3.И. Ашурлы, Ю.М. Васильковский, И.А. Гордеева, Л.В. Малышев, Р.Е. Ровинский, А.А. Холодилов

ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНЫЙ   ИМПУЛЬСНЫЙ   СО₂- ЛАЗЕР   ДЛЯ  ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ   ЦЕЛЕЙ

Описан лабораторный импульсный электроразрядный СО₂- лазер высокого давления, обеспечивающий изменение в широких пределах выходных параметров луча. Благодаря секционированию электродной системы и источника питания обеспечивается регулирование длины активной части и возможность генерирования двух или нескольких следующих друг за другом импульсов с заданным запаздыванием. Выбором состава смеси достигается стабильное регулирование длительности и формы импульса излучения. Исследованы зависимости коэффициента усиления слабого сигнала активной среды от времени и общего давления смеси при различных соотношениях компонентов газа. Результаты трактуются на основании упрощенной модели кинетических процессов в разряде.

При исследованиях, связанных с практическим применением ИК лазеров для целей производственной технологии, хорошо зарекомендовали себя электроразрядные СО₂- лазеры высокого давления с поперечным разрядом (ЭРЛ). Возможности управления параметрами выходного излучения ЭРЛ значительно расширяются при секционировании электродной системы лазера и соответственно той части схемы электропитания, которая формирует электрические импульсы. В данной статье описан лабораторный ЭРЛ с секционированной электродной системой и показаны его исследовательские возможности.
Электроразрядная секция лабораторного ЭРЛ длиной около 45 см состоит из анода в виде дюралюминиевой пластины с рабочей поверхностью 42 х 15 см, катода из того же материала размером 40 х 12 см и вспомогательного электрода, для которого на рабочей поверхности катода выфрезированы параллельные поперечные пазы шириной 2,6 мм и примерно такой же глубины. В пазах натянут изолированный провод вспомогательного электрода так, что половина его диаметра выступает над поверхностью катода.
Схема электропитания секции приведена на рис. 1.

Рис. 1. Схема электропитания секции лазера

Формирование электрического импульса производится с помощью коммутирующих устройств К₁ и К₂, обеспечивающих подведение к разрядному промежутку секции ЭРЛ примерно удвоенного напряжения U₀ накопительной емкости С₁. Это вызывает развитие сначала вспомогательного разряда коронного типа между проводом ионизирующего электрода Э и катодной пластиной К, а затем появление в основном разрядном промежутке А—К тлеющего разряда высокого давления.
Несколько таких электроразрядных секций, установленных последовательно внутри общей кюветы с зеркалами оптического резонатора на торцах, образуют лабораторный лазер. Блок запуска и синхронизации обеспечивает одновременное срабатывание управляемых коммутаторов K₁ и всех секций ЭРЛ.
Секционированная конструкция лазера позволяет использовать различные варианты запуска секций. Так, включение части секций позволяет регулировать длину активной части лазера. Отельные секции или отдельные группы секций можно запускать с управляемой задержкой относительно друг друга, величина которой составляет от 0,5 мкс до любого требуемого значения.
Расширению исследовательских возможностей лабораторного лазера способствует управляемое изменение длительности и формы импульса излучения. Длительностью импульса будем считать время, в течение которого выделяется 90 % всей его энергии. Одним из возможных путей изменения длительности и формы импульса является наложение двух последовательных импульсов, создаваемых двумя группами секций ЭРЛ, однако воспроизводимость результатов при этом невысока, так как сказывается разброс в запаздывании запуска. Более надежные результаты, как показали выполненные исследования, получаются при изменении соотношения компонентов газовой смеси и вариации режима электрического разряда.
При исследованиях такого метода регулирования форма импульса излучения регистрировалась с помощью германиевого фотоприемника с фотонным увлечением зарядов, общая энергия в импульсе измерялась графитовым калориметром типа ТПИ-2-5. Одновременно с помощью пояса Роговского и делителя напряжения измерялись разрешенные во времени значения разрядного тока и напряжения между электродами. Исследованные составы газовой смеси и полученные с ними длительности импульсов излучения приведены в табл. 1.

