ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛАЗЕРА НА ПАРАХ СТРОНЦИЯ ПРИ ГАЗОРАЗРЯДНОМ СПОСОБЕ ВОЗБУЖДЕНИЯ
|
ВВЕДЕНИЕ 4
Глава1. Лазеры на самоограниченных переходах (Аналитический обзор лите
ратуры) 7
1.1. Накачка и инверсия в период ионизационной неравновесности плазмы 7
1.2. Предельные параметры лазеров 7
1.3. Конструкция газоразрядных трубок лазера на парах металлов 13
1.3.1. Материалы и требования к ним 14
1.3.2. Этапы обезгаживания 16
1.3.3. Загрузка рабочего металла 17
1.3.4. Процесс тренировки газоразрядной трубки 17
1.4. Энергетические характеристики лазера на парах стронция 18
1.4.1. Особенность формирования инверсии населенностей на самоограни
ченных ИК-переходах щелочноземельных металлов 19
1.4.2. Частотно-энергетические характеристики генерации 21
1.4.2.1. Объемное масштабирование лазера на парах стронция 21
1.4.2.2. Предельная частота следования импульсов генерации лазера на
самоограниченных переходах атома и иона стронция 23
1.4.3. Спектроскопическая диагностика активной среды лазера
на парах стронция 24
1.5. Процессы, ограничивающие энергетические характеристики генерации ЛПМ
при газоразрядном способе возбуждения 27
1.5.1. Газоразрядные трубки с электродами расположенными в горячей зоне раз
рядного канала 28
1.5.2. Газоразрядные трубки с электродами расположенными в холодных буфер
ных зонах 29
Выводы 31
Глава II. Влияние разряда на энергетические характеристики лазеров на парах металлов 33
2.1. Г азоразрядные трубки с электродами, расположенными в холодных буфер
ных зонах 33
2.1.1 Анализ процессов в разрядном контуре и механизм их влияния на ЧЭХ ЛПМ 33
2.1.2 Условия нейтрализации воздействия “негативных” процессов на ЧЭХ ЛПМ 39
2.2. Газоразрядные трубки с электродами в горячей зоне разрядного канала.
43
2.3. Эффективность накачки в условиях распределенных параметров импеданса
ГРТ 46
Выводы 52
Глава III. Способы реализации энергетического потенциала ЛПМ 53
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 58
ЛИТЕРАТУРА 60
Глава1. Лазеры на самоограниченных переходах (Аналитический обзор лите
ратуры) 7
1.1. Накачка и инверсия в период ионизационной неравновесности плазмы 7
1.2. Предельные параметры лазеров 7
1.3. Конструкция газоразрядных трубок лазера на парах металлов 13
1.3.1. Материалы и требования к ним 14
1.3.2. Этапы обезгаживания 16
1.3.3. Загрузка рабочего металла 17
1.3.4. Процесс тренировки газоразрядной трубки 17
1.4. Энергетические характеристики лазера на парах стронция 18
1.4.1. Особенность формирования инверсии населенностей на самоограни
ченных ИК-переходах щелочноземельных металлов 19
1.4.2. Частотно-энергетические характеристики генерации 21
1.4.2.1. Объемное масштабирование лазера на парах стронция 21
1.4.2.2. Предельная частота следования импульсов генерации лазера на
самоограниченных переходах атома и иона стронция 23
1.4.3. Спектроскопическая диагностика активной среды лазера
на парах стронция 24
1.5. Процессы, ограничивающие энергетические характеристики генерации ЛПМ
при газоразрядном способе возбуждения 27
1.5.1. Газоразрядные трубки с электродами расположенными в горячей зоне раз
рядного канала 28
1.5.2. Газоразрядные трубки с электродами расположенными в холодных буфер
ных зонах 29
Выводы 31
Глава II. Влияние разряда на энергетические характеристики лазеров на парах металлов 33
2.1. Г азоразрядные трубки с электродами, расположенными в холодных буфер
ных зонах 33
2.1.1 Анализ процессов в разрядном контуре и механизм их влияния на ЧЭХ ЛПМ 33
2.1.2 Условия нейтрализации воздействия “негативных” процессов на ЧЭХ ЛПМ 39
2.2. Газоразрядные трубки с электродами в горячей зоне разрядного канала.
