Авторефераты по всем темам >> Авторефераты по физике

На правах рукописи

Чеботарев Геннадий Дмитриевич

КИНЕТИКА АКТИВНЫХ СРЕД РЕКОМБИНАЦИОННЫХ ГАЗОРАЗРЯДНЫХ ЛАЗЕРОВ

Специальность 01.04.03 - радиофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Ростов-на-Дону - 2009

Работа выполнена на кафедре квантовой радиофизики Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования Южный федеральный университет

Научный консультант: доктор физико-математических наук, профессор Латуш Евгений Леонидович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук Карелин Александр Витальевич доктор физико-математических наук, профессор Тарасенко Виктор Федотович доктор технических наук, профессор Безуглов Дмитрий Анатольевич

Ведущая организация: Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН, г. Москва

Защита состоится л 23 июня 2009 г. в 1400 час. на заседании диссертационного совета Д 212.208.10 в Южном федеральном университете по адресу: 344090, г. Ростов-на-Дону, ул. Зорге, 5, Южный федеральный университет, физический факультет, ауд. 247.

С диссертацией можно ознакомиться в Зональной научной библиотеке Южного федерального университета по адресу: г. Ростов-на-Дону, ул. Пушкинская, 148.

Автореферат разослан л____ мая 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.208.10, доктор физико- математических наук, профессор Г.Ф. Заргано

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертация посвящена комплексному исследованию кинетики процессов, определяющих накачку и инверсию населенностей на переходах в спектрах нейтральных атомов, одно- и многозарядных ионов в рекомбинирующей газоразрядной плазме, а также поиску новых перспективных активных сред рекомбинационных лазеров и способов их возбуждения. Основные результаты этих исследований представлены в публикациях [1-78].

Актуальность темы. Рекомбинационные лазеры - лазеры, инверсная заселенность в которых возникает в период рекомбинации плазмы, обладают рядом привлекательных черт, обеспечивших в последнее время их интенсивное развитие. В первую очередь могут быть отмечены потенциальная возможность ввода в плазму высоких плотностей энергии и получения высоких выходных мощностей, а также возможность возбуждения в рекомбинирующей плазме переходов в спектрах не только атомов и ионов, но также и многозарядных ионов, что перспективно для создания лазеров коротковолнового диапазона.

Наиболее удобным и распространенным способом возбуждения рекомбинационных лазеров является газоразрядный способ. Рекомбинационные газоразрядные лазеры обладают всеми достоинствами, присущими газоразрядным лазерам. Они имеют достаточно простую конструкцию, их излучение обладает высокой монохроматичностью, когерентностью, направленностью, узкой линией генерации. Импульсный режим возбуждения рекомбинационных лазеров позволяет достигать высокого усиления как правило на нескольких переходах и тем самым обеспечивать во многих активных средах одновременную многоволновую генерацию в разных участках спектра. Применение импульсно-периодического режима с высокой частотой следования импульсов позволяет достигать высоких значений как импульсной, так и средней мощности генерации. При этом в рекомбинационных лазерах на парах металлов (ЛПМ) использование режима саморазогрева решает задачу ввода паров в активную среду и обеспечивает достаточно высокий практический КПД, а наличие эффекта расконтрагирования разряда позволяет обеспечивать пространственную однородность активных сред при высоких давлениях вплоть до нескольких атмосфер. Высокие выходные характеристики и возможность генерации высококачественного излучения в широком диапазоне длин волн от мягкого рентгеновского до ИК диапазона делает рекомбинационные газоразрядные лазеры перспективными для многих практических применений.

Плазма, служащая активной средой газоразрядных лазеров, является термодинамически неравновесной. По отклонению от равновесия различают перегретую (ионизационно-неравновесную) и переохлажденную (рекомбинационно-неравновесную) плазму. Поскольку степень ионизации, как правило, не является равновесной, то состояние плазмы можно классифицировать по отклонению степени ее ионизации от равновесного значения для данной электронной температуры. Если плазма имеет недостаточную для равновесия степень ионизации, то плазма преимущественно ионизуется, в противном случае преобладают процессы рекомбинации заряженных частиц. Лазеры на переох лажденной плазме обычно называют рекомбинационными или плазменными, а лазеры на перегретой плазме - газовыми.

Впервые возможность использования рекомбинирующей плазмы в качестве активной среды для лазеров была показана в теоретических исследованиях Л.И. Гудзенко, Л.А. Шелепина, С.И. Яковленко с сотрудниками, которые к началу 1970-х годов оформились в самостоятельное научное направление.

Примерно в это же время начались систематические целенаправленные экспериментальные исследования рекомбинационных лазеров, и одними из первых были работы, проводившиеся Е.Л. Латушем и М.Ф. Сэмом с сотрудниками в Ростовском государственном университете. Результаты этих работ послужили стимулом к постановке исследований рекомбинационных лазеров во многих других лабораториях в нашей стране и за рубежом. Исследования показали, что наряду с рекомбинационными процессами существенную роль в накачке ряда ионных лазерных переходов в рекомбинирующей плазме играют удары 2 рода (перезарядка, реакция Пеннинга, резонансная передача возбуждения), которые в условиях рекомбинационно-столкновительной кинетики увеличивают, начиная с некоторого уровня, рекомбинационный поток, проходящий по уровням энергии сверху вниз. В настоящей работе исследовались активные среды как с рекомбинационной накачкой, так и с накачкой ударами 2 рода в рекомбинирующей плазме.

К началу данной работы (1982 г.) рекомбинационные газоразрядные лазеры уже сформировались как самостоятельный класс лазеров. В то же время стало очевидным, что перспективы дальнейшего развития рекомбинационных лазеров связаны с необходимостью глубоких комплексных исследований свойств и характеристик их активных сред. Также определился круг задач этих исследований. Исследования, представленные в диссертации, продолжают исследования рекомбинационных лазеров, начатые научной группой Ростовского государственного университета (в дальнейшем Южного федерального университета). В них отражен научный вклад автора в развитие этого направления.

Объектами данных исследований являются активные среды наиболее эффективных лазеров на ионных переходах, накачиваемых в рекомбинирующей плазме процессами рекомбинации и ударами 2 рода (He-Sr+, He-Ca+, HeHg+, He-Cd+, He-Kr+ лазеры), а также лазеров на переходах нейтральных атомов (Ne-H2 и He-Hg лазеры) и многозарядных ионов (TlIII, OIII и XeIV).

Предметом этих исследований являются физические механизмы, определяющие накачку и инверсию в период рекомбинации плазмы, общие закономерности, присущие активным средам рекомбинационных газоразрядных лазеров, оптимальные способы и условия их возбуждения.

Актуальность исследований определяется тем, что они позволяют расширить набор длин волн генерации, получить одновременную многоволновую генерацию в разных участках спектра, в том числе в коротковолновом диапазоне, установить механизмы накачки и инверсии, найти пути повышения выходных характеристик и способы оперативного управления ими, определить достижимые характеристики генерации, выявить общие закономерности, присущие активным средам, прогнозировать оптимальные параметры возбуждения рекомбинационных лазеров и их выходные характеристики. Плазма рекомбинационных газоразрядных лазеров отличается большим разнообразием происходящих в ней элементарных процессов взаимодействия частиц, а также наличием таких явлений, как контракция, расконтрагирование, катафорез. Детальные исследования этих процессов и явлений также представляют интерес для смежных областей - физики электронных и атомных столкновений, физики плазмы и газового разряда.

Цель диссертационной работы. В соответствии с вышесказанным целью настоящей работы являлись комплексные экспериментальные и теоретические исследования кинетики процессов в рекомбинирующей газоразрядной плазме, направленные на поиск новых перспективных активных сред рекомбинационных газоразрядных лазеров на переходах атомов, одно- и многозарядных ионов и способов их возбуждения, установление физических механизмов, формирующих инверсию в период рекомбинации плазмы, определение достижимых характеристик генерации, выявление закономерностей, присущих активным средам, и определение оптимальных условий их возбуждения.

Основные задачи научных исследований. Конкретная реализация цели работы предполагала решение следующих задач:

- экспериментальное исследование активной среды Ne-H2 лазера при возбуждении в различных типах разряда; исследование продольного разряда в трубке с протяженными металлическими сегментами как способа возбуждения активных сред (в частности, Ne-H2, He-Kr+ и He-Cd+ лазеров), сочетающего свойства продольного разряда и разряда с полым катодом;

- поиск новых рекомбинационных лазерных переходов в спектре HgI;

комплексное исследование механизмов формирования инверсии на переходах HgI и HgII;

- экспериментальное исследование возможности осуществления рекомбинационной накачки уровней многозарядных ионов (в частности, уровней TlIII, OIII, XeIV) в плазме сильноточного импульсного разряда; поиск рекомбинационных лазерных переходов в спектрах многозарядных ионов;

- экспериментальная оптимизация саморазогревных He-Sr+ и He-Ca+ лазеров различных геометрических размеров, поиск общих закономерностей, присущих их активным средам; создание отпаянного экспериментального образца He-Ca+ лазера; анализ возможных практических применений рекомбинационных лазеров;

- разработка и тестирование самосогласованных математических моделей He-Sr+ и He-Ca+ лазеров; численное исследование пространственновременных характеристик активных сред, в том числе исследование механизмов явлений контракции и расконтрагирования импульсно-периодического разряда;

- комплексное исследование механизмов, ограничивающих рост энергетических характеристик He-Sr+ и He-Ca+ лазеров, поиск путей повышения выходных характеристик и способов оперативного управления ими, определение достижимых характеристик генерации;

- комплексное исследование возможности осуществления катафорезного ввода паров металлов в активные среды лазеров на парах металлов в условиях продольного импульсно-периодического разряда; экспериментальная реализация катафорезных импульсно-периодических He-Cd+ и He-Sr+ лазеров.

Научная новизна работы определяется поставленными задачами и рядом впервые полученных научных результатов. К наиболее существенным можно отнести следующие новые результаты:

1. Впервые получена и исследована генерация на переходе =585,3 нм NeI в рекомбинирующей плазме разряда с полым катодом и продольного разряда; установлено, что основным механизмом накачки при условиях, типичных для генерации, является ударно-радиационная рекомбинация ионов неона, механизмом очистки нижнего уровня - реакция Пеннинга на водороде.

2. Предложен и исследован продольный разряд в трубке с протяженными металлическими сегментами как способ возбуждения активных сред рекомбинационных лазеров, сочетающий свойства продольного разряда и разряда с полым катодом. Впервые при возбуждении в этом разряде получена и исследована генерация в рекомбинирующей плазме на переходах NeI (=585,3 нм), KrII (=469,4; 458,3 и 431,8 нм), CdII (=441,6; 533,7 и 537,8 нм).

3. Впервые получена и исследована генерация на 7 ИК переходах HgI, установлен рекомбинационный механизм накачки. Установлено эффективное заселение перезарядкой уровней бейтлеровского спектра HgII, определены парциальные сечения перезарядки ионов гелия на атомах ртути; показано, что основными механизмами накачки в рекомбинирующей плазме являются ударнорадиационная рекомбинация для =567,7 нм HgII и перезарядка для =615 нм HgII, а вклад в накачку ступенчатой реакции Пеннинга пренебрежимо мал.

4. Впервые получена и исследована генерация на 4 переходах TlIII (=468, 482, 770 и 806 нм) в ионизационном режиме возбуждения; получена и исследована генерация при рекомбинационной накачке на 3 переходах OIII и на 9 переходах XeIV УФ и видимого диапазона; установлено, что ступенчатая ионизация играет преобладающую роль в создании ионов высокой кратности, а основными механизмами охлаждения электронов в послесвечении являются упругие электрон-ионные соударения и диффузионное охлаждение.

5. Установлены общие закономерности, присущие активным средам саморазогревных He-Sr+ (=430,5 нм SrII) и He-Ca+ (=373,7 нм СаII) лазеров;

установлены механизмы, ограничивающие рост энергетических характеристик генерации.

6. Установлены механизмы явлений контракции и расконтрагирования в активных средах He-Sr+(Ca+) лазеров, а также основные закономерности, свойственные этим явлениям.

7. Впервые теоретически обоснован и экспериментально реализован катафорезный ввод паров металлов в активные среды импульсно-периодических лазеров на парах металлов, в том числе при больших давлениях (до 1 атм).

Найдены обобщенные критерии аксиальной и радиальной однородности их активных сред. Впервые при катафорезном вводе паров получена и исследована импульсно-периодическая генерация на переходах CdII (=441,6; 533,7 и 537,нм) и на переходе =430,5 нм SrII.