На рис. 2 представлены в приведенном виде осциллограммы соответствующих импульсов.

Рис. 2. Осциллограммы импульсов излучения в приведенном виде

Они дают наглядное представление о характере деформации импульса излучения при изменении состава газовой смеси. При относительно малом содержании азота или полном его отсутствии значительная часть лучистой энергии выделяется в начальном пике, а «хвост» импульса почти полностью отсутствует. Отношение энергии в пике Е_п к полной энергии импульса Е достигает почти 70 %. По мере увеличения доли азота в смеси растет удельный вес «хвостовой» части импульса, что сопровождается его удлинением. При наибольшем относительном содержании азота (смесь № 7) начальный пик выделяется слабо, энергия в нем не превышает 10 %, а длительность всего импульса наибольшая. Во всех случаях суммарное давление газовой смеси составляло 620 мм рт. ст.
Энергия излучения и КПД преобразования вкладываемой в разряд электрической энергии в лучистую с ростом относительного содержания азота в смеси сначала растут, достигая максимума смеси № 5, а затем падают. Энерговклад в разряд практически не зависит от состава смеси, за исключением самых крайних исследованных случаев существенного обогащения или обеднения смеси азотом. В этих случаях энерговклад заметно падает.
Поскольку длительность и форма импульса излучения хорошо воспроизводились при каждом заданном составе смеси, обеспечивалась возможность уверенного регулирования этих характеристик ЭРЛ выбором нужного соотношения компонентов газа. В оптимальном случае (с точки зрения получения наибольшей выходной энергии и наивысшего КПД) при соотношении СО₂ : N₂ : Не = 1 : 2 : 3 лабораторный лазер обеспечивал устойчивый энергосъем излучения более 30 Дж/л при общем КПД преобразования запасенной в конденсаторах энергии в излучение около 15 %. Длительность импульса излучения в этом случае равнялась ~ 2 мкс. Общий диапазон изменения длительности импульса в проведенных исследованиях составлял от ~ 0,7 до ~ 8 мкс. Изменить длительность импульса можно также изменив начальное напряжение на разрядном промежутке, однако такой способ регулирования малоэффективен, так как при заданном давлении газовой смеси и устойчивом существовании тлеющего разряда он осуществим лишь в очень узком интервале изменения напряжения и сопровождается сильным изменением энергетики излучения.
Дополнительную информацию о влиянии соотношения компонентов газовой смеси на характер протекания процессов в активной среде лабораторного секционированного ЭРЛ дают исследования коэффициента усиления (КУ) среды. Для его измерения вместо зеркал оптического резонатора ЭРЛ были установлены расположенные под углом Брюстера плоскопараллельные пластины из NaCl. Кювета просвечивалась вдоль оптической оси тонким зондирующим лучом, источником которого являлся СО₂-ЭРЛ, работающий в импульсном режиме на одной поперечной моде. Система предыонизации у зондирующего лазера такая же, как у основной кюветы. Лазер работал при относительно низком давлении рабочей смеси (< 200 мм рт. ст.), что способствовало получению достаточно узкой линии люминесценции, имел резонатор малой длины и генерировал вблизи порога. Энергия в импульсе излучения составляла 0,7 Дж при длительности ~ 2 мкс на уровне 0,35 максимума.
Оптический резонатор зондирующего лазера состоял из дифракционной решетки 100 штрих/мм и плоского германиевого зеркала. В полости резонатора помешались две линзы из NaCl, образующие телескопическую систему примерно двухкратного увеличения, и регулируемая диафрагма. Поворотом дифракционной решетки осуществлялось выделение отдельных колебательно-вращательных переходов, в частности линии перехода Р (20). Запуск зондирующего лазера производился с регулируемой задержкой относительно запуска разряда в основной кювете. КУ определялся по отношению амплитуд зондирующего и усиленного после прохождения через кювету сигналов с точностью ~ 15 %.
Повышением в несколько раз амплитуды зондирующего импульса по сравнению с уровнем, на котором проводились измерения КУ, проверялось отсутствие насыщения усиливаемого сигнала. Регулирование амплитуды входящего импульса излучения осуществлялось с помощью калиброванных пленочных поглотителей ИК излучения.
На рис. 3 представлены полученные зависимости КУ от времени задержки зондирующего импульса относительно начала разряда в кювете при различных составах газовой смеси. Все кривые получены при одном значении величины Е/р (Е — напряженность поля, р — давление газа).