43
2.3. Эффективность накачки в условиях распределенных параметров импеданса
ГРТ 46
Выводы 52
Глава III. Способы реализации энергетического потенциала ЛПМ 53
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 58
ЛИТЕРАТУРА 60
Тенденции развития лазеров на самоограниченных переходах атомов металлов (ЛПМ), к которым относится лазер на парах стронция, показывают, что на сегодняшний день им нет альтернативы в качестве источников видимого и инфракрасного излучения в нанотехнологиях, для скоростной прецизионной обработки материалов, для накачки различного типа источников когерентного излучения с перестраиваемой частотой в комплексах по лазерному разделению изотопов, в медицинских системах фотодинамической терапии. Однако расширение областей их использования сдерживается значительной дороговизной лазерного излучения из- за низкой эффективности- 1%, что в свою очередь тормозит развитие и прогресс иных областей науки и техники. Соответственно, решение фундаментальной проблемы, связанной с экспериментальным и теоретическим поиском возможностей реализации энергетического потенциала ЛПМ и повышение его эффективности на порядок до прогнозируемого уровня - 10% [1] является актуальной задачей.
Целью настоящей работы является снижение энергозатрат на формирование инверсии населенности в лазерах на парах стронция.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1) Изучить современное состояние исследований по данной научной проблеме (аналитический обзор литературы).
2) Используя эквивалентную схему разрядного контура лазера выявить процессы, негативно влияющие на энергетические характеристики генерации.
3) Разработать технические решения, позволяющие устранить выявленные ограничения.
Основные Методы исследования:
Анализ переходных процессов в эквивалентных электрических схемах разрядного контура лазера.
Специальные термины: Холодные буферные зоны (ХБЗ), отсечка, “пробой”.
При решении поставленных задач предполагается использовать электрофизический подход к оценке возможности реализации энергетического потенциала ЛПМ. Это обусловлено тем, что условие эффективной накачки сформулированы как электрофизические параметры импульса возбуждения и указывают, что для эффективной накачки необходимо формировать импульс возбуждения с крутым фронтом, длительностью импульса соизмеримой со временем существования инверсии [1].
Объект исследования: Разрядный контур и активная среда лазеров на парах стронция и электрофизические процессы происходящие в них.
Предмет исследования: Описание процессов в разрядном контуре на основе электрофизической модели, представление о механизмах газового разряда.
Положения, выносимые на защиту:
1) Паразитный энерговклад в активную среду лазеров на парах металлов устраним за счет выключения из схемы накачки накопительной емкости сразу после зарядки емкостных составляющих разрядного контура лазера при условии их резонансной зарядки от накопительного конденсатора и устранении во время зарядки их шунтирования со стороны анода в ГРТ с электродами, расположенными в холодной буферной зоне.
2) В ГРТ с электродами, расположенными в горячей зоне разрядного канала, неоптимальное перераспределение электрического потенциала между положительным столбом разряда и катодной областью обусловлено недостаточным прогревом катода ГРТ, что устранимо введением в конструкцию ГРТ дополнительного электрода, обеспечивающего разряд между ним и катодом.
Достоверность:
1) Достоверность первого положения подтверждена результатами моделирования условий технической реализации “отсечки” третьего контура накачки и экспериментально .
2) Достоверность второго положения подтверждается результатами моделирования и экспериментальными данными.
Научная новизна:
Новизна научных положений выносимых на защиту заключается в том что было предложено рассматривать электрофизические процессы в лазере в зависимости от того внесены ли электроды в горячую зону разрядного канала ГРТ или вынесены в холодные буферные зоны.
Научная ценность:
1) Научная ценность первого научного положения, выносимого на защиту, заключается в том, что оно раскрывает механизм формирования инверсии в ГРТ с электродами расположенными в ХБЗ.
2) Научная ценность второго научного положения, выносимого на защиту, заключается в том, что оно раскрывает физический механизм негативного влияния перераспределения потенциала между катодной областью и положительным столбом разряда на КПД лазера.