Научная значимость полученных в работе результатов состоит в следующем:

- показана эффективность рекомбинирующей газоразрядной плазмы как активной среды лазеров на переходах атомов, одно- и многозарядных ионов;

- разработаны теоретические основы для создания эффективных рекомбинационных лазеров, в том числе коротковолнового диапазона, и экспериментально обоснованы пути их практической реализации;

- найдены новые перспективные активные среды и способы их возбуждения, установлены физические механизмы, определяющие свойства и характеристики активных сред рекомбинационных лазеров;

- установлены закономерности, присущие активным средам рекомбинационных лазеров, определены оптимальные условия их возбуждения, найдены критерии пространственной однородности активных сред, определены достижимые характеристики генерации;

- созданы лазеры нового типа - катафорезные импульсно-периодические лазеры на парах металлов;

- результаты работы могут представлять интерес при исследованиях широкого класса газоразрядных лазеров, а также для физики электронных и атомных столкновений, физики плазмы и газового разряда.

Практическая значимость работы определяется тем, что ее результаты могут являться основой при разработке и создании рекомбинационных лазеров с высокими выходными характеристиками, перспективных для практических применений, а также могут быть использованы при дальнейших, в том числе прикладных, исследованиях рекомбинационных лазеров. К наиболее важным можно отнести следующие из таких результатов:

1. Проведены комплексные исследования по разработке и оптимизации рекомбинационных лазеров, в результате которых:

- достигнуты максимальные для рекомбинационных лазеров частоты следования импульсов 30Ц50 кГц и рекордные для He-Sr+ (=430,5 нм SrII) лазеров удельная средняя мощность 277 мВт/см3 и коэффициент усиления 0,15 см-1;

- достигнут рекордный для Ne-H2 (=585,3 нм NeI) лазера коэффициент усиления 160 дБ/м;

- расширен набор длин волн генерации за счет новых лазерных переходов - 7 ИК переходов HgI и 4 видимых и ИК переходов TlIII;

- реализована одновременная многоволновая генерация на переходах Sr и SrII (=6,456 и ~3 мкм Sr; ~1 и 0,4305 мкм SrII), KrII (=469,4; 458,3 и 431,нм), CdII (=441,6; 533,7 и 537,8 нм), OIII (=375,5; 376,0 и 559,2 нм), XeIV (=335,0; 430,6; 495,4; 500,8; 515,9; 526,0; 535,3; 539,5 и 595,6 нм);

- показана перспективность сильноточного импульсного разряда как способа реализации активных сред рекомбинационных лазеров коротковолнового диапазона на переходах многозарядных ионов;

- показана перспективность катафорезного ввода паров металлов в активные среды импульсно-периодических лазеров на парах металлов; разработана практическая конструкция катафорезного импульсно-периодического HeSr+ (=430,5 нм SrII) лазера;

- показана перспективность продольного разряда в трубке с протяженными металлическими сегментами, сочетающего свойства продольного разряда и разряда с полым катодом, как способа возбуждения активных сред рекомбинационных лазеров;

- разработан отпаянный экспериментальный образец (макет) He-Ca+ лазера, обеспечивающий УФ генерацию (=373,7 нм CaII) с уровнем средней мощности 0,3 Вт (макет удостоен бронзовой медали ВДНХ СССР).

2. Найдены пути повышения выходных характеристик He-Sr+(Ca+) лазеров и способы оперативного управления ими, определены достижимые характеристики генерации.

3. Разработаны самосогласованные математические модели He-Sr+(Ca+) лазеров, которые могут применяться как инструменты исследований кинетики активных сред, а также для прогнозирования оптимальных параметров возбуждения и выходных характеристик.

4. Разработана основанная на установленных для саморазогревных HeSr+(Ca+) лазеров закономерностях методика расчета оптимальных параметров возбуждения и характеристик генерации, которая может применяться при анализе и систематизации результатов экспериментов, а также при инженерных расчетах активных элементов и схем их импульсного возбуждения.

5. Предложены две удобные при практических расчетах коэффициента усиления аппроксимационные формулы для форм-фактора в центре линий со смешанным фойгтовским контуром, имеющие низкую погрешность (6% и 1%).

На защиту выносятся следующие результаты и положения:

1. Результаты экспериментальных исследований Ne-H2 лазера:

- впервые генерация на переходе =585,3 нм NeI получена и исследована в рекомбинирующей плазме разряда с полым катодом, продольного разряда, а также продольного разряда в трубке с протяженными металлическими сегментами;

- установлено, что основным механизмом накачки в рекомбинирующей плазме при условиях, типичных для генерации, является ударно-радиационная рекомбинация ионов неона, а основным механизмом очистки нижнего уровня является реакция Пеннинга на водороде.

2. Результаты комплексных исследований механизмов, формирующих инверсию населенностей на полученных новых лазерных переходах в спектре HgI, а также на переходах HgII в рекомбинирующей плазме.

3. Результаты экспериментальных исследований возможности осуществления рекомбинационной накачки уровней многозарядных ионов и генерации в спектрах многозарядных ионов в сильноточном импульсном разряде.

4. Результаты экспериментальных исследований саморазогревных He-Sr+ (=430,5 нм SrII) и He-Ca+ (=373,7 нм СаII) лазеров, включающие установленные закономерности:

- существование оптимального давления гелия обусловлено ограничением скорости охлаждения электронов при больших давлениях вследствие греющего воздействия заднего фронта импульса тока; оптимальное давление соответствует примерному равенству длительности заднего фронта импульса тока и времени охлаждения электронов в раннем послесвечении;

- оптимальным является энерговклад в разряд, одновременно обеспечивающий достаточно высокий процент двукратной ионизации атомов металла и согласование лазерной трубки со схемой накачки путем достижения необходимой величины сопротивления плазмы.

5. Разработанные самосогласованные математические модели He-Sr+ и He-Ca+ лазеров, позволяющие рассчитывать пространственно-временную эволюцию параметров плазмы и характеристик генерации в импульснопериодическом режиме.

6. Результаты исследований механизмов явлений контракции и расконтрагирования в активной среде He-Sr+ лазера.

7. Результаты комплексных исследований катафорезных импульснопериодических лазеров на парах металлов.

Достоверность и обоснованность полученных результатов, научных положений и выводов определяется применением современных методов исследований и их комплексным характером, воспроизводимостью результатов, взаимным соответствием результатов экспериментов и теоретического анализа, практической реализацией научных положений и выводов при создании эффективных рекомбинационных лазеров, а также согласием с данными других авторов.

Реализация результатов работы. Работа по теме диссертации выполнялась в рамках госбюджетных и хоздоговорных НИР, проводившихся кафедрой квантовой радиофизики ЮФУ в период 1982-2008 гг., а также в ходе выполнения ряда проектов в области фундаментальных и прикладных исследований, поддержанных грантами: Минобразования (№Е20-3.2-157), ФЦП Интеграция (проект №582), РФФИ (№ 96-02-19750, № 99-02-17539, №04-02-96804, №06-0226126). Полученные в работе результаты нашли отражение в научнотехнических отчетах по выполненным НИР. Результаты проведенных исследований и разработанные активные элементы рекомбинационных лазеров используются на физическом факультете ЮФУ при выполнении НИР и в учебном процессе в программах подготовки студентов, магистрантов и аспирантов. Некоторые результаты работы были использованы при совместных с ТГУ (г.

Томск) исследованиях многоволнового лазера на парах стронция. Разработанные активные элементы использовались в качестве инструментов научных исследований, проводившихся в ЮН - РАН и НИИ ФОХ ЮФУ (г. Ростов-наДону).

ичный вклад автора. В исследованиях, представленных в диссертации, автору принадлежат инициатива проведения исследований, постановка задач, анализ и интерпретация полученных результатов. Результаты экспериментальных и теоретических исследований получены лично автором либо при его определяющем участии. Разработка математических моделей и численные эксперименты проводились под руководством и при непосредственном участии автора. На различных этапах исследований в постановке некоторых конкретных задач и обсуждении результатов принимали участие Е.Л. Латуш и М.Ф. Сэм.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 78 печатных работ в отечественных и зарубежных изданиях (включая 22 статьи в российских журналах, рекомендованных ВАК РФ для опубликования результатов докторских диссертаций). Кроме того, ряд материалов диссертации представлен в научнотехнических отчетах, а также отражен в учебно-методических работах автора.

Апробация результатов работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях:

XIX Всесоюзный съезд по спектроскопии. (Томск, 1983); Всесоюзное совещание Инверсная заселенность и генерация на переходах в атомах и молекулах (Томск, 1986 г.); Рабочее совещание Активные среды плазменных и газоразрядных лазеров (Гродно, 1987 г.); Международный симпозиум Pulsed Metal Vapour Lasers (Великобритания, Сэнт Андрюс, 1995 г.); 5-й СанктПетербургский семинар-выставка Лазеры для медицины и биологии (СанктПетербург, 1997 г.); Всероссийская конференции Лазеры для медицины, биологии и экологии (Санкт-Петербург, 2000 г.); III Международная научнотехническая конференция Квантовая электроника, (Минск, 2000 г.); Симпозиум Нанофотоника, (Черноголовка, 2007 г.); Всесоюзные и Всероссийские семинары и симпозиумы Лазеры на парах металлов (Ростов-на-Дону, Новороссийск, Туапсе, Сочи, 1985, 1989, 1991, 1993, 1996, 1998, 2000, 2002, 2004, 2006, 2008 г.); 3-я, 4-я, 5-я, 6-я, 7-я и 8-я Международные конференции Atomic and Molecular Pulsed Lasers (Томск, 1997, 1999, 2001, 2003, 2005, 2007 г.), 9-й Российско-китайский симпозиум Laser Physics and Laser Technologies (Томск, 2008 г.).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и двух приложений. Она содержит 414 страниц, включая 144 рисунка, 13 таблиц и список литературы из 534 наименований, из них 78 - работы автора.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика работы, приведена краткая историческая справка, отражающая основные вехи развития рекомбинационных лазеров и показано их место среди газоразрядных лазеров других типов, обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи исследований, научная новизна и практическая значимость, основные результаты и положения, выносимые на защиту, приводится краткое изложение содержания диссертации.

Первая глава посвящена экспериментальному исследованию рекомбинационного Ne-H2 лазера с пеннинговской очисткой нижнего уровня, излучающего в желтой области спектра на =585,3 нм NeI (3p[1/2]0Ц3s[1/2/]1). Для возбуждения таких лазеров перспективны электронные пучки, а также разряды различных типов, в частности, разряды, в которых имеется лжесткая составляющая функции распределения электронов по энергиям (ФРЭЭ).

Одним из таких разрядов, исследованных в работе, является разряд с полым катодом (РПК). В экспериментах использовалась разрядная трубка с щелевым полым катодом активной длиной l=45 см и с размерами щели 26 мм. В результате экспериментов впервые генерация на переходе =585,3 нм NeI была получена и исследована в разряде с полым катодом. Генерация осуществлялась в смеси Ne-H2 при давлениях 5Ц25 Тор как в послесвечении (при токах разряда 0,2Ц1,3 кА), так и во время импульса тока (при токах 1,5Ц3 кА). Достигнут коэффициент усиления 5,2 дБ/м. Установлено, что при больших давлениях смеси (10 Тор) оптимальным является соотношение Ne:H2=1:1,5.

Другим перспективным для получения генерации в спектре NeI является продольный импульсный разряд, в котором за счет высокой плотности тока могут быть получены высокие концентрации заряженных частиц и высокие скорости рекомбинационной накачки. В экспериментах использовались кварцевые разрядные трубки с активной длиной l=20Ц50 см и внутренним диаметром d=0,2Ц1,0 см. В результате экспериментов впервые генерация на переходе =585,3 нм NeI была получена и исследована в продольном разряде при рекомбинационной накачке (ранее в продольном разряде на этом и других 3pЦ3s переходах NeI наблюдалась генерация в ионизационном режиме возбуждения).

Генерация осуществлялась в смеси Ne-H2 при давлениях 7Ц100 Тор в послесвечении (при относительно небольших токах разряда 30Ц150 А), а также на фронте импульса рекомбинационной накачки (при больших токах 1,5Ц3 кА и давлениях 25 Тор). Установлено, что оптимальным для генерации в послесвечении при небольших токах является соотношение Ne:H21:1,5, в то время как при больших токах оптимально соотношение Ne:H21:2. Достигнуты коэффициент усиления 10 дБ/м в режиме небольших токов и рекордный для линии =585,3 нм NeI коэффициент усиления 160 дБ/м в режиме больших токов.

