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

ПЛАЗМОЛИСТОВОЙ   СО₂- ЛАЗЕР

Сообщается о результатах экспериментального исследования возможности использования плазмы скользящего разряда в качестве катода в импульсном СО₂- лазере. Получен самостоятельный объемный разряд и генерация в объеме 0,8 л при давлении лазерной смеси до 1,5 атм. Энергия генерации достигала 20 Дж/ (л*атм) при энерговкладе 165 Дж/(л*атм) и КПД энерговклада 12 %.

В заметке [1] сообщается о СО₂- лазере, самостоятельный объемный разряд в котором инициирован УФ излучением плазмы скользящего разряда. Скользящий разряд в завершенной стадии был создан сбоку от электродов основного разрядного промежутка лазера и непосредственного участия в формировании объемного разряда не принимал. В этом лазере была получена генерация при давлении рабочей смеси до 1,5 атм.
Вместе с тем, возможность создания с помощью скользящего разряда плазменных листов высокой однородности и большой площади, обладающих интенсивным УФ излучением, делает целесообразным, как это было указано в [1], применение этих плазменных образований не только как источников УФ излучения, но и в качестве катодов в импульсных газоразрядных СО₂- лазерах большого объема.
В предлагаемой статье сообщается о результатах экспериментального исследования возможности использования плазмы скользящего разряда для создания плазмолистового СО₂-лазера, в которой плазменный лист является одновременно и катодом объемного разряда, и источником ультрафиолетовой подсветки рабочего объема лазера.
К настоящему времени наиболее хорошо разработанным методом по­лучения активной среды СО₂- лазеров в большом объеме и при повышенном давлении является комбинированная накачка — создание в рабочей смеси газов несамостоятельного разряда, поддерживаемого потоком ионизирующих частиц достаточно высокой энергии, впервые реализованная применительно к лазеру непрерывного действия и малого давления [2]. Предложение независимо создавать электроны разряда в импульсных СО₂-лазерах большого объема и давления внешним ионизирующим источником было высказано авторами работы [3]. Осуществление сильноточного объемного разряда при высоких давлениях [4] и использование пучков быстрых электронов для создания несамостоятельного однородного разряда в СО₂- лазере большого сечения при атмосферном давлении [5] обеспечили успешное развитие этой области квантовой электроники. Так, известны реализации СО₂- лазеров такого типа с импульсной энергией излучения в диапазоне 0,2—5 кДж [6—8]. Эти лазеры достаточно надежны. Однако их недостатком является необходимость защиты от довольно интенсивного рентгеновского излучения и обеспечения высокого вакуума для электронной пушки, сравнимой по объему с газовой кюветой лазера. Поэтому целесообразно искать возможности получения объемных разрядов больших размеров, не связанные с ионизацией газовой смеси потоками электронов большой энергии. Одной из таких возможностей является предионизация разрядного промежутка лазера УФ излучением. В наиболее тщательно отработанной системе [9] источником УФ излучения являлась совокупность искровых разрядов, которые зажигались в системе многих разрядных промежутков, образованных фигурным травлением металлической фольги, покрывающей диэлектрическую пластину.
Известны также конструкции СО₂- лазеров, в которых плазменные образования вспомогательного разряда служат не только источником первичных электронов основного разряда, но в качестве одного из его электродов. В плазмоструйном лазере [10] плазменный катод был образован совокупностью плазменных струй, впрыскиваемых в рабочий объем лазера параллельно основному разрядному току. Этот метод формирования однородного разряда в СО₂- лазерах оказался достаточно эффективным и нашел применение при создании непрерывного СО₂- лазера высокого давления [11].
Позднее [12] в качестве плазменного катода в импульсном СО₂- лазере была использована плоская совокупность искровых разрядов, подобная предложенной в [9]. Неоднородность плазменной поверхности, создаваемой с помощью многозазорной структуры [9], может быть несущественной при использовании ее только для ультрафиолетовой засветки рабочего объема лазера. Однако при ее катодном использовании неоднородности плазменного плато начинают сильно влиять не только на однородность объемного разряда, но и на его характер.
Существенно более однородным плазменным образованием большой протяженности является плазменный лист, образованный скользящим разрядом на поверхности раздела твердого и газообразного диэлектриков [13]. На рис. 1 показана система электродов, используемая для получения плазменного листа на поверхности диэлектрика с помощью скользящего разряда.