Практическая значимость:
1) Практическая значимость первого научного положения, выносимого на защиту, заключается в том, что оно указывает на причину снижения КПД лазера; предлагает техническое решение снижения паразитного энерговклада.
2) Практическая значимость второго научного положения, выносимого на защиту, заключается в том, что раскрывается причина снижения КПД лазера; предложено техническое решение, позволяющее повысить КПД лазера.
Целью настоящей работы является снижение энергозатрат на формирование инверсии населенности в лазерах на парах стронция.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1) Изучить современное состояние исследований по данной научной проблеме (аналитический обзор литературы).
2) Используя эквивалентную схему разрядного контура лазера выявить процессы, негативно влияющие на энергетические характеристики генерации.
3) Разработать технические решения, позволяющие устранить выявленные ограничения.
Основные Методы исследования:
Анализ переходных процессов в эквивалентных электрических схемах разрядного контура лазера.
Специальные термины: Холодные буферные зоны (ХБЗ), отсечка, “пробой”.
При решении поставленных задач предполагается использовать электрофизический подход к оценке возможности реализации энергетического потенциала ЛПМ. Это обусловлено тем, что условие эффективной накачки сформулированы как электрофизические параметры импульса возбуждения и указывают, что для эффективной накачки необходимо формировать импульс возбуждения с крутым фронтом, длительностью импульса соизмеримой со временем существования инверсии [1].
Объект исследования: Разрядный контур и активная среда лазеров на парах стронция и электрофизические процессы происходящие в них.
Предмет исследования: Описание процессов в разрядном контуре на основе электрофизической модели, представление о механизмах газового разряда.
Положения, выносимые на защиту:
1) Паразитный энерговклад в активную среду лазеров на парах металлов устраним за счет выключения из схемы накачки накопительной емкости сразу после зарядки емкостных составляющих разрядного контура лазера при условии их резонансной зарядки от накопительного конденсатора и устранении во время зарядки их шунтирования со стороны анода в ГРТ с электродами, расположенными в холодной буферной зоне.
2) В ГРТ с электродами, расположенными в горячей зоне разрядного канала, неоптимальное перераспределение электрического потенциала между положительным столбом разряда и катодной областью обусловлено недостаточным прогревом катода ГРТ, что устранимо введением в конструкцию ГРТ дополнительного электрода, обеспечивающего разряд между ним и катодом.
Достоверность:
1) Достоверность первого положения подтверждена результатами моделирования условий технической реализации “отсечки” третьего контура накачки и экспериментально .
2) Достоверность второго положения подтверждается результатами моделирования и экспериментальными данными.
Научная новизна:
Новизна научных положений выносимых на защиту заключается в том что было предложено рассматривать электрофизические процессы в лазере в зависимости от того внесены ли электроды в горячую зону разрядного канала ГРТ или вынесены в холодные буферные зоны.
Научная ценность:
1) Научная ценность первого научного положения, выносимого на защиту, заключается в том, что оно раскрывает механизм формирования инверсии в ГРТ с электродами расположенными в ХБЗ.
2) Научная ценность второго научного положения, выносимого на защиту, заключается в том, что оно раскрывает физический механизм негативного влияния перераспределения потенциала между катодной областью и положительным столбом разряда на КПД лазера.
Практическая значимость:
1) Практическая значимость первого научного положения, выносимого на защиту, заключается в том, что оно указывает на причину снижения КПД лазера; предлагает техническое решение снижения паразитного энерговклада.
2) Практическая значимость второго научного положения, выносимого на защиту, заключается в том, что раскрывается причина снижения КПД лазера; предложено техническое решение, позволяющее повысить КПД лазера.
1) Ограничение ЧЭХ ЛПМ обусловлено шунтированием емкостных составляющих разрядного контура со стороны анода ГРТ во время их зарядки от накопительного конденсатора в условиях неполной рекомбинации плазмы в ХБЗ. Это приводит к снижению напряжения на активной среде во время накачки и, как следствие, обуславливает перераспределение скоростей заселения лазерных уровней в пользу ме- тастабильных с ростом ЧСИ возбуждения. При этом накачка активной среды ЛПМ осуществляется вторым контуром возбуждения, энерговклад от которого составляет ~ 10% от общего энерговклада в активную среду, что определяет низкий практический КПД ЛПМ.