Проведенное сравнение изменений интенсивности послесвечения на линии =585,3 нм NeI, регистрируемой сбоку продольной трубки, которые отражают изменения населенности верхнего уровня 3p'[1/2]0, с изменениями населенности нижнего (резонансного) уровня 3s[1/2]1, измеренной методом реабсорбции, показало, что населенность нижнего уровня уменьшается с добавлением Н2 быстрее, чем верхнего, что свидетельствует об эффективной пеннинговской очистке нижнего уровня. При этом резонансный уровень неона очищается быстрее, чем метастабильный уровень 3s[3/2]2, то есть очистка резонансного уровня NeI за счет реакции Пеннинга имеет селективный характер.

Показано, что наблюдаемые с торца существенные искажения формы импульса спонтанного излучения обусловлены самопоглощением излучения на переходах в сильнозаселенные 3s состояния атома неона. Это говорит о необходимости учета самопоглощения при исследованиях механизмов накачки уровней спектрально-временным методом.

В результате детальных исследований временных характеристик спонтанного излучения и генерации (в том числе при подогреве электронного газа в послесвечении слабым дополнительным импульсом тока), измерения параметров плазмы и оценок скоростей накачки уровней NeI за счет ударнорадиационной и диссоциативной рекомбинации установлено, что основным механизмом накачки лазерных уровней атома неона в послесвечении при условиях, типичных для генерации, является ударно-радиационная рекомбинация ионов неона. Показано, что неупругие соударения электронов с возбужденными атомами неона существенно влияют на характеристики генерации.

Предложен и исследован продольный разряд в трубке с протяженными металлическими сегментами (рис. 1) как способ возбуждения активных сред рекомбинационных лазеров, сочетающий свойства продольного разряда и разряда с полым катодом.

Рис. 1. Конструкция сегментированной разрядной трубки: 1 - нержавеющая сталь, 2 - BeOкерамика, 3 - кварцевая трубка, 4 - печь, 5 - металл.

При небольшой длине металлических сегментов они находятся под лплавающим отрицательным потенциалом по отношению к плазме и не шунтируют разрядный ток. В случае если сегменты достаточно длинные (5 см), часть их будет находиться уже под положительным потенциалом по отношению к плазме. При этом часть тока будет течь через сегменты, и будет возникать разряд между соседними сегментами.

Показано, что при определенных условиях (для разряда в гелии - при pHed5Ц10 Торсм) в трубке с протяженными металлическими сегментами может быть реализован разряд, при котором каждый из внутренних сегментов будет выполнять функцию анода для предыдущего и функцию полого катода для последующего сегмента. Некоторые участки металлических сегментов будут работать в режиме РПК, а в промежутках между сегментами будет гореть продольный разряд. При этом такой разряд сочетает свойства продольного разряда (устойчивость разряда, простота конструкции разрядной трубки, возможность катафорезного ввода паров металлов в ЛПМ) и разряда с полым катодом (наличие лжесткой составляющей ФРЭЭ на значительной части активной длины).

Изучена зависимость глубины проникновения плазмы в полость металлических сегментов от условий возбуждения и показано, что зависимость глубины проникновения плазмы от давления рабочей смеси и внутреннего диаметра сегментов может быть использована в качестве характеристики, определяющей степень проявления эффекта полого катода.

В результате экспериментов впервые при возбуждении в продольном разряде в трубке (l=65 см, d=0,3 см) с протяженными металлическими сегментами (5 см) была получена и исследована генерация на переходе =585,3 нм NeI, а также трехволновая генерация на переходах KrII: =469,4 нм (6s4P5/2Ц5p4D75/KrII), 458,3 нм (6s4P3/2Ц5p4D5/2 KrII) и 431,8 нм (6s4P5/2Ц5p4P5/2 KrII).

Генерация на переходе NeI осуществлялась в смеси Ne-H2 при оптимальных токах разряда 50Ц100 А. Диапазон оптимальных давлений смеси составлял 10Ц30 Тор при оптимальном соотношении Ne:H2=1:1,5. Генерация происходила в раннем послесвечении и, как показали исследования временных характеристик излучения, механизмом накачки является ударно-радиационная рекомбинация ионов неона, а механизмом очистки нижнего уровня - реакция Пеннинга на водороде (как в РПК и продольном разряде). Достигнут высокий коэффициент усиления 12 дБ/м, превышающий усиление в РПК и продольном разряде (в режиме небольших токов). Генерация на переходах KrII осуществлялась в смеси He-Kr при оптимальных токах разряда 40Ц80 А. Оптимальное давление гелия составляло 15Ц50 Тор, давление криптона составляло (1Ц5) 10-2 Тор. Генерация происходила в послесвечении при накачке за счет резонансной передачи возбуждения ионам криптона от метастабилей гелия He(23S).

Достигнут коэффициент усиления 3 дБ/м, превышающий усиление в продольном разряде (~1 дБ/м). Полученные результаты свидетельствуют о перспективности продольного разряда в трубке с протяженными металлическими сегментами как способа возбуждения активных сред рекомбинационных лазеров.

Вторая глава посвящена комплексным исследованиям лазера на атомных и ионных переходах ртути. В частности, приведены результаты экспериментов, направленных на поиск новых рекомбинационных лазерных переходов в спектре HgI. В результате экспериментов с использованием кварцевой разрядной трубки (l=60 см, d=0,6 см) была получена многоволновая генерация на ИК переходах в спектре HgI: =941 нм (10d3D2Ц7p1P1 HgI), 942 нм (10d1D2 - 7p1P1 HgI), 942,5 нм (8f1F3Ц6d1D2 HgI), 943 нм (8f3F2Ц6d3D2 HgI), 1070 нм (9s3S1Ц6p'3P2 HgI), 1357 нм (7p1P1Ц7s1S0 HgI), 1530 нм (6p'3P2Ц7s3S0 HgI), 17нм (7d1D2Ц7p1P1 HgI), 1963 нм (10d3D3Ц8p3P2 HgI). На двух из них с =1530 и 1730 нм HgI генерация наблюдалась ранее, на остальных 7 ИК переходах HgI генерация была получена и исследована впервые.

Генерация осуществлялась в смеси He-Hg, при этом оптимальное давление гелия составляло pHe6Ц8 Тор, паров ртути - pHg0,05 Тор. Оптимальный ток разряда составлял i5Ц7 А. Генерация на всех линиях HgI наблюдалась в послесвечении разряда, а на линиях =942 и 1357 нм HgI - также и во время импульса тока. Коэффициент усиления на переходах HgI достигал 210-3 см-1.

На основе исследований временных характеристик генерации и спонтанного излучения установлено, что накачка лазерных переходов HgI в послесвечении осуществляется за счет ударно-радиационной рекомбинации ионов ртути, а наблюдаемое при повышении тока разряда смещение импульсов генерации в позднее послесвечение обусловлено процессами электронного девозбуждения.

Также для анализа роли различных возможных механизмов в накачке лазерных переходов HgII в рекомбинирующей плазме He-Hg+ лазера (=567,7 нм (52F7/2Ц62D5/2 HgII) и =615 нм (72Р3/2Ц72S1/2 HgII)) проведено экспериментальное исследование процессов заселения ионных уровней ртути. На основе исследо ваний временных характеристик спонтанного излучения на линиях HgII установлено, что уровни бейтлеровского спектра иона ртути эффективно заселяются перезарядкой. С использованием метода модуляции населенностей определены парциальные сечения перезарядки ионов гелия на атомах ртути:

Q(72P3/2)=2,010-15 см2, Q(72P1/2)=3,610-16 см2, Q(62D5/2)=2,410-16 см2.

Проведен сопоставительный анализ характеристик спонтанного и лазерного излучения на видимых переходах HgII и результатов математического моделирования Не-Hg+ лазера (с использованием найденных парциальных сечений перезарядки). Показано, что при условиях, типичных для генерации, основными механизмами накачки в рекомбинирующей плазме являются процессы ударно-радиационной рекомбинации для зеленой линии иона ртути (=567,7 нм HgII) и перезарядки для красной линии (=615 нм HgII). При этом вклад в накачку ступенчатой реакции Пеннинга (предлагавшейся в ряде работ в качестве основного механизма накачки лазерных уровней HgII) пренебрежимо мал. Также показано существенное влияние на характеристики генерации процессов электронного девозбуждения.

В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований возможности осуществления рекомбинационной накачки уровней многозарядных ионов и генерации в спектрах многозарядных ионов в сильноточном импульсном разряде. Проведен анализ изоэлектронных последовательностей ионов и выбраны переходы в спектрах многозарядных ионов (TlIII, OIII, XeIV), на которых целесообразно исследовать возможность реализации рекомбинационной накачки.

Проведен анализ условий, при которых может быть решена задача осуществления рекомбинационной накачки уровней многозарядных ионов, включающая в себя необходимость создания во время импульса тока плотной плазмы с относительно высокой концентрацией многозарядных ионов, быстрого и глубокого охлаждения электронов в послесвечении и уменьшения бесполезных с точки зрения рекомбинационной накачки потерь заряженных частиц на фазе лвключения накачки. Показано, что упругие соударения с атомами и ионами легкого буферного газа наряду с процессом амбиполярной диффузии обеспечивают достаточно быстрое (за ~0,1Ц1,0 мкс) охлаждение электронов в послесвечении разряда при относительно низких (1 Тор) давлениях буферного газа (облегчающих получение значительных концентраций многозарядных ионов) и небольших (~0,3 см) диаметрах разрядной трубки. Показано, что с уменьшением концентрации буферного газа и повышением кратности иона резко возрастают требования к крутизне заднего фронта импульса тока.

Экспериментально исследованы временные характеристики спонтанного излучения на переходах атомов и ионов различной кратности в спектрах таллия, кислорода и ксенона в сильноточном (до 2,5 кА) импульсном разряде, который возбуждался в кварцевой трубке (l=50 см, d=0,3 см). На примере переходов TlIII, OIII и XeIV экспериментально показана возможность осуществления рекомбинационной накачки уровней многозарядных ионов в сильноточном импульсном разряде. Установлена преобладающая роль ступенчатой ионизации в создании ионов высокой кратности.

В результате экспериментов впервые была получена и исследована генерация на 4 переходах TlIII видимого и ближнего ИК диапазона с =468, 482, 770 и 806 нм в ионизационном режиме возбуждения. Достигнут коэффициент усиления 2 дБ/м. Также была получена и исследована генерация в рекомбинационном режиме накачки на трех 3pЦ3s переходах OIII УФ и видимого диапазона c =375,5; 376,0; 559,2 нм и на 9 переходах XeIV УФ и видимого диапазона с =335,0; 430,6; 495,4; 500,8; 515,9; 526,0; 535,3; 539,5; 595,6 нм. (Ранее на этих и других переходах OIII и XeIV генерация наблюдалась в ионизационном режиме возбуждения). Генерация в послесвечении разряда осуществлялась в смесях O2 и Xe с буферными газами - He, H2, Ne. Многоволновая генерация на переходах OIII и переходах XeIV происходила примерно при одинаковых оптимальных условиях - парциальных давлениях O2 и Xe ~510-3Ц10-2 Тор, давлениях буферных газов ~0,1Ц0,3 Тор, токах разряда i~1,5Ц2 кА. На наиболее сильных лазерных переходах OIII и XeIV достигнуты значения коэффициента усиления 3 дБ/м (=559,2 нм OIII) и 2 дБ/м (=526,0 и 539,5 нм XeIV).

Измерены параметры рекомбинирующей плазмы и показано, что концентрация электронов быстро спадает в раннем послесвечении вследствие амбиполярной диффузии заряженных частиц, а основными механизмами охлаждения электронов являются упругие электрон-ионные соударения и диффузионное охлаждение.

Полученные результаты свидетельствуют о перспективности газоразрядного способа создания рекомбинирующей плазмы многозарядных ионов и могут служить ориентиром для дальнейших исследований газоразрядных рекомбинационных лазеров на переходах многозарядных ионов с целью продвижения в коротковолновый диапазон спектра.