Рис. 1. Расположение электродов скользящего разряда:
1, 3 — металлические электроды
2 — слой диэлектрика.

При подаче на электрод 1 высоковольтного колебательного импульса напряжения с крутизной нарастания 10¹¹—10¹² В/с и периодом Т = 1 -10 мкс вдоль поверхности диэлектрика 2 формируется система каналов скользящего разряда, разрядные характеристики которого не соответствуют закону Пашена. Так, например, при давлении рабочей смеси газов, характерной для СО₂- лазера, свыше 0,3 атм пробивное напряжение слабо зависит от давления газа. При напряжении, недостаточном для пробоя разрядного промежутка, формируется незавершенный разряд, характеризующийся малым энерговкладом и высокой однородностью плазменной поверхности. Хотя плазма в незавершенной стадии разряда не разогревается до высоких температур и обладает большим сопротивлением (30—60 Ом на 1 см длины канала [14]) при высокой крутизне нарастания приложенного импульса напряжения такой плазменный лист является эффективным источником УФ излучения. При этом концентрация электронов в канале скользящего разряда, измеренная по штарковскому уширению линии Не, достигает 10¹⁶ см^-3. Скорость распространения каналов незавершенной стадии скользящего разряда составляет 10⁶—10⁸ см/с. При напряжении выше пробивного разрядный промежуток закорачивается системой параллельных яркосветящихся плазменных каналов завершенного скользящего разряда, яркостная температура которого в УФ области спектра составляет (8— 10) *10³ К.
Однородность плазмы как завершенного, так и незавершенного скользящего разряда определяется многими факторами, роль которых полностью еще не выяснена. Увеличение крутизны нарастания и амплитуды приложенного импульса напряжения, благодаря использованной в этой работе схеме питания, позволяет при увеличении давления газа и удельной емкости диэлектрика существенно улучшить однородность плазменного листа. Увеличение содержания Не в смеси газов, напротив, ухудшает однородность разряда. Нанесение на поверхность диэлектрика покрытий, содержащих мелкодисперсионные порошки графита и соединений бария и меди, создает на поверхности множество центров автоэмиссии, облегчающих развитие скользящего разряда.
Нанося эти соединения на поверхность в виде правильно чередующихся полос, можно упорядочить расположение каналов скользящего разряда и получить более однородный плазменный лист.
При импульсном напряжении 50—200 кВ нами были получены плазменные поверхности протяженностью 20—200 см в СО₂, N₂, Не и их смесях при давлении до 1,5 атм, образованные скользящим разрядом в завершенной и незавершенной стадиях.
Эксперимент по использованию однородного плазменного листа большой площади в качестве катода однородного объемного разряда в рабочей смеси газов СО₂- лазера был выполнен для объема рабочей области лазера 0,8 л. Схема включения напряжений питания основного разряда и плазменного листа приведена на рис. 2.

Рис. 2. Схема установки:
R₁, R₂ — сопротивления делителя напряжения
R_с — согласующее сопротивление
Р₁,Р₂ — многозазорные управляемые разрядники МИР-1
С₁ — накопительный конденсатор основного разряда
С₂ — обостряющий конденсатор
C₃ — накопительный конденсатор скользящего разряда
Тр — кабельный трансформатор.

Плазменный лист размером 6 x 40 см формировался скользящим разрядом в незавершенной стадии по поверхности лавсановой пленки. Лавсановая пленка толщиной 20 мкм наматывалась на металлическую подложку слоем до 0,8 мм. Импульс питания скользящего разряда формировался кабельным трансформатором с коэффициентом трансформации 1 : 2. При разряде через первичную обмотку трансформатора конденсатора С₃ емкостью 0,1 мкФ к электродам скользящего разряда прикладывался колебательный импульс напряжения с периодом колебаний 1,5 мкс.
Для демпфирования колебаний в первичную обмотку включено согласующее сопротивление R_с= 1,5 Ом. Осциллограмма напряжения на электродах скользящего разряда приведена на рис. 3, а.

