Ю. И. Бычков, В. В. Осипов, В. Ф. Тарасенко

ИМПУЛЬСНЫЙ  ЛАЗЕР  НА  ДВУОКИСИ  УГЛЕРОДА, ВОЗБУЖДАЕМЫЙ  ПО  МЕТОДУ  ДВОЙНОГО  РАЗРЯДА

В известных газоразрядных лазерах для накачки используются различные типы тлеющего разряда. Наибольшие трудности по возбуждению такого разряда встречаются при высоком давлении рабочего газа или смеси газов в кювете. Эти трудности удается преодолеть, если выбрать величину времени разряда малой по сравнению с величиной времени формирования дугового канала или ограничить плотность тока разряда в степени, достаточной для предотвращения образования дугового канала. На основе каждого из этих способов созданы газоразрядные импульсные лазеры на поперечном разряде [1, 2], которые в зарубежной печати получили сокращенное название ТЕА- лазеров. Мощность и КПД этих лазеров удалось существенно повысить, используя вспомогательные разряды [3], возбуждаемые вблизи основных электродов. Ультрафиолетовое излучение и электроны предварительного разряда попадают в основной межэлектродный промежуток, тем самым, облегчая возбуждение тлеющего разряда в нем. В настоящей работе приводятся экспериментальные зависимости энергии излучения лазера от давления при различных начальных напряжениях, подаваемых на кювету, и парциальных соотношениях СО₂, N₂ и Не.
Блок-схема экспериментальной установки приведена на рис. 1.

Рис. 1. Блок-схема экспериментальной установки.

Вспомогательный разряд производился между потенциальным электродом и заземленными проволочками, вставленными для ограничения тока в стеклянные трубочки, которые укладывались в пазы потенциального электрода. Поперечное сечение заземленного электрода имело форму профиля Роговского. Объем разрядной области составлял 18 х 1 х 1 см. Резонатор длиной 25 см образовывался плоским и сферическим (с радиусом кривизны 10 м) зеркалами. Оба зеркала были золотые на кварцевых подложках.
Для сравнения использовались два разных высоковольтных источника питания. Первый источник представлял собой высоковольтный генератор, собранный по схеме Маркса, имел волновое сопротивление 10 Ом, емкость в ударе 1 нФ и позволял подавать на промежуток импульсы напряжения с амплитудой до 80 кВ. В качестве второго источника был выбран генератор прямоугольных импульсов, формирующим элементом в котором являлись высоковольтные кабели. Амплитуда напряжения, подаваемого на кювету, составляла 10—30 кВ, волновое сопротивление источника изменялось в пределах 4—50 Ом.
Измерение энергии излучения проводилось с помощью прибора ИМО-2. Форма импульсов излучения регистрировалась приемником (при температуре 75 °К), сигнал с которого через усилитель подавался на осциллограф И2-7. Осциллографировались также импульсы напряжения и тока в лазерной кювете. Осциллограммы импульсов приведены на рис. 2.

Рис. 2. Осциллограммы импульсов напряжения (а), тока в кювете (б) и излучения лазера (в).

В этом случае начальное напряжение, подаваемое на кювету, составляло 18 кВ, а газовая смесь имела состав СО₂: N₂: Не = 1 : 1 : 10. Следует подчеркнуть, что импульсы излучения лазера нестабильны как по форме, так и по амплитуде. На рис. 2 приведен наиболее типичный случай.
На рис. 3 показаны зависимости удельной энергии излучения от давления и состава смеси газов.

Рис. 3. Зависимости удельной энергии излучения W от давления р смеси газов СО₂+N₂+Не при разных парциальных соотношениях.

Зависимости, нанесенные пунктиром, получены при питании от генератора Маркса, сплошными линиями—при питании от генератора прямоугольных импульсов напряжения с амплитудой 18 кВ. В первом случае максимальная удельная плотность излучения составляла 3,05 мДж/см³ (смесь СО₂: N₂: Не = 1:1:5 при КПД 1,9 % и давлении 0,6 атм). Во втором случае ее удалось поднять до 5,5 мДж/см³ (смесь СО₂: N₂: Не = 1 : 1 : 10 при КПД 4,8 % и давлении 0,5 атм).
Хотя npи использовании генератора Маркса мощность генерации ниже, однако интервал давлений, при которых возбуждается объемный разряд и поддерживается высокий уровень энергии генерации, значительно больше. Это объясняется тем, что при меньшем значении Е/р и большей длительности объемный разряд более равномерен в области низких давлений, однако по мере увеличения давления равномерность ухудшается быстрее, чем при высоких напряжениях и коротких длительностях разряда.
Зависимости (удельной энергии генерации от давления при различном начальном напряжении на кювете, приведенные на рис. 4, получены для той же смеси CO₂+N₂+Не с соотношением компонентов 1 : 1 : 10 (сплошные линии) и 1 : 1 : 20 (пунктирные).

Рис. 4. Зависимости удельной энергии излучения W от давления р смеси газов СО₂+N₂+Не при разных начальных напряжениях, подаваемых на кювету.

Видно, что для определенного состава смеси и межэлектродного расстояния есть свое оптимальное напряжение. С увеличением содержания гелия в смеси и начального напряжения на промежутке макси­мум энергии излучения смещается в сторону больших давлений.
На рис. 5 показаны зависимости удельной энергии генерации от давления смеси газов при разных удельных энергиях, вкладываемых в смесь.

Рис. 5. Зависимости удельной энергии излучения W от давления р смеси газов СО₂+N₂+Не при соотношении компонентов в смеси 1:1:5.

Начальное напряжение составляло 22 кВ, вкладываемая энергия изменялась путем изменения волнового сопротивления. С ее уменьшением энергия излучения уменьшается, кривые становятся более пологими, что говорит об увеличении равномерности разряда. По этим данным построена зависимость максимального КПД от энергии,вкладываемой в газ, приведенная на рис. 6. Здесь же отложена точка, характеризующая КПД лазера при использовании генератора Маркса, которая хорошо ложится на кривую.

Рис. 6. Зависимость КПД лазера от энергии, вложенной в смесь газов с соотношением компонентов СО₂ : N₂ : Не = 1 : 1 : 5.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. A.J. Вeuliеu. Appl. Phys. Letts, 16,.504 (1970).

2. N.A. Laurie, М.М. Hall. IEEE L Quantum Electronics, QE-6, 530  (1970).

3. A.N. Laflamme. Rev. Sci. Instr., 41, № 11, 1578 (1970).