В четвертой главе изложены результаты исследований, направленных на экспериментальную оптимизацию и диагностику активных сред саморазогревных He-Sr+ лазеров (=430,5 и 416,2 нм (62S1/2Ц52P3/2,1/2 SrII)) и He-Ca+ лазеров (=373,7 и 370,6 нм (52S1/2Ц42P3/2,1/2 CaII)), поиск присущих им закономерностей и анализ физических механизмов, определяющих эти закономерности. HeSr+(Ca+) лазеры являются наиболее эффективными из ионных рекомбинационных лазеров, что является следствием удачного расположения лазерных уровней с точки зрения рекомбинационно-столкновительной кинетики. Накачка верхних лазерных уровней осуществляется за счет ударно-радиационной рекомбинации ионов Sr++(Ca++), а эффективная очистка нижних уровней происходит за счет электронного девозбуждения. Достаточно высокие значения средней (до ~4 Вт) и импульсной (до ~20 кВт) мощности генерации, коэффициента усиления (~0,1 см-1) и КПД (~0,1%) при высоком качестве излучения ставят HeSr+(Ca+) лазеры в ряд лучших источников лазерного излучения фиолетового и УФ диапазона.

С использованием спектроскопических методов проведены эксперименты по диагностике плазмы He-Sr+ лазера. Установлено, что при типичных для генерации условиях (pHe250Ц300 Тор, pSr0,1 Тор) параметры плазмы принимают следующие значения в раннем послесвечении: NSr(m)~1012 см-3, NНе(m)~1013 см-3, Te0,22Ц0,25 эВ, ne(3Ц3,5)1014 см-3, что согласуется с данными других авторов. Показано, что наблюдаемый при повышении давления гелия рост скорости рекомбинационной накачки уровней SrII обусловлен ростом концентрации ионов Sr++ при поддержании низкого уровня Te в раннем послесвечении. Установлено, что при повышении давления гелия возрастает оптимальный импульсный энерговклад в разряд, при этом ne примерно пропорциональна удельному энерговкладу w.

Проведены эксперименты по оптимизации саморазогревных активных элементов He-Sr+(Ca+) лазеров с различными геометрическими размерами (l=9 - 45 см, d=0,3Ц1,5 см). В экспериментах были детально исследованы 5 активных элементов He-Sr+ лазера и один активный элемент He-Ca+ лазера. Достигнуты рекордные для саморазогревных He-Sr+ и He-Ca+ лазеров (=430,5 нм SrII и 373,7 нм СаII, соответственно) с естественным радиационным и конвективным охлаждением удельные средние мощности генерации (73 мВт/см3 и 50 мВт/см3, соответственно) и коэффициенты усиления (0,14 см-1 и 0,1 см-1, соответственно), а также достигнут максимальный для продольных He-Sr+ трубок, работающих при давлениях не выше 1 атм, удельный энергосъем 12 мкДж/см3.

На основе проведенных исследований выявлены общие закономерности, присущие активным средам саморазогревных He-Sr+(Ca+) лазеров в практически значимом диапазоне давлений гелия pHe0,2Ц1 атм:

- в оптимальных условиях возбуждения при разряде накопительной емкости режим разрядного контура оказывается близким к критическому, соответствующему переходу разряда из апериодического режима в колебательный;

- при повышении давления гелия частота следования импульсов снижается, что необходимо для поддержания температурного режима лазерной трубки в условиях соответствующего роста удельного энерговклада.

На основе установленных закономерностей разработана методика, позволяющая рассчитывать оптимальные параметры возбуждения, а также характеристики генерации саморазогревных He-Sr+(Ca+) лазеров, исходя из известных параметров оптимизированных лазерных трубок.

В частности, исходя из условия критического режима для разрядного L контура R = 2 (и с учетом зависимостей концентрации электронов от удельC ного энерговклада и проводимости плазмы от ее параметров) получено выра 2 l C жение для удельного энерговклада w p3 2. Это выражение позволяет проS Lгнозировать изменения значений w, а также оценивать значения удельного энергосъема =w (здесь - КПД) в оптимизированных по средней мощности и КПД режимах генерации He-Sr+(Ca+) лазеров при вариациях давления рабочей смеси p, накопительной емкости C и геометрических размеров лазерных трубок (длины l и внутреннего диаметра d (S=d2/4)). Исходя из зависимости тепловой мощности, отводимой от активного элемента при естественном охлаждении, от внешнего диаметра трубки dout (и с учетом равенства потребляемой и отводимой мощности в саморазогревном режиме), получено выражение для dout частоты следования импульсов f . При этом удельная средняя мощность wd dout генерации Psp может быть оценена следующим образом: Psp=f=wf .

d Проведено тестирование этой методики с использованием экспериментальных данных, получено хорошее согласие результатов расчетов и экспериментов. Данная методика может применяться при анализе и систематизации результатов экспериментов, а также при разработке и инженерных расчетах активных элементов саморазогревных He-Sr+(Ca+) лазеров и схем их импульсного возбуждения.

Разработан отпаянный экспериментальный образец (макет) He-Ca+ лазера, обеспечивающий УФ генерацию на =373,7 нм СаII с уровнем средней мощности ~0,3 Вт при частоте следования импульсов 5Ц7 кГц. Макет удостоен бронзовой медали ВДНХ СССР.

Проведен анализ возможных практических применений He-Sr+(Ca+) лазеров, в том числе малогабаритных, и показана их перспективность.

В пятой главе представлены результаты исследований, направленных, главным образом, на численный расчет и анализ пространственно-временных характеристик активных сред He-Sr+(Ca+) лазеров.

Разработаны самосогласованные математические модели He-Sr+ и He-Ca+ лазеров, позволяющие рассчитывать пространственно-временную эволюцию параметров плазмы и характеристик генерации в импульсно-периодическом режиме. Модели содержат совместное описание электрической цепи накачки, плазмы импульсно-периодического разряда и лазерного излучения.

Проведено тестирование математических моделей с использованием экспериментальных данных. Показано, что модели достаточно точно отражают основные закономерности в поведении характеристик активных сред HeSr+(Ca+) лазеров и могут служить удобным инструментом исследований их кинетики.

Предложены две удобные при практических расчетах коэффициента усиления аппроксимационные формулы для форм-фактора в центре линий со смешанным фойгтовским контуром:

2 ln g( ) = (1) [ a / 2 + (1 + a2 / 4)1/ 2], G 2 ln 2 g( ) = ; (2) 1+ 0,1667a0,845 exp(-1,167a) [ a / 2 + (1+ a2 / 4)1/ 2] G здесь a = ln 2L / G ; L и G - ширина лоренцевского и гауссова контуров на полувысоте, соответственно. Погрешность первой, более простой формулы, не превышает 6%, а погрешность второй, более сложной формулы - 1% при любых относительных вкладах уширений лоренцевского и гауссова типов.

С использованием результатов экспериментов и численного моделирования проведен анализ влияния эффектов самопоглощения (и усиления) на временной ход интенсивности спектральных линий в Не-Sг+(Са+) лазерах. Показано, что они могут существенным образом искажать наблюдаемый временной ход интенсивности линий.

Поскольку оптимальные условия возбуждения рекомбинационных лазеров определяются как условиями эффективного действия механизмов формирования инверсии, так и условиями достижения пространственной однородности плазмы, был проведен численный расчет и анализ пространственновременных характеристик активной среды He-Sr+ лазера как в процессе установления импульсно-периодического режима, так и в установившемся режиме (рис. 2).

Показано, что установившийся импульсно-периодический режим формируется за ~40Ц50 импульсов, при этом образуется неоднородный по радиусу профиль газовой температуры с максимумом на оси. Это приводит к неоднородному предымпульсному радиальному распределению концентрации атомов металла с провалом на оси и, как следствие, к провалу в радиальном распределении концентрации ионов Sr++ и к минимуму интенсивности генерации на оси трубки при достаточно больших диаметрах и давлениях (d1,5 см, pHe2Тор). Показано, что увеличивающаяся с ростом диаметра степень пространственной неоднородности плазмы является фактором, ограничивающим рост энергетических характеристик генерации.

С помощью математической модели He-Sr+ лазера были детально исследованы процесс контракции импульсно-периодического разряда в гелии и принципиально важный для лазеров на парах металлов процесс расконтрагирования разряда при добавлении паров стронция, благодаря которому автоматически обеспечивается достаточно высокая пространственная однородность плазмы при больших давлениях.

Процесс расконтрагирования разряда иллюстрирует рис. 3, где представлены рассчитанные при различных добавках стронция NSr установившиеся радиальные распределения параметров плазмы.

Видно, что в чистом гелии разряд контрагирован, а при NSr =41014 см-радиальное распределение концентрации электронов становится практически плоским, т.е. происходит расконтрагирование разряда.

Рис. 2. Рассчитанные радиальные профили концентрации электронов в различные моменты времени относительно максимума тока (а), температуры электронов в момент максимума генерации (б), пространственно-временные зависимости температуры электронов (в), температуры газа (г), концентраций атомов (д), однократных (е) и двукратных (ж) ионов стронция, а также интенсивности генерации на линии =430,5 нм SrII (з); штриховые кривые - экспе0 римент: l=70 см, d=1,55 см, pHe =250 Тор, NSr =4,21014 см-3, f=6 кГц.

Рис. 3. Рассчитанные радиальные профили концентраций электронов (а), однократных ионов стронция (б), двукратных ионов стронция (в), ионов гелия (г), температуры электронов (д), температуры газа (е), проводимости плазмы (ж), суммарной скорости ионизации гелия и стронция (з); рядом с кривыми указаны значения NSr ; штриховая кривая - эксперимент в контрагированном разряде в чистом гелии: l=70 см, d=1,55 см, pHe =190 Тор, f=6 кГц.

Установлены основные физические механизмы, определяющие существование явлений контракции и расконтрагирования, а также основные согласующиеся с экспериментами закономерности, свойственные этим явлениям при условиях, типичных для возбуждения рекомбинационных лазеров. В частности, установлено, что:

- сжатие импульсно-периодического разряда в гелии является результатом формирования тепловой неоднородности плазмы в последовательности импульсов; степень сжатия разряда возрастает при увеличении давления гелия;

- ключевую роль в расконтрагировании разряда играет практически полная одно- и двукратная ионизация стронция по всему сечению, чему способствуют низкие потенциалы такой ионизации у стронция, а также форма предымпульсного радиального профиля концентрации атомов металла с максимумом у стенок и провалом на оси;

- введение легкоионизируемой добавки стронция приводит, кроме того, к сглаживанию радиальных профилей газовой и электронной температуры, в результате чего пространственно стабилизируется процесс ионизации буферного газа гелия, ионы которого вносят существенный вклад в результирующий радиальный профиль концентрации электронов наряду с одно- и двукратными ионами металла;

- оптимальные для достижения максимальной однородности плазмы соотношения компонент смеси оказываются близкими к соотношениям, обеспечивающим максимум скорости рекомбинационной накачки ионных уровней стронция и, соответственно, энергетических характеристик генерации He-Sr+ лазера.

В шестой главе приведены результаты комплексных исследований, направленных на установление физических механизмов, ограничивающих рост энергетических характеристик Не-Sг+(Са+) лазеров, поиск путей повышения выходных характеристик генерации и способов оперативного управления ими, определение достижимых энергетических, частотных и спектральных характеристик. Для решения поставленных задач наряду с анализом результатов экспериментальных исследований проводилось математическое моделирование активных сред с использованием методов численной многопараметрической оптимизации.

Для математических моделей He-Sr+(Ca+) лазеров реализованы два метода автоматической численной многопараметрической оптимизации - метод Нелдера-Мида и генетический алгоритм. Проведен численный поиск оптимальных режимов для 10 активных элементов He-Sr+(Ca+) лазеров с различными геометрическими размерами (l=9Ц70 см, d=0,3Ц1,55 см), показавший хорошее согласие с данными экспериментов, что подтвердило возможность численного прогнозирования оптимальных параметров рекомбинационных лазеров.

Проведен анализ возможностей повышения выходных характеристик HeSr+(Ca+) лазеров за счет увеличения давления активной среды. Показано, что повысить среднюю мощность генерации и КПД при больших давлениях можно путем снижения накопительной емкости и индуктивности лазерных трубок, приводящего к укорочению заднего фронта импульса тока, а также за счет рез кого обрыва импульса тока, что обусловлено снижением доли бесполезно рекомбинирующих ионов Sr++ в начальной фазе рекомбинационной накачки.

При этом применение независимого ввода паров металла позволяет достичь более высоких оптимальных давлений по сравнению с саморазогревным режимом.

