Г.В. Еременко, Д.Ю. Зарослов, Н.В. Карлов, И.О. Ковалев, Г.П. Кузьмин, А.М. Прохоров
НЕСАМОСТОЯТЕЛЬНЫЙ РАЗРЯД В СО2- ЛАЗЕРЕ С ПЛАЗМЕННЫМ КАТОДОМ
Экспериментально исследовано инициирование несамостоятельного объемного разряда с плазменным катодом в рабочей среде СО2- лазера объемом 480 см3 и давлением до 0,5 атм. Комбинированная система предыонизации, состоящая из плазменного катода, сформированного скользящим разрядом, и схемы формирования короткого самостоятельного объемного разряда, обеспечивала начальную концентрацию электронов 2*1013 см-3. Несамостоятельный энерговклад в активную среду достигал 340 Дж/(л*атм), выходная энергия генерации — 48 Дж/(л*атм) при КПД 15 %, коэффициент усиления — 0,033 см-1.
Проведенные ранее исследования использования скользящего разряда по поверхности диэлектрика для предыонизации в импульсных СО2- лазерах показали, что скользящий разряд по сравнению с обычной искрой является более эффективным источником жесткого УФ излучения, ионизирующего лазерную смесь [1]. Модельные эксперименты по инициированию самостоятельного объемного разряда в СО2- лазере продемонстрировали возможность ионизации УФ излучением скользящего разряда больших объемов лазерной смеси повышенного давления [2] и использования «листовой» плазмы многоканального скользящего разряда в качестве одного из электродов лазера [3]. Однако высокие концентрации фотоэлектронов, достаточные для инициирования сильноточного несамостоятельного объемного разряда (1012— 1013 см-3), были получены лишь в азоте особой чистоты [4]. В лазерной смеси СО2— N2 — Не концентрация фотоэлектронов не превышала 10-11 см-3, что объясняется сильным поглощением ионизирующего УФ излучения углекислотой.
В настоящей работе для увеличения начальной концентрации электронов в СО2- лазерной смеси и инициирования, таким образом, мощного несамостоятельного объемного разряда мы использовали ударно-ионизационное размножение фотоэлектронов, создаваемых УФ излучением скользящего разряда, коротким (~ 150 нс) самостоятельным разрядом. По теоретическим оценкам, сделанным в [5], такой способ создания предыонизации позволяет осуществить размножение фотоэлектронов до 104 раз.
Электрическая схема экспериментальной установки изображена на рис. 1. Несамостоятельный объемный разряд возбуждался между профилированным металлическим анодом 1 (размер плоской части 3 х 40 см) и плазменным катодом 2 (5 х 40 см), сформированным многоканальным завершенным скользящим разрядом по поверхности стеклотекстолита толщиной 1 мм. Расстояние между анодом и плазменным катодом равнялось 4 см.
Рис. 1. Электрическая схема установки
С1 = 5 нФ, С2 = 3 нФ,
С3 = 5 нФ, С4 = 3 нФ,
С5 = 0,49 мкФ,
R3 — зарядное сопротивление
Система электродов была размещена в герметичной камере из оргстекла. Резонатор лазера был образован глухим позолоченным зеркалом с радиусом кривизны 5 м и плоскопараллельной германиевой пластиной и имел длину 65 см.
Питание скользящего разряда осуществлялось разрядом конденсатора С1, через управляемый разрядник 3. Индуктивность этого контура составляла около 170 нГ. Конденсатор С2 выполнял роль обострителя тока разряда. Высоковольтный импульс положительной полярности, подаваемый через кабельную линию задержки 4 на металлический анод 1 и обеспечивающий размножение фотоэлектронов, формировался при разряде конденсатора С3 через разрядник 3.