Рис. 3. Осциллограммы импульсов напряжения на скользящем разряде (а) и на промежутке объемного разряда при начальном напряжении на конденсаторе 48 (б) и 36 кВ (в).

Плазменный лист формировался при развитии скользящего разряда поперек наибольшего по размеру края подложки плазменного катода. При напряжении на конденсаторе С₃ 25—45 кВ поверхность диэлектрика однородно заполнялась плазменным листом. При этом в скользящий разряд вкладывалась энергия не более 1—2 Дж, что характерно для незавершенной стадии разряда. Вместе с тем, созданный таким образом плазменный катод обеспечивал формирование объемного разряда в основном разрядном промежутке лазера. В рассматриваемой схеме ток основного разряда замыкался через плазму скользящего разряда, что вызывало дополнительный ее разогрев и снижение сопротивления. Это, в свою очередь, приводило к уменьшению возможных неоднородностей плазменного катода.
Анодом основного разрядного промежутка служила плоская пластина из нержавеющей стали шириной 10 см с профилированными краями. Зазор разрядного промежутка равен 3,5 см. Индуктивность контура объемного разряда составляла 430 нГ, что обеспечено применением малоиндуктивного конденсатора типа КПМ-50 емкостью 0,1 мкФ, многозазорного коммутатора МИР-1 [16] и соответствующей ошиновкой. Обостряющая емкость С₂, набранная из конденсаторов типа К15-4, располагалась непосредственно на промежутке и составляла 0,02 мкФ. Схема питания позволяла включать ток основного разряда с плавно изменяемой задержкой относительно момента срабатывания кабельного трансформатора, питающего скользящий разряд.
В этой системе был получен объемный разряд непосредственно с плазменного катода и генерация при давлениях от 0,5 до 1,5 атм. Соотношение СО₂ : N₂ : Не в смеси равнялось 1 : 2 : 3. В резонаторе использовались зеркала диаметром 80 мм. Глухое фокальное зеркало с радиусом кривизны 5 м выполнено из кварцевого стекла с золотым напылением. Полупрозрачным зеркалом служила плоскопараллельная германиевая пластина. Резонатор позволял снимать энергию до 14 Дж при сечении выходного пучка 3,5 x 6 см в импульсах стандартной формы длительностью около 200 нс.
Исследования параметров лазера показали, что эффективность работы плазменного катода, образованного скользящим разрядом в незавершенной стадии, существенно зависит от парциального состава и давления смеси. В смесях, бедных гелием, был сформирован самостоятельный объемный разряд в широком диапазоне давлений и начальных напряжений. В смесях с большим содержанием гелия (80 % и более) объемный разряд менее устойчив, и для его формирования необходимо более высокое начальное напряжение, что, по-видимому, объясняется невысокой однородностью плазменного катода в этом случае.
На рис. 3, б, в приведены осциллограммы импульса напряжения на основном разрядном промежутке для смеси с содержанием состава компонент СО₂ : N₂ : Не = 1 : 2 : 3 при давлении 1 атм и при оптимальной задержке основного разряда по отношению к скользящему (1,5—2 мкс). Минимально возможное значение задержки определяется моментом спада напряжения на скользящем разряде. Максимальная задержка определяется остыванием каналов скользящего разряда и составляет величину ~ 10 мкс. Следует подчеркнуть, что оптимальная задержка близка к минимально возможной. Наличие обостряющей емкости С₂ обеспечивало удвоение напряжения на основном разрядном промежутке лазера до его пробоя. Поэтому амплитуда первого пика в импульсе напряжения, характеризующая пробой промежутка, всегда была выше начального напряжения на конденсаторе С₁.
При низком начальном напряжении не вся энергия, запасенная в конденсаторе, вкладывается в разряд (рис. 3, в). Зависимость энерговклада от начального напряжения показана на рис. 4.

Рис. 4. Энергетические характеристики лазера в зависимости от напряжения на основном накопителе:
1 — энергия, вложенная в разряд ( W_вкл)
2 — энергия, запасенная в конденсаторе (W_зап)
3 — энергия генерации (W_г )
4 — КПД энерговклада.     