Проведен анализ физических механизмов, ограничивающих рост энергетических характеристик He-Sr+(Ca+) лазеров при увеличении объема активной среды и частоты следования импульсов. Установлено, что с ростом диаметра трубки и частоты средняя мощность насыщается, а затем снижается из-за формирования радиальной неоднородности активной среды вследствие ее перегрева на оси и радиального катафореза, а также из-за замедления релаксации электронной температуры и подъема уровня Te в раннем послесвечении, обусловленных ростом газовой температуры.

Проведены численные расчеты достижимых энергетических характеристик генерации. Показано, что достижимый максимум погонной мощности HeSr+ лазера составляет: ~6,2 Вт/м для саморазогревных активных элементов из BeO-керамики и ~7,8 Вт/м - при чернении их поверхности; ~7,7 Вт/м при независимом вводе паров металла и ~9,4 Вт/м - при его сочетании с чернением; ~Вт/м при интенсивном принудительном охлаждении активных элементов цилиндрической геометрии и ~29 Вт/м - с активными элементами прямоугольного сечения при соотношении размеров стенок 1:3, обеспечивающими эффективный теплоотвод от осевых частей разрядной трубки.

Показана возможность повышения КПД и энергетических характеристик генерации саморазогревных He-Sr+(Ca+) лазеров в режиме возбуждения пачками импульсов тока с коротким межимпульсным интервалом (~1 мкс), когда повышается эффективность создания ионов Sr++(Ca++) во втором и последующих импульсах возбуждения за счет ионизации не успевших прорекомбинировать ионов Sr+(Ca+).

Показано, что пиковая мощность генерации He-Sr+ лазера может быть повышена более чем на порядок в режиме разгрузки резонатора, при этом импульсы генерации могут быть существенно укорочены.

Проведен анализ возможности оперативного управления характеристиками генерации рекомбинационных лазеров. Экспериментально показано, что управление может быть реализовано за счет наложения в послесвечении дополнительного импульса тока, подогревающего электронный газ и снижающего скорость рекомбинационной накачки. Численно исследованы два режима управления He-Sr+ лазера: путем изменения момента включения дополнительного импульса и путем изменения его амплитуды. Рассчитаны зависимости выходных характеристик от параметров управляющего импульса и установлено, что в обоих режимах управления регулировка характеристик генерации может осуществляться в широких пределах, при этом при использовании первого режима кривые управления близки к линейным.

С использованием математической модели He-Sr+ лазера осуществлен поиск новых потенциальных лазерных переходов в спектре SrII. Показано, что в сильно нестационарных условиях в раннем послесвечении возможно получе ние инверсии населенностей на УФ переходах 52D3/2,5/2Ц52P1/2,3/2 SrII (=338,1 и 346,4 нм).

Совместно с Томским государственным университетом была получена и исследована одновременная многоволновая фиолетовая и ИК генерация на переходах SrII и SrI: =0,4305 мкм (4p66s2S1/2Ц4p65p2P3/2 SrII); 6,456 мкм (5s5p1P1Ц5s4d1D2 SrI); 3,066 мкм (5s4d3D1Ц5s5p3P2 SrI); 3,011 мкм (5s4d3D2 - 5s5p3P2 SrI); 2,92 мкм (5s4d3D3Ц5s5p3P2 SrI); 2,69 мкм (5s4d3D2Ц5s5p3P1 SrI);

2,6 мкм (5s4d3D1Ц5s5p3P0 SrI); 1,033 мкм (4p65p2P3/2Ц4p64d2D5/2 SrII) и 1,0мкм (4p65p2P1/2Ц4p64d2D3/2 SrII). Этот результат позволяет решить задачу визуализации ИК излучения на самоограниченных переходах атома и иона стронция рекомбинационной линией генерации с =0,4305 мкм SrII. Показано, что частота следования импульсов генерации на ИК переходах SrII (=1,033 мкм и =1,091 мкм) в принципе может достигать ~1 МГц. Показана перспективность использования пачек импульсов для возбуждения ИК переходов SrII.

Показана принципиальная возможность ускорения деионизации плазмы в межимпульсный период импульсно-периодического разряда за счет лускорения амбиполярной диффузии при небольшом подогреве электронного газа в послесвечении дополнительным импульсом (при низких давлениях буферного газа и малых диаметрах разрядных трубок).

В седьмой главе изложены результаты комплексных исследований возможности осуществления катафорезного ввода паров металлов в активные среды ЛПМ в условиях продольного импульсно-периодического разряда, а также исследований, направленных на экспериментальную реализацию катафорезных импульсно-периодических He-Cd+ и He-Sr+ лазеров.

Теоретически исследован процесс установления аксиального распределения паров металла в продольном импульсно-периодическом разряде при катафорезном вводе паров. В частности, аналитически решена задача о временной эволюции аксиальных распределений паров металла и показано, что при типичных параметрах возбуждения импульсно-периодических He-Sr+ и He-Cd+ лазеров возможно достижение достаточно однородного распределения паров вдоль активной зоны газоразрядного канала.

На рис. 4 приведены рассчитанные распределения относительной концентрации паров металла n по длине трубки x в импульсно-периодическом разряде в различные моменты времени при различных значениях параметра .

Здесь =(D/L2)t - приведенное время, где D - коэффициент диффузии атомов и ионов металла, L - длина активной зоны разрядного канала; x=z/L - eE0 L приведенная координата; = f - параметр, характеризующий относиi kT тельный вклад дрейфа в электрическом поле и диффузии в процесс установления аксиального распределения паров металла в импульсно-периодическом разряде, где - степень ионизации паров металла, E0 - начальная напряженность электрического поля в импульсном разряде, f - частота следования импульсов, i - длительность импульса тока, T - газовая температура.

Рис. 4. Аксиальное распределение относительной концентрации паров металла в импульснопериодическом разряде в различные моменты времени при =10 (сплошные кривые) и =(пунктирные кривые).

Получен обобщенный критерий, выполнение которого обеспечивает достаточно высокую однородность аксиального распределения паров в промежутке между источником паров и катодом, и в то же время надежное запирание паров со стороны анода:

10. (3) Найдены времена достижения однородного аксиального распределения паров металла за счет катафореза при типичных для импульсно-периодических He-Cd+ и He-Sr+ лазеров параметрах возбуждения (эти времена имеют достаточно малую величину порядка секунды).

Проведены эксперименты, в результате которых была впервые экспериментально реализована прокачка паров кадмия за счет катафореза в продольном импульсно-периодическом разряде (l=50 см, d=0,3 см) в смеси He-Cd. Впервые при катафорезном вводе паров кадмия была получена и исследована импульсно-периодическая генерация в рекомбинирующей плазме на переходах иона кадмия =533,7 и 537,8 нм (4f2F5/2,7/2Ц5d2D3/2,5/2 Cd II) и =441,6 нм (5s22D*5/2 - 5p2P3/2 CdII). Основным механизмом накачки для зеленых линий (=533,7 и 537,8 нм CdII) является перезарядка ионов гелия на атомах кадмия, а для синей линии (=441,6 нм CdII) - реакция Пеннинга. Достигнуты максимальные для продольного разряда уровни коэффициента усиления на зеленых линиях CdII (30%м-1 (1 дБ/м)) и синей линии CdII (3 дБ/м), что свидетельствует о высокой однородности активной среды.

Экспериментально исследован He-Cd+ лазер с возбуждением в продольном разряде в трубке с протяженными металлическими сегментами (рис. 1) при катафорезном вводе паров кадмия. В результате экспериментов впервые при возбуждении в данном разряде была получена и исследована импульснопериодическая и квазинепрерывная трехволновая генерация на переходах CdII (=441,6; 533,7 и 537,8 нм), а также непрерывная генерация на =441,6 нм CdII.

Импульсно-периодическая генерация осуществлялась во время импульсов тока, что типично для РПК. Достигнуты высокие коэффициенты усиления (4 дБ/м для =441,6 нм и 2 дБ/м для =533,7 и 537,8 нм), превышающие усиление в продольном разряде.

Для исследований катафорезного He-Sr+ лазера был разработан малогабаритный стекло-керамический активный элемент (l=26 см, d=0,3 см) с интенсифицированным теплоотводом за счет использования толстостенной керамики (рис. 5). Испарение стронция происходило из отдельного резервуара в режиме саморазогрева.

Рис. 5. Активный элемент катафорезного He-Sr+ лазера: 1 - стронций, 2 - внешняя стеклянная оболочка, 3 - катод, 4 - анод, 5 - внешняя ВеО-трубка, 6 - внутренняя ВеО-трубка, 7 - активная зона.

В результате экспериментов была впервые экспериментально реализована прокачка паров стронция за счет катафореза в продольном импульснопериодическом разряде в смеси He-Sr высокого давления 0,3Ц1 атм. Впервые при катафорезном вводе паров стронция была получена и исследована импульсно-периодическая генерация в рекомбинирующей плазме на переходе =430,5 нм SrII.

Достигнуты максимальные для рекомбинационных лазеров частоты следования импульсов генерации 30Ц50 кГц. При активном объеме 1,84 см3 получены высокие значения средней мощности генерации 510 мВт, а также удельного энергосъема 10,2 мкДж/см3 и удельной пиковой мощности 46 Вт/см3.

Достигнуты рекордные для He-Sr+ лазеров всех типов удельная средняя мощность 277 мВт/см3 и коэффициент усиления 0,15 см-1.

Детально исследованы механизмы формирования радиального профиля концентрации атомов металла в импульсно-периодических ЛПМ с продольным разрядом. Показано, что перегрев приосевых областей разряда и радиальный катафорез приводят к дефициту активных частиц в приосевых частях лазерной трубки, что может негативно сказаться на характеристиках генерации. Получен обобщенный критерий, выполнение которого обеспечивает величину перепада концентрации атомов металла между стенкой и осью разрядной трубки, не превышающую заданное значение (2/3 от значения концентрации атомов металла на стенке):

-(B+1) B +1 R2wf 0,33 + 3,2 f - 1. (4) 2 B+ Nm,w 4eA Tw Здесь Nm,w - пристеночная концентрация атомов металла, Tw - температура стенки, - коэффициент ударно-радиационной рекомбинации ионов металла, w - удельный энерговклад в разряд, R - внутренний радиус трубки, A и B - параB метры, входящие в коэффициент теплопроводности буферного газа: th = AT.

Полученный критерий применим как к катафорезным, так и к традиционным импульсно-периодическим ЛПМ. Полученные аналитические результаты подтверждены результатами экспериментов и численных расчетов с использованием математической модели He-Sr+ лазера.

Показано, что для катафорезных импульсно-периодических ЛПМ должны одновременно выполняться критерии аксиальной (3) и радиальной (4) однородности распределения концентрации паров металла и определены границы областей оптимальных параметров возбуждения, обеспечивающих выполнение этих критериев. Полученные результаты позволяют осуществлять целенаправленный выбор условий возбуждения, обеспечивающих пространственную однородность активных сред катафорезных импульсно-периодических ЛПМ и, как следствие, высокие выходные характеристики.

Таким образом, основным результатом исследований, представленных в данной главе, можно считать создание и исследование лазеров нового типа - катафорезных импульсно-периодических лазеров на парах металлов.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.

В приложениях дано описание методов автоматической численной многопараметрической оптимизации - метода Нелдера-Мида и генетического алгоритма.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 1. Экспериментально исследована возможность получения генерации на переходе =585,3 нм NeI в смеси Ne-H2 при пеннинговской очистке нижнего уровня в рекомбинирующей плазме разрядов различного типа. В результате:

- Впервые генерация на переходе =585,3 нм NeI получена и исследована в разряде с полым катодом. Установлено, что при больших давлениях смеси (10 Тор) оптимальным является соотношение Ne:H2=1:1,5. Достигнут коэффициент усиления 5,2 дБ/м.

- Впервые генерация на переходе =585,3 нм NeI получена и исследована в продольном разряде при рекомбинационной накачке. Установлено, что оптимальным для генерации в послесвечении при относительно небольших токах является соотношение Ne:H21:1,5, в то время как при больших токах оптимально соотношение Ne:H21:2. Достигнуты коэффициент усиления 10 дБ/м в режиме небольших токов и рекордный для линии =585,3 нм NeI коэффициент усиления 160 дБ/м в режиме больших токов.

- Установлено, что основным механизмом накачки в рекомбинирующей плазме при условиях, типичных для генерации, является ударно-радиационная рекомбинация ионов неона. Показано, что нижний лазерный уровень атома неона эффективно очищается в смеси Ne-H2 за счет реакции Пеннинга на водороде. Установлен селективный характер очистки этого уровня.