Задержка между включением питания плазменного катода и приложением высоковольтного импульса к лазерному промежутку, необходимая для формирования плазменного катода и создания максимальной концентрации фотоэлектронов, равнялась 150 нс. Конденсатор С4 выполнял роль согласующего элемента и обеспечивал более эффективное размножение фотоэлектронов. Для питания несамостоятельного объемного разряда, протекающего в рекомбинирующей плазме, созданной УФ излучением и коротким самостоятельным разрядом, к аноду был подключен статически заряженный конденсатор C5. Индуктивность L = 3 мкГ предотвращала замыкание короткого высоковольтного импульса через конденсатор С5 на землю.
Для питания установки были использованы два высоковольтных выпрямителя. Отрицательное напряжение U1 = 50 кВ в ходе экспериментов не менялось, положительное напряжение U2 варьировалось от 0 до 14 кВ. Отметим, что для обеспечения объемного горения несамостоятельного разряда в нашей конструкции необходимо использовать плазменный электрод в качестве катода. В этом случае характерная длительность тока несамостоятельного разряда составляла 10 мкс. Если же плазменный электрод являлся анодом, то длительность фазы объемного горения несамостоятельного разряда не превышала 0,5 мкс. Такое резкое влияние полярности прикладываемого к разрядному промежутку напряжения мы объясняем существенной разницей катодных падений потенциала в случае плазменного и металлического катода.
Несамостоятельный объемный разряд и лазерная генерация были получены при давлении рабочей смеси до 0,5 атм. Оптимальное давление для достижения наибольших энерговкладов и энергии генерации равнялось 0,25 атм. При этом давлении мы исследовали зависимость энергетических параметров от состава смеси.
Энерговклад в несамостоятельный разряд в лазерном объеме определялся степенью разрядки конденсатора С5. Максимальная плотность тока несамостоятельного разряда равнялась 15 А/см2, что соответствует начальной концентрации электронов, созданных системой предыонизации, nе = 2*1013 см-3. На рис. 2 показана зависимость максимального (Е/p)max= Umax/pd от содержания гелия в рабочей смеси при фиксированном емкости С5 = 0,49 мкФ.
Рис. 2. Зависимость (Е/p)max (1) и энергии-генерации W (2) от процентного содержания гелия в смеси.
Экспериментальные точки на графиках получены для смесей:
СО2 : N2 : He = 1 : 3 : 1 ;
1 : 2 : 2;
1 : 2 : 3;
1 : 4 : 5;
1 : 1 : 8;
1 : 4 : 0;
1 : 9 : 10
При этом Umax соответствует статическому пробивному напряжению Uпр при содержании гелия в смеси более 20 %. В смесях с меньшим содержанием гелия Umax < Uпр и определяется отсутствием дуги после завершения объемного разряда.
В рабочем режиме разряда напряжение на конденсаторе С5 падало более чем на 80 %, т. е. почти вся запасенная в нем энергия выделялась в лазерной среде. Поэтому кривая 1 (рис. 2) фактически характеризует зависимость предельного энерговклада от содержания гелия в смеси при заданной емкости конденсатора С5. Видно, что энерговклад в несамостоятельный разряд растет с уменьшением содержания гелия. Максимальный полученный энерговклад равнялся 340 Дж/(л*атм). Для увеличения энерговкладов в смесях, богатых гелием, целесообразно увеличивать емкость конденсатора С5. Отметим, что энергия, запасенная в конденсаторах С1 и С3 системы предыонизации, не превышала 30 % от максимального энерговклада в несамостоятельный объемный разряд. Из приведенной на рис. 2 зависимости видно, что в лазерных смесях, бедных гелием, эффективность накачки падает, что является, по-видимому, следствием перегрева газа. Оптимальной по энерговкладу и лазерному выходу является смесь состава СО2 : N 2 : Не = 1 : 3 : 1 (т. е. содержащая 20 % Не). Максимальная энергия излучения, полученная на этой смеси, составила 6 Дж. Отметим, что при содержании гелия в смеси 20 % и более, КПД генерации, определяемый отношением энергии генерации к энерговкладу в несамостоятельный разряд, почти не зависит от состава лазерной смеси и составляет примерно 15 %.