2) Используя управляемый коммутатор, который должен закрываться после зарядки емкостных составляющих разрядного контура лазера, можно повысить эффективность накачки до прогнозируемых значений при резонансной зарядке емкостных составляющих от накопительного конденсатора и условии устранения их шунтирования со стороны анода ГРТ во время зарядки.
3) Введение электродов в горячую зону ГРТ приводит к шунтированию холодных буферных зон и устраняет подготовительный этап в накачке активной среды. В этом случае можно использовать в качестве накопительного конденсатора обостряющую емкость и получить тот же результат по эффективности накачки с меньшими энергозатратами, т.е. с такой конструкцией ГРТ должен реализовываться более высокий практический КПД ЛПМ.
4) Причиной ограничения энергетических характеристик является заселение мета- стабильных состояний на фронте импульса возбуждения, когда импеданс разрядного контура лазера имеет сосредоточенные параметры. При этом заселение метаста- бильных состояний на фронте импульса возбуждения обусловлено не только электрофизическим процессом в разрядном контуре лазера, но и процессом развития разряда в ГРТ. Обострить фронт нарастания напряжения можно при условии обеспечения термоэмиссии электронов с катода ГРТ и использовании высокоскоростных коммутаторов.
5) Накачка активной среды в газоразрядных трубках с электродами расположенными в горячей зоне разрядного канала в сочетании с псевдоискровыми разрядниками может осуществляться в условиях распределенных параметров электрической цепи. В этом случае развитие разряда в активной среде реализуется в виде высокоскоростной волны ионизации, на фронте которой осуществляется накачка активной среды. При этом более высокая эффективность накачки реализуется при формировании обратной высокоскоростной волны ионизации.
6) Электрофизический подход к оценке условий эффективной накачки позволил определить возможные технические решения для реализации энергетического потенциала ЛПМ, что определяет необходимость проведения дальнейших исследований.
Данное научное исследование выполнено при поддержке Программы «Научный фонд ТГУ им. Д.И. Менделеева» в 2015 г. (проект № 8.
2) Используя управляемый коммутатор, который должен закрываться после зарядки емкостных составляющих разрядного контура лазера, можно повысить эффективность накачки до прогнозируемых значений при резонансной зарядке емкостных составляющих от накопительного конденсатора и условии устранения их шунтирования со стороны анода ГРТ во время зарядки.
3) Введение электродов в горячую зону ГРТ приводит к шунтированию холодных буферных зон и устраняет подготовительный этап в накачке активной среды. В этом случае можно использовать в качестве накопительного конденсатора обостряющую емкость и получить тот же результат по эффективности накачки с меньшими энергозатратами, т.е. с такой конструкцией ГРТ должен реализовываться более высокий практический КПД ЛПМ.
4) Причиной ограничения энергетических характеристик является заселение мета- стабильных состояний на фронте импульса возбуждения, когда импеданс разрядного контура лазера имеет сосредоточенные параметры. При этом заселение метаста- бильных состояний на фронте импульса возбуждения обусловлено не только электрофизическим процессом в разрядном контуре лазера, но и процессом развития разряда в ГРТ. Обострить фронт нарастания напряжения можно при условии обеспечения термоэмиссии электронов с катода ГРТ и использовании высокоскоростных коммутаторов.
5) Накачка активной среды в газоразрядных трубках с электродами расположенными в горячей зоне разрядного канала в сочетании с псевдоискровыми разрядниками может осуществляться в условиях распределенных параметров электрической цепи. В этом случае развитие разряда в активной среде реализуется в виде высокоскоростной волны ионизации, на фронте которой осуществляется накачка активной среды. При этом более высокая эффективность накачки реализуется при формировании обратной высокоскоростной волны ионизации.
6) Электрофизический подход к оценке условий эффективной накачки позволил определить возможные технические решения для реализации энергетического потенциала ЛПМ, что определяет необходимость проведения дальнейших исследований.
Данное научное исследование выполнено при поддержке Программы «Научный фонд ТГУ им. Д.И. Менделеева» в 2015 г. (проект № 8.