- Показано, что эффекты самопоглощения могут существенным образом искажать наблюдаемый временной ход интенсивности линий, что говорит о необходимости учета самопоглощения при исследованиях механизмов накачки уровней спектрально-временным методом.

2. Предложен и исследован продольный разряд в трубке с протяженными металлическими сегментами (5 см) как способ возбуждения активных сред рекомбинационных лазеров, сочетающий свойства продольного разряда (устойчивость разряда, простота конструкции разрядной трубки, возможность катафорезного ввода паров металлов) и разряда с полым катодом (наличие лжесткой составляющей ФРЭЭ на значительной части активной длины). В результате:

- Изучена зависимость глубины проникновения плазмы в полость металлических сегментов от условий возбуждения и показано, что зависимость глубины проникновения плазмы от давления рабочей смеси и внутреннего диаметра сегментов может быть использована в качестве характеристики, определяющей степень проявления эффекта полого катода.

- Впервые при возбуждении в данном разряде получена и исследована генерация на переходе =585,3 нм NeI, а также трехволновая генерация на переходах KrII (=469,4; 458,3 и 431,8 нм). Достигнуты высокие коэффициенты усиления (12 дБ/м и 3 дБ/м, соответственно), превышающие усиление в продольном разряде (в режиме небольших токов).

- Впервые при возбуждении в данном разряде получена и исследована импульсно-периодическая и квазинепрерывная трехволновая генерация на переходах CdII (=441,6; 533,7 и 537,8 нм), а также непрерывная генерация на =441,6 нм CdII. Достигнуты высокие коэффициенты усиления (4 дБ/м для =441,6 нм и 2 дБ/м для =533,7 и 537,8 нм), превышающие усиление в продольном разряде.

3. Проведены комплексные исследования лазера на атомных и ионных переходах ртути. В результате:

- Впервые получена и исследована генерация на семи переходах HgI в ближней ИК области спектра. Установлен рекомбинационный механизм накачки. Достигнут коэффициент усиления 210-3 см-1.

- Установлено эффективное заселение перезарядкой уровней бейтлеровского спектра HgII; с использованием метода модуляции населенностей определены парциальные сечения перезарядки ионов гелия на атомах ртути:

Q(72P3/2)=2,010-15 см2, Q(72P1/2)=3,610-16 см2, Q(62D5/2)=2,410-16 см2.

- Проведен сопоставительный анализ результатов экспериментального и численного исследования Не-Hg+ лазера. Показано, что основными механизмами накачки в рекомбинирующей плазме являются процессы ударнорадиационной рекомбинации для =567,7 нм HgII и перезарядки для =615 нм HgII, а вклад в накачку ступенчатой реакции Пеннинга пренебрежимо мал.

- Показано существенное влияние на характеристики генерации на переходах HgI и HgII процессов электронного девозбуждения.

4. Проведены экспериментальные исследования возможности осуществления рекомбинационной накачки уровней многозарядных ионов и генерации в спектрах многозарядных ионов в сильноточном импульсном разряде. В результате:

- Показано, что упругие соударения с атомами и ионами легкого буферного газа наряду с процессом амбиполярной диффузии обеспечивают достаточно быстрое (за ~0,1Ц1,0 мкс) охлаждение электронов в послесвечении разряда при относительно низких (1 Тор) давлениях буферного газа (облегчающих получение значительных концентраций многозарядных ионов) и небольших (~0,3 см) диаметрах разрядной трубки.

- На примере переходов TlIII, OIII и XeIV экспериментально показана возможность осуществления рекомбинационной накачки уровней многозарядных ионов в сильноточном импульсном разряде.

- Впервые получена и исследована генерация на четырех переходах TlIII видимого и ближнего ИК диапазона с =468, 482, 770 и 806 нм в ионизационном режиме возбуждения. Достигнут коэффициент усиления 2 дБ/м.

- Получена и исследована генерация в рекомбинационном режиме накачки на трех 3pЦ3s переходах OIII УФ и видимого диапазона c =375,5; 376,0;

559,2 нм и на девяти переходах XeIV УФ и видимого диапазона с =335,0;

430,6; 495,4; 500,8; 515,9; 526,0; 535,3; 539,5; 595,6 нм. Достигнут коэффициент усиления 3 дБ/м на переходе с =559,2 нм OIII и 2 дБ/м на переходах XeIV с =526,0; 539,5 нм.

5. Проведены измерения параметров плазмы He-Sr+ рекомбинационного лазера спектроскопическими методами. Установлено, что при типичных для генерации на =430,5 нм SrII условиях возбуждения (pHe250Ц300 Тор, pSr0,Тор) параметры плазмы принимают следующие значения в раннем послесвечении: NSr(m)~1012 см-3, NНе(m)~1013 см-3, Te0,22Ц0,25 эВ, ne(3Ц3,5)1014 см-3.

Показано, что наблюдаемый при повышении pHe рост скорости рекомбинационной накачки уровней SrII обусловлен ростом концентрации ионов Sr++ при поддержании низкого уровня Te в раннем послесвечении.

6. Проведена экспериментальная оптимизация шести саморазогревных активных элементов He-Sr+(Ca+) рекомбинационных лазеров (=430,5 нм SrII и =373,7 нм СаII) различных геометрических размеров (l=9Ц45 см, d=0,3Ц1,5 см).

Достигнуты рекордные для саморазогревных He-Sr+ и He-Ca+ лазеров с естественным радиационным и конвективным охлаждением удельные средние мощности генерации (73 мВт/см3 и 50 мВт/см3, соответственно) и коэффициенты усиления (0,14 см-1 и 0,1 см-1, соответственно), а также достигнут максимальный для продольных He-Sr+ трубок, работающих при давлениях не выше 1 атм, удельный энергосъем 12 мкДж/см3. Выявлены общие закономерности, присущие активным средам He-Sr+(Ca+) лазеров, и установлены физические механизмы, определяющие эти закономерности. На основе установленных закономерностей разработана методика, позволяющая рассчитывать оптимальные параметры возбуждения и характеристики генерации саморазогревных HeSr+(Ca+) лазеров, исходя из известных параметров оптимизированных лазерных трубок. Эта методика может применяться при анализе и систематизации результатов экспериментов, а также при разработке и инженерных расчетах активных элементов рекомбинационных лазеров и схем их импульсного возбуждения.

7. Разработан отпаянный экспериментальный образец (макет) He-Ca+ лазера, обеспечивающий УФ генерацию на =373,7 нм СаII с уровнем средней мощности ~0,3 Вт при частоте следования импульсов 5Ц7 кГц. Макет удостоен бронзовой медали ВДНХ СССР. Проведен анализ возможных практических применений He-Sr+(Ca+) лазеров, в том числе малогабаритных, и показана их перспективность.

8. Разработаны и протестированы самосогласованные математические модели He-Sr+ и He-Ca+ лазеров, позволяющие рассчитывать пространственновременную эволюцию параметров плазмы и характеристик генерации в импульсно-периодическом режиме. Модели могут применяться как инструменты исследований кинетики активных сред, а также для прогнозирования оптимальных параметров возбуждения и выходных характеристик. Предложены две удобные при практических расчетах коэффициента усиления аппроксимационные формулы для форм-фактора в центре линий со смешанным фойгтовским контуром, имеющие низкую погрешность (6% и 1%). Реализованы два метода автоматической численной многопараметрической оптимизации - метод Нелдера-Мида и генетический алгоритм.

9. Проведен численный расчет и анализ пространственно-временных характеристик активной среды He-Sr+ лазера. Показано существенное влияние эффектов самопоглощения (и усиления) на временной ход интенсивности спектральных линий в Не-Sг+(Са+) лазерах. Показано, что установившийся импульсно-периодический режим формируется за ~40Ц50 импульсов, при этом образуется неоднородный по радиусу профиль газовой температуры с максимумом на оси. Это приводит к минимуму интенсивности генерации на оси трубки при достаточно больших диаметрах и давлениях (d1,5 см, pHe2Тор). Показано, что увеличивающаяся с ростом диаметра степень пространственной неоднородности плазмы является фактором, ограничивающим рост энергетических характеристик генерации.

10. Проведены численные исследования процесса контракции импульсно-периодического разряда в гелии и процесса расконтрагирования разряда при добавлении паров стронция, благодаря которому автоматически обеспечивается достаточно высокая пространственная однородность плазмы при больших давлениях. Установлены основные физические механизмы, определяющие существование явлений контракции и расконтрагирования, а также основные согласующиеся с экспериментами закономерности, свойственные этим явлениям при условиях, типичных для возбуждения рекомбинационных лазеров.

11. Проведены комплексные экспериментальные и численные исследования, направленные на определение достижимых энергетических, частотных и спектральных характеристик He-Sr+(Ca+) лазеров. В результате:

- Показано, что достижимый максимум погонной мощности He-Sr+ лазера составляет: ~6,2 Вт/м для саморазогревных активных элементов из BeOкерамики и ~7,8 Вт/м - при чернении их поверхности; ~7,7 Вт/м при независимом вводе паров металла и ~9,4 Вт/м - при его сочетании с чернением; ~ Вт/м при интенсивном принудительном охлаждении активных элементов цилиндрической геометрии и ~29 Вт/м - с активными элементами прямоугольного сечения при соотношении размеров стенок 1:3.

- Показана возможность повышения КПД и энергетических характеристик саморазогревных He-Sr+(Ca+) лазеров в режиме возбуждения пачками импульсов тока с коротким межимпульсным интервалом. Найдено оптимальное количество импульсов ~10 в пачке с интервалом 1 мкс, при котором усредненный по пачке КПД и средняя мощность генерации могут возрасти на ~21%.

- Показано, что пиковая мощность типичного He-Sr+ лазера может быть повышена в режиме разгрузки резонатора более чем на порядок и может достичь значений 10 кВт, при этом импульсы генерации могут быть существенно укорочены.

- Исследованы два режима оперативного управления характеристиками генерации He-Sr+ лазера - путем изменения момента включения в послесвечении дополнительного подогревающего электронный газ импульса тока и путем изменения его амплитуды. Установлено, что в обоих режимах управления регулировка характеристик генерации может осуществляться в широких пределах.

- С использованием математической модели He-Sr+ лазера осуществлен поиск новых потенциальных лазерных переходов в спектре SrII. Показано, что в сильно нестационарных условиях в раннем послесвечении возможно получение инверсии населенностей на УФ переходах 52D3/2,5/2Ц52P1/2,3/2 SrII (=338,1 и 346,4 нм).

- В лазере на парах стронция получена и исследована (совместно с ТГУ) одновременная многоволновая видимая и ИК генерация на девяти переходах SrII и SrI (=0,4305 мкм SrII, =6,456; 3,011; 3,066; 2,92; 2,69 и 2,60 мкм SrI, =1,033 и 1,091 мкм SrII), что позволяет решить задачу визуализации ИК излучения на самоограниченных переходах атома и иона стронция рекомбинационной линией генерации с =0,4305 мкм SrII. Показано, что частота следования импульсов генерации на ИК переходах SrII (=1,033 и =1,091 мкм) в принципе может достигать ~1 МГц. Показана перспективность использования пачек импульсов для возбуждения ИК переходов иона стронция и найден оптимальный межимпульсный интервал в пачке ~5Ц10 мкс.

- Показана принципиальная возможность ускорения деионизации плазмы в межимпульсный период импульсно-периодического разряда за счет лускорения амбиполярной диффузии при небольшом подогреве электронного газа в послесвечении дополнительным импульсом (при низких давлениях буферного газа 6Ц8 Тор и малых диаметрах разрядных трубок 0,4Ц0,6 см).

12. Проведены комплексные исследования возможности осуществления катафорезного ввода паров металлов в активные среды ЛПМ в условиях продольного импульсно-периодического разряда, а также исследования, направленные на экспериментальную реализацию катафорезных импульснопериодических He-Cd+ и He-Sr+ лазеров. В результате:

- Теоретически исследована динамика катафореза и найдены времена достижения однородного аксиального распределения паров металла за счет катафореза при типичных для импульсно-периодических He-Sr+ и He-Cd+ лазеров параметрах возбуждения (эти времена имеют достаточно малую величину порядка секунды).

- Получены обобщенные критерии, выполнение которых обеспечивает достаточно высокую однородность аксиального и радиального распределений концентрации паров металла при катафорезной прокачке паров;

- Впервые экспериментально реализована прокачка паров кадмия за счет катафореза в продольном импульсно-периодическом разряде в смеси He-Cd.