Таким образом, содержание гелия в смеси определяет энергетику лазерного импульса. Соотношение же CO2 : N2 определяет его форму и длительность. На рис. 3 приведены осциллограммы лазерных импульсов для смесей с различным соотношением CO2 : N2. Видно, что увеличение содержания азота приводит к значительному увеличению длительности импульса, которая превышает 50 мкс в смеси состава CO2 : N2 : He = 1 : 9 : 10.
Рис. 3, Осциллограммы импульса генерации (а) и усиления (б) для смесей состава СО2 : N2 : Не = 1 : 3 : 1 (1) и 1 : 9 : 10 (2)
Для исследования усилительных характеристик полученной активной среды зеркала резонатора были заменены плоскопараллельными окнами из NaCl. Луч непрерывного СО2-лазера с плотностью мощности 1 Вт/см2 диафрагмировался до Ø 4 мм и пропускался через лазерную кювету параллельно оптической оси резонатора. Характерная осциллограмма импульса усиления при пропускании зондирующего луча по центру разрядного промежутка показана на рис. 3, б. Колебание на спаде импульса объясняется влиянием ударной волны, распространяющейся от плазменного катода. Скорость этой ударной волны, вычисленная на основе сравнения импульсов усиления в разных точках апертуры лазерного промежутка, равна 600 м/с. Коэффициент усиления лазерной среды увеличивался примерно на 20 % при перемещении зондирующего луча от анода к катоду и достигал 0,033 см-1. Амплитуда импульса усиления при максимальном для заданной смеси энерговкладе линейно зависит от процентного содержания СО2, несмотря на существенно различные энерговклады. Длительность импульса усиления, так же как и импульса генерации, определялась соотношением CО2 : N2. Максимальная длительность импульса усиления 0,5 мкс.
Таким образом, исследование комбинированной системы предыонизации, состоящей из плазменного катода, сформированного скользящим разрядом, и схемы формирования короткого самостоятельного разряда, позволило создать СО2- лазер, накачиваемый несамостоятельным разрядом, с энерговкладом до 340 Дж/(л*атм), выходной энергией до 48 Дж/(л*атм), коэффициентом усиления до 0,033 см-1 и КПД генерации 15 % при рабочем давлении 0,25 атм.
Применение в данной системе только одного разрядника, коммутирующего сравнительно небольшую энергию (не более 30 % от основного энерговклада) даст перспективу для создания мощных импульсно-периодических СО2- лазерных установок.
1. Д.Ю. Зарослов, Н.В. Карлов, Г.П. Кузьмин, Д. Мак Кен, С.М. Никифоров, А.М. Прохоров. Изв. АН СССР. Сер. Физическая, 43, 232 (1979).
2. С.И. Андреев, И.М. Белоусова, П.Н. Дашук, Д.Ю. Зарослов, Е.А. Зобов, Н.В. Карлов, Г.П. Кузьмин, С.М. Никифоров, А.М. Прохоров, А.Н. Сидоров, Л.Л. Челноков, М.Д. Ярышева. Письма в ЖЭТФ, 21, 424 (1975).
3. С.И. Андреев, И.М. Белоусова, П.Н. Дашук, Д.Ю. Зарослов, Е.А. Зобов, Н.В. Карлов, Г.П. Кузьмин и др. Квантовая электроника, 3,1721 (1976).
4. Ю.И. Бычков, Д.Ю. Зарослов, Н.В. Карлов, Г.П. Кузьмин, Г.А. Месяц, В.В. Осипов, Квантовая электроника, 9, 1817 (1982).
5. Г.А. Месяц, Ю.И. Бычков, В.В. Кремнев, Ю.Д. Королев, Ю.А. Курбатов, В.В. Савин. Препринт ИОА СО АН СССР, Новосибирск, 1972, № 3.