В.Н. Ищенко, В.Н. Лисицын, В.П. Сафонов, А.Р. Сорокин

ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНЫЙ   СО₂- ЛАЗЕР  ВЫСОКОГО   ДАВЛЕНИЯ

Сообщается об исследовании электроразрядного СО₂- лазера с объемной предионизацией вспомогательным разрядом через диэлектрик и низкоомной цепью питания основного разряда. Получена генерация при давлениях смеси до 13 атм. Обнаружена зависимость спектрального состава и характера пульсаций излучения от давления и состава смеси. Обсуждается возможность создания на основе предлагаемой методики плавно перестраиваемого лазера, а также лазеров большой мощности.

Поискам методов возбуждения и исследованию характеристик СО₂ - лазеров при давлениях выше атмосферного посвящено значительное число работ. Среди реализованных к настоящему времени систем лучшими характеристиками обладают лазеры с предварительной ионизацией рабочего объема электронными пучками [1, 2] и ультрафиолетовым излучением [3,4] — так называемые электроионизационные и фотоионизационные лазеры.
В данной работе мы исследовали характеристики СО₂- лазера, возбуждаемого поперечным разрядом с предварительной ионизацией всего рабочего объема вспомогательным разрядом через диэлектрик. Этот метод был разработан при исследовании лазера на молекулярном азоте [5] и позволил получить генерацию в ультрафиолетовой и фиолетовой областях спектра при давлениях газа до 11 атм [6]. Лазерная установка, использующая такой метод возбуждения разряда, отличается от электроионизационных и фотоионизационных лазеров относительной простотой исполнения и эксплуатации. В описанных ниже экспериментах с СО₂- лазером получена генерация излучения при давлениях смеси до 13 атм, что указывает на возможность создания непрерывно перестраиваемого лазера. Показана также перспективность метода для создания однородного разряда в больших объемах при высокой удельной энергии накачки.
Принципиальная схема возбуждения поперечного разряда с объемной предионизацией и конструктивное выполнение лазерных ячеек описаны в работах [5,6]. Основные результаты настоящей работы были получены на разрядных ячейках с размерами 1,5 x 0,6 x 60 см, 3 x 1 x 30 см и 5 х 2 х 30 см (первая цифра — расстояние между электродами). Электрическая схема исследуемого СО₂-лазера высокого давления представлена на рис. 1.

Рис. 1. Схема установки:
1 - основные электроды
2 - поджигающие электроды
3 - диэлектрик (стекло)
4 - полосковая линия
5 - генератор импульсного напряжения.

Для первой ячейки энергия основного разряда запасалась в конденсаторе с емкостью С = 5 нФ при напряжении U ≤ 64 кВ, для второй и третьей ячеек С = 25 нФ, U ≤ 64 кВ. Через ячейки осуществлялась слабая прокачка (8 г/мин) технически чистых газов. Парциальный состав регулировался с помощью расходометров PC-За. Суммарное давление измерялось стрелочным манометром на выходе ячейки. Резонатор образовывался внутренним сферическим стальным зеркалом и внешним стальным полированным или позолоченным зеркалом, которые заменялись в некоторых опытах дифракционной решеткой (100 штрих/мм). Радиусы зеркал были равны 2 м, длина резонатора — 80 см. Отраженное от герметизирующего ячейку брюстеровского окна излучение регистрировалось с помощью монохроматора ИКС-12, фотосопротивления Ge - Au и осциллографа С1-15. Временное разрешение системы регистрации составляло ~ 100 нс.
Лазер с ячейкой 1,5 x 0,6 x 60 см исследовался в диапазоне давления 1—13 атм при частоте повторения импульсов 1—10 Гц. Важным элементом установки, существенно влияющим на характеристики разряда и генерации, является согласующая передающая линия. Полосковая линия представляет собой промежуточный накопитель энергии, импеданс которого должен согласовываться с импедансом разрядного промежутка. Поскольку длину линии и толщину диэлектрика в ней можно достаточно легко менять, оказывается возможным оптимизировать параметры линии для каждого давления газа в разрядной ячейке.
Электрические измерения, проведенные при давлениях 1,5- 2 атм показали, что  при уменьшении емкости линии С_л  20 до 2,5 нФ амплитуды импульсов напряжения и тока увеличиваются приблизительно на порядок. Длительность фронта импульса напряжения при С_л = 20 нФ составляет 17 нс, а при С_л = 2,5 нФ — 5 нс. Длительность импульса тока при С_л = 20 нФ составляет 20 нс, а при С_л = 2,5 нФ — 9 нс. Эти измерения показали, что такой важный для генерации параметр, как приведенная к одной атмосфере напряженность электрического поля в разрядном промежутке, может поддерживаться на одном уровне при вариациях давления, если для каждого давления соответственно выбирать параметры линии.
На рис. 2 показаны зависимости энергии генерации от давления рабочей смеси при различных значениях С_л.