Впервые при катафорезном вводе паров кадмия получена и исследована импульсно-периодическая генерация в рекомбинирующей плазме на зеленых (=533,7 и 537,8 нм) и синей (=441,6 нм) линиях CdII. Достигнуты максимальные для этих линий в продольном разряде коэффициенты усиления 30%м-1 (дБ/м) и 3 дБ/м, что свидетельствует о высокой однородности активной среды.

- Впервые экспериментально реализована прокачка паров стронция за счет катафореза в продольном импульсно-периодическом разряде в смеси He-Sr высокого давления 0,3Ц1 атм. Впервые при катафорезном вводе паров стронция получена и исследована импульсно-периодическая генерация в рекомбинирующей плазме на переходе =430,5 нм SrII. Достигнуты максимальные для рекомбинационных лазеров частоты следования импульсов генерации 30ЦкГц. При активном объеме 1,84 см3 получены высокие значения средней мощности генерации 510 мВт, а также удельного энергосъема 10,2 мкДж/см3 и удельной пиковой мощности 46 Вт/см3. Достигнуты рекордные для He-Sr+ лазеров всех типов удельная средняя мощность 277 мВт/см3 и коэффициент усиления 0,15 см-1.

В целом, результатом комплексных исследований, обобщенных в диссертации, явилось развитие научного направления рекомбинационных газоразрядных лазеров - найдены новые перспективные активные среды и способы их возбуждения, разработаны теоретические основы для создания эффективных рекомбинационных лазеров на переходах атомов, одно- и многозарядных ионов и экспериментально обоснованы пути их практической реализации. Таким образом, в диссертационной работе разработаны теоретические положения, совокупность которых можно квалифицировать как новое крупное научное достижение в развитии квантовой радиофизики, связанное с созданием новых типов рекомбинационных газоразрядных лазеров, в том числе коротковолнового диапазона.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 1. Латуш Е.Л., Сэм М.Ф., Чеботарев Г.Д. Изучение процессов заселения ионных уровней ртути в разряде He-Hg методом модуляции населенностей. // Труды XIX Всесоюзного съезда по спектроскопии. Томск. 1983. С.279-281.

2. Букшпун Л.М., Атамась С.Н., Латуш Е.Л., Сэм М.Ф., Чеботарев Г.Д. Кальций-гелиевый лазер. // Проспект ВДНХ СССР. - М.: 1983. - 4с.

3. Латуш Е.Л., Сэм М.Ф., Чеботарев Г.Д. Изучение процессов заселения ионных уровней ртути в разряде He-Hg методом модуляции населенностей. // Известия вузов. Физика. 1984. Т.27. № 5. С.90-97.

4. Латуш Е.Л., Сэм М.Ф., Чеботарев Г.Д. Новые лазерные переходы в HgI. // Квантовая электроника. 1985. Т.12. № 11. С.2375-2377.

5. Латуш Е.Л., Чеботарев Г.Д. О применимости метода максимальных потерь для измерения коэффициента усиления импульсных лазеров. // Квантовая электроника. 1985. Т.12. № 7. С.1480-1484.

6. Бункин Ф.В., Держиев В.И., Латуш Е.Л., Муравьев И.И., Сэм М.Ф., Чеботарев Г.Д., Яковленко С.И., Янчарина А.М. Инверсия и генерация на переходе NeI =585,3 нм в разрядах с жесткой составляющей. // Квантовая электроника. 1986. Т.13. № 12. С.2531-2533.

7. Латуш Е.Л., Сэм М.Ф., Чеботарев Г.Д. Генерация на переходе 2p1Ц1s2 585,нм NeI при разряде в полом катоде и в продольном разряде. // Труды Всесоюзного совещания УИнверсная заселенность и генерация на переходах в атомах и молекулахФ. Томск. Изд. ТГУ. 1986. С.7-8.

8. Коптев Ю.В., Латуш Е.Л., Сэм М.Ф., Чеботарев Г.Д. Диагностика плазмы He-Sr рекомбинационного лазера. // Труды Всесоюзного совещания УИнверсная заселенность и генерация на переходах в атомах и молекулахФ.

Томск. Изд. ТГУ. 1986. С.35-36.

9. Латуш Е.Л., Сэм М.Ф., Чеботарев Г.Д. Новые линии генерации в таллии. // Труды Всесоюзного совещания УИнверсная заселенность и генерация на переходах в атомах и молекулахФ. Томск. Изд. ТГУ. 1986. С.145.

10. Латуш Е.Л., Сэм М.Ф., Чеботарев Г.Д. Рекомбинационные газоразрядные лазеры на переходах многозарядных ионов OIII и XeIV. // Квантовая электроника. 1989. Т.16. № 12. С.2394-2399.

11. Латуш Е.Л., Сэм М.Ф., Чеботарев Г.Д. Механизмы генерации газоразрядного неон-водородного лазера на =585,3 нм. // Квантовая электроника. 1990.

Т.17. № 11. С.1418-1423.

12. Корогодин Д.А., Латуш Е.Л., Сэм М.Ф., Чеботарев Г.Д. О роли ступенчатых ударов второго рода в лазере на ионных переходах ртути. // Квантовая электроника. 1990. Т.17. № 6. С.712-716.

13. Латуш Е.Л., Коптев Ю.В., Сэм М.Ф., Чеботарев Г.Д., Корогодин Д.А. Роль ступенчатых ударов второго рода в механизме накачки гелий-стронциевого рекомбинационного лазера. // Квантовая электроника. 1991. Т.18. № 12.

С.1427-1434.

14. Сэм М.Ф., Латуш Е.Л., Чеботарев Г.Д., Букшпун Л.М. Создание лазеров на парах стронция и кальция для контроля технологических процессов и цветных проекционных систем. I. // Лазерная физика, С-Пб.: изд. СпбГУ. 1992.

№2. С.12.

15. Чеботарев Г.Д., Латуш Е.Л. Ненасыщенный коэффициент усиления линий со смешанным контуром уширения. // Квантовая электроника. 1993. Т. 20. №1.

С. 99-100.

16. Латуш Е.Л., Чеботарев Г.Д., Гумберг С.В., Микизиль В.В. Поиск и исследование лазерных сред на основе газов и паров химических элементов. I. // Лазерная физика, С-Пб.: изд. СПбГУ. 1993. №3. С.9.

17. Латуш Е.Л., Чеботарев Г.Д., Гумберг С.В., Микизиль В.В. Поиск и исследование лазерных сред на основе газов и паров химических элементов. II. // Лазерная физика, С-Пб.: изд. СПбГУ. 1994. №8. С.10-11.

18. Latush E.L., Sem M.F., Chebotarev G.D. Strontium and calcium ion recombination lasers and their applications. In УPulsed Metal Vapour LasersФ. Ed. by Chris E. Little and Nicola V. Sabotinov. NATO ASI Series. 1. Disarmament Technologies. V.5. Kluwer Academic Publishers. Dortrecht, Boston, London. 1996. P.149160.

19. Чеботарев Г.Д., Латуш Е.Л., Сэм М.Ф. Влияние эффектов самопоглощения на временной ход интенсивности линий в лазерах. // Оптика и спектроскопия. 1996. Т.81. № 4. С.688-694.

20. Chebotarev G.D., Latush E.L., Sotnikov R.Yu. A method of optimal scaling of He-Sr+(Ca+) recombination laser. // J. Moscow Phys. Soc. 1997. V.7. N.2. P.129137.

21. Chebotarev G.D., Latush E.L., Sem M.F. A compact He-Sr+ (430.5 nm) laser with highly specific characteristics. // J. Moscow Phys. Soc. 1997. V.7. N.2. P.125-128.

22. Латуш Е.Л., Сэм М.Ф., Чеботарев Г.Д., Васильченко А.В. He-Sr (430,5; 416,нм) и He-Ca (373,7 нм) лазеры и перспективы их применений в медицине и биологии. // Тезисы докладов 5-го Петербургского семинара-выставки УЛазеры для медицины и биологииФ. С-Пб. 1997. С.24.

23. Латуш Е.Л., Чеботарев Г.Д., Васильченко А.В. Импульсные катафорезные лазеры на парах кадмия и стронция. // Оптика атмосферы и океана. 1998.

Т.11. № 2-3. С.171-175.

24. Latush E.L., Chebotarev, G.D., Vasilchenko A.V. Strontium and cadmium pulsed cataphoretic lasers. // Proceedings of SPIE. 1998. V.3403. P.141-144.

25. Васильченко А.В., Латуш Е.Л., Чеботарев Г.Д. Импульсные катафорезные лазеры на парах кадмия и стронция. // В сборнике УФундаментальные и прикладные проблемы современной техникиФ. Ростов-на-Дону: Изд. СКН - ВШ.

1998. С.84-91.

26. Чеботарев Г.Д., Латуш Е.Л. Оптимальное масштабирование рекомбинационных He-Sr+(Ca+) лазеров. // Квантовая электроника. 2000. Т.30. №5. С.393398.

27. Латуш Е.Л., Чеботарев Г.Д., Сэм М.Ф. Малогабаритные He-Sr+(Ca+) рекомбинационные лазеры. // Квантовая электроника. 2000. Т.30. №6. С.471-478.

28. Latush E.L., Chebotarev G.D., Sem M.F. Small-Scale Efficient He-Sr+(Ca+) recombination lasers. // Proceedings of SPIE. 2000. V.4071. P.119-127.

29. Пруцаков О.О., Чеботарев Г.Д., Латуш Е.Л. Динамика продольного и поперечного катафореза в импульсно-периодических лазерах на парах металлов.

// Тезисы докладов симпозиума УЛазеры на парах металловФ. Ростов-наДону. 2000. С.3.

30. Латуш Е.Л., Чеботарев Г.Д., Пруцаков О.О. Способ уменьшения межимпульсной концентрации электронов за счет ускоренной амбиполярной диффузии. // Тезисы докладов симпозиума УЛазеры на парах металловФ. Ростовна-Дону. 2000. С.19.

31. Чеботарев Г.Д., Латуш Е.Л., Пруцаков О.О. Исследование динамики катафореза в импульсно-периодических лазерах на парах металлов. // Материалы III международной научно-технической конференции УКвантовая электроникаФ. Минск. 2000. С.87-89.

32. Чеботарев Г.Д., Латуш Е.Л., Сэм М.Ф. Малогабаритные He-Sr(Ca) рекомбинационные лазеры и их возможные применения в медицине биологии и экологии. // Тезисы докладов Всероссийской конференции УЛазеры для медицины, биологии и экологииФ. Санкт-Петербург. 2000. С.6-7.

33. Пруцаков О.О., Чеботарев Г.Д., Латуш Е.Л. Исследование динамики продольного катафореза в импульсно-периодических лазерах на парах металлов.

// Фундаментальные и прикладные проблемы современной техники: Сборник статей. Вып. 5. Изд. СКН - ВШ. Ростов-на-Дону. 2001. С.113-123.

34. Chebotarev G.D., Prutsakov O.O., Latush E.L. Dynamics of cataphoresis in the pulse-periodic discharge. // The 5th International Conference УAtomic and Molecular Pulsed LasersФ Conference Proceedings. Tomsk. Institute of Atmospheric Optics SB RAS. 2001. P.56.

35. Latush E.L., Prutsakov O.O., Chebotarev G.D. Deionization of afterglow plasma of pulsed lasers through intensified ambipolar diffusion. // The 5th International Conference УAtomic and Molecular Pulsed LasersФ Conference Proceedings.

Tomsk. Institute of Atmospheric Optics SB RAS. 2001. P.63.

36. Чеботарев Г.Д., Пруцаков О.О., Латуш Е.Л. Динамика катафореза в импульсно-периодическом разряде. // Оптика атмосферы и океана. 2001. Т.14.

№11. С.1011-1015.

37. Латуш Е.Л., Пруцаков О.О., Чеботарев Г.Д. Деионизация плазмы послесвечения за счет ускоренной амбиполярной диффузии. // Квантовая электроника. 2002. Т.32. №4. С.289-293.

38. Chebotarev G.D., Prutsakov O.O., Latush E.L. Dynamics of cataphoresis in the pulse-periodic discharge. // Proceedings of SPIE. 2002. V.4747. P.188-193.

39. Latush E.L., Prutsakov O.O., Chebotarev G.D. Deionization of afterglow plasma of pulsed lasers through intensified ambipolar diffusion. // Proceedings of SPIE.

2002. V.4747. P.181-187.

40. Чеботарев Г.Д., Пруцаков О.О., Латуш Е.Л. Математическое моделирование рекомбинационного гелий-стронциевого лазера. // Тезисы докладов симпозиума УЛазеры на парах металловФ. Ростов-на-Дону. 2002. С.65-66.

