейшем использовался диметилбензол. Парциальное добавление диметилбензола при давлении смеси газов 1 атм составляло 1 мм рт. ст.
Исследование на оптимальность парциальных соотношений СО₂, N₂, Не производилось последовательным изменением содержания каждой компоненты смеси. Наилучшей оказалась смесь газов СО₂ : N₂ : Не = 1 : 2 : 6 при давлении 0,95...1,0 атм, для которой получена максимальная энергия излучения 15 Дж. Следует отметить, что при увеличении содержания Не в смеси, максимум энергии излучения уменьшается по абсолютной величине и сдвигается в область больших давлений.
Равномерный разряд возбуждался во всем исследованном диапазоне давлений 0,2...2 атм, однако при высоких давлениях энергия излучения резко падала. Так, например, для смеси СО₂ : N₂ : Не = 1 : 2 : 6 при давлении 2 атм энергия излучения уменьшалась на порядок.
На рис. 2 приведены зависимости КПД и энергии излучения лазера W от энергии, вводимой в газ W_в.

Рис. 2. Зависимости КПД (1) и энергии излучения (2) от энергии, вводимой в газ, для смеси газов СО₂ : N₂ : Не = 1 : 2 : 6 при давлении 1 атм.

Видно, что с увеличением энергии, вводимой в газ, энергия излучения линейно растет, а КПД лазера линейно падает.
Максимальная энергия излучения в импульсе, полученная на данном лазере, составляла 15 Дж при энерговводе 120 Дж. Эти значения не являются предельными и ограничивались возможностями генератора Маркса.
Измерение распределения интенсивности излучения поперёк электродов показало, что интенсивность максимальна в центре, а к краям моно­тонно уменьшается.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Б.М. Ковальчук, В.В. Кремнев, Г.А. Месяц, Ю.Ф. Поталицин. «Журнал прикладной математики и технической физики», № 6,  1971.

2. В.М. Андрияхин, Е.П. Велихов, Л.С. Ковалев, В.Д. Письменный,  А.Т. Рахимов, В.Е. Хвостиков. «Письма в ЖЭТФ», вып. 1, 15  (1973).

3. О.P. Judd. Appl Phys. Letts, 22, N 3, 95 (1973).

4. Ю.И. Бычков, В.В. Осипов, В.Ф. Тарасенко. «Квантовая электроника», под ред. Н.Г. Басова, № 3 (15), 121 (1973).

5. С.Grigorin, Н. Вrгinhsсhulte. Phys. Letts, A42, N 5, 347 (1973).