Рис. 2. Зависимости энергии генерации W от давления при составе смеси СО₂ : N₂ : Не = 1 : 1 : 10 и С_л = 20 нФ (1), 5 нФ (2) и 2,5 нФ (3)

Видно, что для получения максимальной энергии в импульсе, С_л следует выбирать равной емкости генератора импульсного напряжения (для возбуждения генерации при высоком давлении газа в разряде С_л должна быть меньше его емкости). С ростом давления генерация во всех случаях обрывается из-за перехода разряда в искровой.
Спектр излучения лазера при использовании неселективного резона­тора зависит от состава и давления смеси газов. При давлениях р ≤ 2 атм и соотношении СО₂ : N₂ : Не = 1 : 1 : 10 спектр излучения лазера состоит из одной линии Р24 перехода 00° 1—10°0. В области давлений 2 атм < р < 4,5 атм генерация может происходить одновременно на трех линиях: Р20, Р22, Р24, наиболее мощная — Р22. Подобная картина наблюдалась в работе [2].
При меньших концентрациях N₂ и СО₂, спектр генерации становится более сложным. В смеси СО₂ : N₂ : Не = 2 : 3 : 100 при каждом импульсе тока генерация происходит на Р- и R- ветвях обоих лазерных переходов  00°1—10°0 и 00² — 02°0. Результаты измерения пиковой мощности излучения в резонаторе, образованном глухими зеркалами, представлены на рис. 3.

Рис. 3. Распределение пиковой мощности генерации Р по линиям в зависимости от давления; С_л = 2,5 нФ.

Несмотря на низкую воспроизводимость результатов измерений спектрального состава и амплитуды импульсов, можно отметить, что максимальная мощность генерации на R- ветви достигается при большем давлении, чем для Р- ветви, а при давлении выше 10 атм в генерацию выходит только линия R18 с λ = 10,25 мкм. Указанному составу смеси соответствует максимальное давление газа (13 атм), при котором получена генерация. То, что с ростом давления газа генерация наблюдается на переходах с меньшими J, можно связать с уменьшением температуры, до которой нагревается газ в разряде.
Подчеркиваем, что приведенные результаты получены при использовании генератора импульсных напряжений с напряжением 60 кВ (ср., например, с 5- ступенчатым генератором Маркса при напряжении 80 кВ на ступень [3]). Следует ожидать, что применение в нашей схеме более высоковольтного и сильноточного генератора импульсных напряжений (что само по себе не представляет особых трудностей) приведет к расширению диапазона рабочих давлений, увеличению мощности и стабильности импульсной генерации СО₂-лазера при давлениях более 10 атм.
Форма и длительность импульса генерации также зависят от состава смеси и давления газа. Обычный для СО₂- лазера моноимпульсный режим генерации наблюдается при относительно высоких давлениях газа — выше 4 - 5 атм. При давлениях, меньших 4 атм, лазер работает в пичковом режиме. Наиболее ярко пичковый характер излучения проявляется в смесях с низким содержанием СО₂ при давлениях порядка атмосферного. Необходимым условием осуществления пичкового режима является присутствие в смеси молекул азота. На рис. 4 (г — ж) приведены осциллограммы излучения лазера на разных линиях, снятые при давлении р = 1 атм в смеси СО₂ : N₂ : Не = 2 : 9 : 100 за один импульс возбуждения.

Рис. 4. Осциллограммы импульсов генерации и усиления:
а — модуляция зондирующего излучения разрядом в смеси N₂,+Не; б — осциллограмма усиления на линии Р24 (переход 00°1- 10⁰0);в - ж — осциллограммы импульсов генерации на линиях:
Р24, переход 00°1 — 10°0 (в, ж),
Р14, переход 00°1 — 02⁰0 (г),
Р26, переход 00°1 — 02⁰0 (д),
P16, переход 00⁰1 — 10⁰0 (е).