41. Латуш Е.Л., Пруцаков О.О., Чеботарев Г.Д. О возможности генерации на новых переходах SrII в условиях сильно нестационарной рекомбинационной кинетики (самоограниченные рекомбинационные лазеры). // Тезисы докладов симпозиума УЛазеры на парах металловФ. Ростов-на-Дону. 2002. С.67.

42. Chebotarev G.D., Prutsakov O.O., Latush E.L. Studies of the longitudinal cataphoresis dynamics in pulse-periodic discharges. // Journal of Russian Laser Research. 2003. V. 24. N.1. P.37-44.

43. Chebotarev G.D., Prutsakov O.O., Latush E.L. Mathematical modeling of ion recombination strontium vapour laser. // The 6th International Conference УAtomic and Molecular Pulsed LasersФ Conference Proceedings. Tomsk. Institute of Atmospheric Optics SB RAS. 2003. P.19-20.

44. Latush E.L., Prutsakov O.O., Chebotarev G.D. On the possibility of lasing on new transitions of Sr II under conditions of strongly non-stationary recombination kinetics. // The 6th International Conference УAtomic and Molecular Pulsed LasersФ Conference Proceedings. Tomsk. Institute of Atmospheric Optics SB RAS. 2003.

P.23-24.

45. Chebotarev G.D., Prutsakov O.O., Latush E.L. Mathematical modeling of ion recombination strontium vapour laser. // Proceedings of SPIE. 2004. V.5483, P.83-103.

46. Latush E.L., Prutsakov O.O., Chebotarev G.D. On the possibility of lasing on new transitions of Sr II under conditions of strongly non-stationary recombination kinetics. // Proceedings of SPIE. 2004. V.5483. P.120-124.

47. Чеботарев Г.Д., Латуш Е.Л., Гумберг С.В., Фесенко А.А. Исследование генерации на переходах NeI, KrII и CdII в продольных сегментированных разрядах типа положительный столб - двойной слой (ПС-ДС) и положительный столб - полый катод (ПС-РПК). // Тезисы докладов симпозиума УЛазеры на парах металловФ. Ростов-на-Дону. 2004. С.22-23.

48. Чеботарев Г.Д., Пруцаков О.О., Латуш Е.Л. Исследование радиальных неоднородностей активной среды рекомбинационного He-Sr лазера методом математического моделирования. // Тезисы докладов симпозиума УЛазеры на парах металловФ. Ростов-на-Дону. 2004. С.24-25.

49. Пруцаков О.О., Чеботарев Г.Д., Латуш Е.Л. Численная многопараметрическая оптимизация He-Sr рекомбинационного лазера. // Тезисы докладов симпозиума УЛазеры на парах металловФ. Ростов-на-Дону. 2004. С.26.

50. Пруцаков О.О., Чеботарев Г.Д., Латуш Е.Л. Математическое моделирование He-Ca рекомбинационного лазера. // Тезисы докладов симпозиума УЛазеры на парах металловФ. Ростов-на-Дону. 2004. С.27-28.

51. Чеботарев Г.Д., Пруцаков О.О., Латуш Е.Л. Критерии пространственной однородности катафорезных импульсно-периодических лазеров на парах металлов. // Тезисы докладов симпозиума УЛазеры на парах металловФ. Ростовна-Дону. 2004. С.29.

52. Чеботарев Г.Д., Пруцаков О.О., Латуш Е.Л. Критерии пространственной однородности активных сред катафорезных импульсно-периодических лазеров на парах металлов. // Квантовая электроника. 2005. Т. 35. №7, С.598-604.

53. Латуш Е.Л., Чеботарев Г.Д. Импульсно-периодические катафорезные лазеры. // В Энциклопедии низкотемпературной плазмы. / Под ред. В.Е. Фортова. Том XI-4. Газовые и плазменные лазеры. М.: Физматлит. 2005. С.468-470.

54. Chebotarev G.D., Latush E.L., Prutsakov O.O. He-Sr+(Ca+) recombination lasers:

review of the latest studies. // The 7th International Conference УAtomic and Molecular Pulsed LasersФ Conference Proceedings. Tomsk. Institute of Atmospheric Optics SB RAS. 2005. P.15.

55. Chebotarev G.D., Latush E.L., Prutsakov O.O. Study of contraction and discontraction processes in an active media of the He-Sr+ recombination laser. // The 7th International Conference УAtomic and Molecular Pulsed LasersФ Conference Proceedings. Tomsk. Institute of Atmospheric Optics SB RAS. 2005. P.48-49.

56. Чеботарев Г.Д., Пруцаков О.О., Латуш Е.Л. Исследование процессов контракции и расконтрагирования в активной среде рекомбинационного He-Sr+ лазера. // Оптика атмосферы и океана. 2006. Т.19. №2-3. С.113-120.

57. Чеботарев Г.Д., Фесенко А.А., Латуш Е.Л. Исследование возможностей повышения энергетических характеристик ионных рекомбинационных лазеров за счет увеличения давления активной среды. // Тезисы докладов симпозиума УЛазеры на парах металловФ. Ростов-на-Дону. 2006. С.27-29.

58. Чеботарев Г.Д., Фесенко А.А., Латуш Е.Л. Управление энергетическими характеристиками ионных рекомбинационных лазеров. // Тезисы докладов симпозиума УЛазеры на парах металловФ. Ростов-на-Дону. 2006. С.30-32.

59. Латуш Е.Л., Чеботарев Г.Д., Фесенко А.А. Исследование возможности повышения кпд и энергетических характеристик ионных рекомбинационных лазеров в режиме возбуждения пачками импульсов. // Тезисы докладов симпозиума УЛазеры на парах металловФ. Ростов-на-Дону. 2006. С.33-35.

60. Чеботарев Г.Д., Латуш Е.Л., Фесенко А.А. // Анализ возможности повышения пиковой мощности и укорочения импульсов генерации He-Sr+ лазера методом разгрузки резонатора. // Тезисы докладов симпозиума УЛазеры на парах металловФ. Ростов-на-Дону. 2006. С.36-38.

61. Фесенко А.А., Чеботарев Г.Д., Латуш Е.Л. Управление энергетическими характеристиками рекомбинационного He-Sr+ лазера при помощи дополнительного импульса тока. // Фундаментальные и прикладные проблемы современной техники: Сборник статей. Вып. 9. Изд. СКН - ВШ. Ростов-наДону. 2006. С.100-114.

62. Chebotarev G.D., Latush E.L., Fesenko A.A. Optimization and Controlling of Output Characteristics of The He-Sr+ (Ca+) Recombination Lasers. // The 8th International Conference УAtomic and Molecular Pulsed LasersФ Conference Abstracts. Tomsk. Institute of Atmospheric Optics SB RAS. 2007. P.20.

63. Soldatov A.N., Polunin Yu.P., Vasiljeva A.V., Chebotarev G.D., Latush E.L., Fesenko A.A. Opportunities to Increase PRR in SrVL. // The 8th International Conference УAtomic and Molecular Pulsed LasersФ Conference Abstracts. Tomsk.

Institute of Atmospheric Optics SB RAS. 2007. P.52.

64. Фесенко А.А., Чеботарев Г.Д., Латуш Е.Л. Энергетические характеристики рекомбинационных He-Sr+ лазеров. // Фундаментальные и прикладные проблемы современной техники: Сборник статей. вып. 10. Изд. СКН - ВШ ЮФУ. Ростов-на-Дону. 2007. С.118-131.

65. Баленко С.К., Шепеленко Е.Н., Рыбалкин В.П., Зинченко С.П., Латуш Е.Л., Чеботарев Г.Д., Брень В.А., Ткачев В.В., Алдошин С.М., Минкин В.И.

Структура и фотохромизм 2-метил-бензо[b]тиено[3,2-d]тиофен-3-ил фульгида в твердой фазе. // Тезисы докладов симпозиума УНанофотоникаФ. Черноголовка. 2007. С.41.

66. Зинченко С.П., Латуш Е.Л., Чеботарев Г.Д., Баленко С.К., Шепеленко Е.Н., Брень В.А., Минкин В.И. Фотохромные превращения под действием излучения импульсного рекомбинационного гелий-кальциевого лазера на длине волны 373,7 нм. // Сборник трудов симпозиума УЛазеры на парах металловФ, Ростов-на-Дону. 2008. С.36-37.

67. Солдатов А.Н., Юдин Н.А., Васильева А.В., Полунин Ю.П., Чеботарев Г.Д., Латуш Е.Л., Фесенко А.А. Условия одновременной генерации на самоограниченных и рекомбинационных переходах стронция. // Сборник трудов симпозиума УЛазеры на парах металловФ. Ростов-на-Дону. 2008. С.75.

68. Чеботарев Г.Д., Латуш Е.Л., Фесенко А.А. Анализ возможностей повышения энергетических характеристик ионных рекомбинационных лазеров при увеличении объема активной среды и частоты следования импульсов. // Сборник трудов симпозиума УЛазеры на парах металловФ. Ростов-на-Дону. 2008.

С.95-96.

69. Чеботарев Г.Д., Латуш Е.Л., Фесенко А.А. Оптимизация рекомбинационных He-Sr+(Ca+) лазеров по энерговкладу в активную среду. // Сборник трудов симпозиума УЛазеры на парах металловФ. Ростов-на-Дону. 2008. С.97-98.

70. Чеботарев Г.Д., Латуш Е.Л., Фесенко А.А. Возбуждение лазерно-активных сред в разрядных трубках с металлическими сегментами. // Сборник трудов симпозиума УЛазеры на парах металловФ. Ростов-на-Дону. 2008. С. 99-100.

71. Soldatov A.N., Yudin N.A., Polumin Yu.P., VasilТeva A.V., Tolstobrova A.O., Chebotarev G.D., Latush E.L., Fesenko A.A. Visualization of IR radiation of a strontium vapor laser. // Proceedings of the 9-th Russian-Chinese Symposium on Laser Physics and Laser Technologies. Tomsk. Russia. 2008. P.47-50.

72. Soldatov A.N., Yudin N.A., Vasilieva A.V., Polunin Yu.P., Chebotarev G.D., Latush E.L., Fesenko A.A. A laser on self-terminated strontium ion transitions with high pulse repetition frequency. // Proceedings of the 9-th Russian-Chinese Symposium on Laser Physics and Laser Technologies. Tomsk. Russia. 2008.

P.61-70.

73. Чеботарев Г.Д., Латуш Е.Л., Фесенко А.А. Исследование комбинированного разряда в трубке с металлическими сегментами как активной среды газоразрядных лазеров. // Известия Томского политехнического университета. 2008.

Т.313. №4. С.78-86.

74. Чеботарев Г.Д., Латуш Е.Л., Фесенко А.А. Оптимизация и управление выходными характеристиками He-Sr+(Ca+) рекомбинационных лазеров. // Оптика атмосферы и океана. 2008. Т.21. №8. С.682-690.

75. Солдатов А.Н., Юдин Н.А., Васильева А.В., Полунин Ю.П., Латуш Е.Л., Чеботарев Г.Д., Фесенко А.А. О предельной частоте следования импульсов генерации самоограниченного He-Sr+ лазера. // Оптика атмосферы и океана.

2008. Т.21. №8. С.696-699.

76. Чеботарев Г.Д., Латуш Е.Л., Пруцаков О.О., Фесенко А.А. Кинетика активной среды рекомбинационного He-Sr+ лазера. I. Пространственно-временные характеристики. // Квантовая электроника. 2008. Т.38. №4. С.299-308.

77. Чеботарев Г.Д., Латуш Е.Л., Фесенко А.А. Кинетика активной среды рекомбинационного He-Sr+ лазера. II. Достижимые энергетические характеристики. // Квантовая электроника. 2008. Т.38. №4. С.309-318.

78. Солдатов А.Н., Юдин Н.А., Васильева А.В., Полунин Ю.П., Чеботарев Г.Д., Латуш Е.Л., Фесенко А.А. О предельной частоте следования импульсов генерации ионного самоограниченного лазера на парах стронция. // Квантовая электроника. 2008. Т.38. №11. С.1009-1015.

Авторефераты по всем темам >> Авторефераты по физике

Blog

КИНЕТИКА АКТИВНЫХ СРЕД РЕКОМБИНАЦИОННЫХ ГАЗОРАЗРЯДНЫХ ЛАЗЕРОВ