Рис. 3. Зависимость КУ от времени задержки зондирующего импульса относительно начала разряда в кювете при составах газовой смеси СО₂ : N₂ : Не = 1 : 1 : 3 (1), 2 : 1 : 5 (2), 1 : 1 : 2 (3), 1 : 1 : 1 (4), 1 : 2 : 3 (5) и 1 : 2 : 1 (6)

Для разных исследованных составов смесей положение максимума кривых и их начальный сдвиг сложным образом зависят от состава активной среды.
Зависимость КУ в различных смесях от суммарного давления газа в области давлений, где тлеющий разряд устойчив, представлена на рис. 4. Максимум КУ смещается в область более высоких давлений при увеличении содержания гелия в смеси.

Рис. 4. Зависимость КУ от суммарного давления газа при различных составах газовой смеси. Обозначения те же, что на рис. 3

В табл. 2 приведены данные о зависимости КУ от величины Е/р для четырех составов газовой смеси. Значения КУ в таблице даются в интервале изменения начального напряжения на электродах кюветы от 94 до 100 кВ.

Более подробному исследованию зависимости КУ от Е/р мешает то обстоятельство, что область устойчивого существования тлеющего разряда ограничена очень узкими пределами изменения напряженности поля Е или давления р. Область устойчивого существования разряда сужается при увеличении содержания азота в смеси и в еще большей мере при увеличении содержания гелия.
Наблюдаемые особенности зависимостей КУ от времени, состава газовой смеси, общего давления р, параметра Е/р определяются характером заселения и дезактивации лазерных уровней молекул СО₂ при их взаимодействии с электронами и молекулами активной среды. Можно показать, что удовлетворительное качественное описание кинетических процессов дает следующая упрощенная модель. Под воздействием меняющегося во времени разрядного тока в однородной по объему активной среде происходит заселение уровней симметричной, асимметричной, деформационной колебательных мод молекул СО₂ и колебательное возбуждение молекул N₂. Распределение колебательной энергии по уровням не рассматривается. Рабочие уровни 10°0 и 02°0 объединяются в один «нижний» уровень. Энергия возбуждения непосредственно вкладывается в верхний лазерный уровень 00°1 СО₂, (v = 1) N₂ и нижний лазерный уровень. Это допущение оправдывается быстрыми процессами обмена между 00°1 СО₂ и (v = 1) N₂, сильным взаимодействием симметричной и деформационной мод, а также быстрым внутримодовым обменом и невысоким уровнем колебательных температур.
Результаты расчета КУ для двух смесей газов, проведенного численными методами на основе упрощенной кинетической модели, представлены на рис. 5.

Рис. 5. Расчетные зависимости КУ (1, 3) и температуры газа Т_г (2, 4) от времени после начала зондирующего импульса для смесей СО₂ : N₂ : Не = 1 : 2 : 3 (1, 2) и 1 : 2 : 1 (3, 4);
О — экспериментальные значения КУ для пер­вой смеси
Δ — экспериментальные значения КУ для второй смеси

Временной ход вычисленных значений КУ, наличие максимума и его положение, абсолютное значение КУ удовлетворительно согласуются с экспериментом, что говорит в пользу выбранной модели, по крайней мере, для участков нарастания и достижения максимума КУ. Однако спад экспериментальной зависимости происходит значительно быстрее, чем у расчетных кривых. Вероятно, это связано с тем, что реальное нарастание поступательной температуры среды происходит быстрее, чем следует из расчета.