Длительность цуга импульсов в некоторых вспышках достигала 40—50 мкс, причем амплитуды импульсов и интервалы между ними были весьма упорядочены и хорошо воспроизводились. В резонаторе с дифракционной решеткой характер пульсаций излучения зависел от положения решетки, а в случае резонатора без диспергирующих элементов картина пичков в целом зависела от конфигурации и юстировки зеркал, однако некоторые пички сохраняли свое положение при изменении параметров резонатора. Следует отметить, что в данной работе мы не ставили целью детальное изучение всех механизмов образования пичковой структуры генерации, а пытались выявить только специфичные для наших условий эксперимента причины.
Особенность использованной в нашей работе конструкции лазера— низкоомная малоиндуктивная цепь разряда, которая обеспечивает большую скорость нарастания тока (10¹² А/с). Косвенным подтверждением тому является обязательное наличие интенсивного УФ- сверхизлучения молекулярного азота в смесях с низким содержанием СО₂. В такой ситуации следует ожидать, что ударные волны, неизбежно возникающие при мощном (~ 10⁸ Вт) разряде, способны приводить к модуляции параметров лазера. Для выяснения природы пульсаций мы исследовали временной ход коэффициента усиления активной среды. Излучение непрерывного СО₂- лазера пропускалось через исследуемую ячейку и регистрировалось через монохроматор фотоприемником. Были приняты специальные меры для исключения влияния электрических наводок и спонтанного излучения поперечного разряда на работу зондирующего лазера и фотоприемника. На рис. 4 приведены осциллограммы, соответствующие прохождению зондирующего излучения через разряд в смеси N₂ : Не = 1 : 10 (а), через разряд в рабочей смеси при соотношении 1: 1:10 и полном давлении р = 1 атм (б) и (в) — лазерному излучению при тех же (б) условиях.
Из сравнения осциллограмм (а — в) видно, что положение импульсов генерации соответствует импульсам усиления, а расстояние между пичками совпадает с периодом модуляции луча пробного лазера. Эти факты свидетельствуют о том, что ударные волны, возникающие в разрядной камере, являются одной из причин периодической структуры пичков генерации СО₂- лазера. Для используемой в опытах смеси газов скорость акустических волн составляет ~ 7*10⁴ см/с. Таким образом, период колебаний при расстоянии 6 мм между стенками разрядной камеры равен ~ 8 мкс, что совпадает с наблюдаемым периодом пульсаций (рис. 4). Среди других причин, обусловливающих пичковый характер генерации, можно отметить процессы установления генерации [7], пространственную неоднородность инверсии [8], перекачку энергии между различными модами колебаний молекулы СО₂ [9] и др.
Были проведены предварительные исследования применимости нашей методики для возбуждения однородного разряда в больших объемах и при высоких значениях вкладываемой в разряд энергии. В ячейке с размерами 3 x 1 x 30 см при давлении 0,9 атм был получен устойчивый безыскровой разряд при энергиях накачки до 500 Дж/(л*атм). Поскольку импульс тока имел апериодический характер, для низкоомной цепи разряда можно считать, что почти вся энергия, запасенная в конденсаторе, переходит в разряд. Разряд сохранял однородность в области давлений 0,4 -1,6 атм. В ячейке 5 x 2 x 30 см возбуждался устойчивый разряд при накачке до 250 Дж/(л*атм). Дальнейшее повышение энергии накачки ограничивалось в этом случае параметрами используемого генератора импульсных напряжений.
Энергия вспомогательного разряда, создающего предварительную объемную ионизацию в этих ячейках, не превышала 0,4 Дж, т. е. составляла 1—2 % от энергии основного разряда.
Проведенные эксперименты показали, что метод возбуждения активной среды молекулярных лазеров высокого давления, использующий предварительную ионизацию газа вспомогательным электрическим разрядом через диэлектрик, является одним из перспективных путей создания плавно перестраиваемых лазеров. При использовании, например, смеси молекул СО₂ различного изотопического состава плавная перестройка частоты генерации в области 9—11 мкм может быть осуществлена при давлении порядка 5 атм [10]. В этой связи отметим, что в наших экспериментах при р = 5 атм генерация наблюдалась при вариациях содержания СО₂ в достаточно широких пределах, т. е. возможность получения генерации в многокомпонентной по изотопическому составу молекул СО₂ смеси вполне реальна. С другой стороны, область рабочих давлений может быть еще расширена увеличением рабочего напряжения, уменьшением зазора, а также использованием легкоионизуемых добавок [11].
Результаты, полученные в экспериментах с разрядными ячейками сечением 3—10 см², позволяют надеяться на создание мощного СО₂- лазера атмосферного давления с объемом разряда в несколько (~ 10) литров, отличающегося от известных мощных лазерных устройств относительной простотой исполнения и надежностью в работе.

1. Н.Г. Басов, Э.М. Беленов, В. А. Данилычев, А.Ф. Сучков. «Квантовая электроника», под ред. Н.Г. Басова, 3, 121 (1971).

2. В.А. Агейкин, В.Н. Баграташвили, И.Н. Князев, Ю.А. Кудрявцев, В.С. Летохов. «Квантовая электроника», 1, 334 (1974).

3. A.J. Аlcock, К. Leopold, М.S. Richardson. Appl. Phys. Letts, 23, 562 (1973).

4. M.С. Richardson, A.J. Аlcock, К. Leopold, P. Burtуn. IEEE J. Quantum Electronics, QE-9, 236 (1973).

5. В.H. Ищенко, В.H. Лисицын, В.Н. Старинский. «Оптико-механическая промышленность», 3, 32 (1974).

6. В.Н. Ищенко, В.Н. Лисицын, А.М. Ражев, В.Н. Старинский. «Письма в ЖЭТФ», 19, 429 (1974).

7. В.И. Лютов, Н.В. Самохина. «Электронная техника. Сер. Газоразрядные приборы», 3,25 (1970).

8. Н.П. Дацкевич, Д.Ю. 3арослов, А.С. Ельчанинов, Е.К. Карлова, Н.В. Карлов, И.О. Ковалев, Г.Н. Кузьмин. «Квантовая электроника», 1, 1416 (1974).

9. И.В. Новобранцев, А.Н. Старостин. Журнал прикладной механики  и технической физики, № 2, 164 (1974).

10. А.С. Проворов, В.П. Чеботаев. ДАН СССР, 208, 318 (1973).

11. Ю.И. Бычков, В.П. Кудряшов, В.В, Осипов. «Квантовая электроника», 1, 1256 (1974).