Видно, что запасенная в конденсаторе энергия практически полностью вкладывается в разряд только начиная с некоторого определенного напряжения. При этом напряжение на основном промежутке, при котором в разряд вкладывается основная доля энергии, слабо зависит от начального напряжения на конденсаторе и составляет около 36 кВ. Таким образом, основной энерговклад происходит при Е/р = 10 кВ/(см*атм). Следует отметить, что КПД энерговклада, определяемый как отношение энергии генерации к энергии, вложенной в разряд, остается достаточно высоким во всем диапазоне изменения напряжений (см. рис. 4), что характерно для самостоятельного разряда.
С увеличением давления рабочей смеси лазерные характеристики генератора улучшаются. Так, например, при сохранении неизменной величины отношения начального напряжения к давлению повышение давления увеличивает КПД и в разряд вкладывается большая доля энергии, запасенной в конденсаторе. К сожалению, конструкция лазера позволяла работать при давлении лишь до 1,5 атм.
Таким образом, использование листовой плазмы скользящего разряда в качестве плазменного катода позволяет сформировать объемный разряд в лазерной смеси, бедной гелием, при давлении до 1,5 атм с удельным энерговкладом до 165 Дж/(л* атм), энергосъемом до 20 Дж/(л*атм) и КПД энерговклада до 12 %. Плазменные катоды такого типа могут быть использованы при реализации СО₂- лазеров большого объема и при давлениях, превышающих атмосферное.

1  С.И. Андреев, И. М. Белоусова, П.Н. Дашук, Д.Ю. 3арослов, Е.А. 3обов, 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).

2  В.М. Андрияхин, Е.П. Велихов, С.А. Голубев, С.С. Красильников, В.Д. Письменный, А.М. Прохоров, А.Т. Paxимов. «Письма в  ЖЭТФ», 8, 346 (1968).

3   А.В. Елецкий, Б.М. Смирнов. ДАН СССР, 190, 809 (1970).

4   Б.М. Ковальчук, В.В. Кремнев, Г.А. Месяц. ДАН СССР, 191, 76 (1970).

5   С.A. Fenstermacher, М.I. Nutter, I.P. Rink, К. Воуег. Bull. Amer.  Phys. Soc, 16, 42 (1971).

6   H.Г. Басов, В.А. Данилычев, А.А. Ионин, И.Б. Ковш, В.А. Соболев.  ЖТФ, 43, 2357 (1973).

7   С.П. Бугаев, Ю.И. Бычков, Е.К. Карлова, Н.В. Карлов, Б.М. Ковальчук, Г.П. Кузьмин, Ю.А. Курбатов, Г.А. Месяц, А.М. Орловский, А.М. Прохоров, А.М. Рыбалов. «Письма в ЖТФ», 1, 492 (1975).

8   Ю.И. Бычков, Е.К. Карлова, Н.В. Карлов, Б.М. Ковальчук, Г.П. Кузьмин, Ю.А. Курбатов, В.И. Манылов, Г.А. Месяц, В.М. Орловский, А.М. Прохоров, А.М. Рыбалов. «Письма в ЖТФ», 2,   212 (1976).

9   М.С. Richardson, К. Leopold, А. I. Аlсосk. IEEE J. QE-10, 649  (1974).

10  Д.Ю. Зарослов, Е.К. Карлова, Е.В. Карлов, Г.П. Кузьмин, А.М. Прохоров. «Письма в ЖЭТФ», 15, 655 (4972).

11  R. Мс Lеагу, P.J. Beckwith, W.E.K, Gibbs. IEEE J. QE-10, 649  (1974).

12. В.Ю. Баранов, А.М. Борисов, Ю.А. Сатов, Ю.Ю. Степанов.  «Квантовая электроника», 2, 2086 (1975).

13. П.Н. Дашук, С.Л. 3айенц, В.С. Комельков. Техника больших  импульсных токов и магнитных полей. М., Атомиздат, 1970.

14. П.Н. Дашук, Е.И. Сергеенкова. Тезисы II Всесоюзного  симпозиума по физике газовых лазеров (Новосибирск, 1975 г.).

15. Г.А. Месяц. Генерирование мощных наносекундных импульсов.  М., «Сов. радио», 1974.