Научная статья на тему 'Механизмы влияния примесей галогенводородов на генерационные характеристики лазера на парах меди'

Механизмы влияния примесей галогенводородов на генерационные характеристики лазера на парах меди Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
218
43
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Жданеев О. В., Евтушенко Г. С.

Проведена систематизация и обобщение имеющихся на данных момент сведений о механизмах влияния примесей галогенво-дородов (НВr, НCI) на кинетику активной среды лазера на парах меди (ЛПМ). Проводится анализ имеющихся отличий влияния молекул НCI и НВr на генерационные характеристики лазера на парах меди. Сделан вывод о том, что кинетика лазеров на парах меди с добавками электроотрицательных газов изучена недостаточно и существует необходимость проведения дополнительных теоретических и экспериментальных исследований данного типа лазеров.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Жданеев О. В., Евтушенко Г. С.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

MECHANISMS OF INFLUENCE OF HALOGENHYDROGENS IMPURITIES ON GENERATIVE CHARACTERISTICS OF Cu-VAPOR LASER

The papergives systematization and generalization of up-to-date information on mechanisms of influence of halogenhydrogens impurities (HBr, HCI) on kinetics of active medium of Cu-vapor laser. It analyses the differences of influence of HBr, HCI molecules on generative characteristics of Cu-vapor lasers. The work states that kinetics of Cu-vapor lasers is not studied quite well and it is necessary to carry out additional theoretical and experimental research of these lasers.

Текст научной работы на тему «Механизмы влияния примесей галогенводородов на генерационные характеристики лазера на парах меди»

УДК621.373.826

МЕХАНИЗМЫ ВЛИЯНИЯ ПРИМЕСЕЙ ГАЛОГЕНВОДОРОДОВ НА ГЕНЕРАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛАЗЕРА НА ПАРАХ МЕДИ

О.В. Жданеев*, Г.С. Евтушенко**

•Институт оптики атмосферы СО РАН, г. Томск, **Томский политехнический университет

Тел.: (382-2М19-869

Проведена систематизация и обобщение имеющихся на данных момент сведений о механизмах влияния примесей галогенво-дородов (НВг, HCl) на кинетику активной среды лазера на парах меди (ЛПМ). Проводится анализ имеющихся отличий влияния молекул HCI и НВт на генерационные характеристики лазера на парах меди. Сделан вывод о том, что кинетика лазеров на парах меди с добавками электроотрицательных газов изучена недостаточно и существует необходимость проведения дополнительных теоретических и экспериментальных исследований данного типа лазеров.

Введение

В настоящее время внимание исследователей и разработчиков лазеров на парах металлов (ЛПМ) уделяется не столько традиционному лазеру на парах меди, сколько его различным модификациям, содержащим в активной среде, наряду с буферным газом неоном, различные галогеносодержащие молекулы (НВг, НС1) [1-3]. Это лазеры на парах бромида и хлорида меди с примесью водорода и гало-генводорода, лазеры на парах меди с добавками НВг и НС1. Данные добавки модифицируют кинетику разряда благоприятным для повышения генерационных характеристик образом. Введение добавок галогенводородов позволило получить увеличение средней мощности излучения в несколько раз при одновременном повышении эффективности генерации и оптимальной частоты следования импульсов возбуждения [4-8]. Значительно повышается и качество выходного излучения (особенно важный параметр в системах генератор-усилитель), которое является неоспоримым преимуществом газовых лазеров [9]. Наличие в разряде электроотрицательных примесей существенно влияет на кинетику плазмы активной среды лазера, как в течение импульса возбуждения, так и в послесвечении [5-22].

Важнейшими преимуществами лазеров, имеющих в активной среде примесь галогенводородов, являются следующие:

- Выходные характеристики этих лазеров не уступают, а в отдельных случаях превосходят, ЛПМ. В частности, лучшие генерационные характеристики для импульсно-периодических лазеров видимого диапазона спектра получены для лазера на бромиде меди и его аналога - гибридного лазера (CuHyBrID-laser). Так, эффективность лазеров превысила 3 %, при высокой средней мощности (более 100 Вт) и удельной (с единицы объема) мощности (до 2 Вт/см3) - Н. Саботинов (Болгария) и К. Литтл (Великобритания), с соавторами - 1997-2000 гг. [23]. Для лазера на парах бромида меди достигнута самая высокая частота повторения импульсов генерации - 300 кГц [24].

- Как показали исследования характеристик разряда и кинетики, выполненные группой проф.

Г. Петраша (ФИАН, совместное группой К. Литтла), проф. Д. Пайпера (с соавторами - Макуо-ри Университет, Австралия), наличие в активной среде электроотрицательных ионов молекул НВг (НС1) приводит к изменению кинетики активной среды в сторону, благоприятную для накачки рабочих состояний.

На данный момент отсутствуют работы, посвященные систематизации и обобщению имеющихся механизмов влияния примесей галогенводородов (НВг, НС1) на кинетику активной среды лазера на парах меди. Этим вопросам и посвящена статья.

Механизмы влияния примеси хлорводорода на генерационные характеристики ЛПМ

В этом разделе приводится перечень известных авторам механизмов влияния добавок хлорводорода на совокупность процессов, протекающих как в разрядном контуре, так и в активной среде лазера в течение импульса возбуждения и в период послесвечения.

1. Главное изменение в кинетике при введении примеси НС1 заключается в увеличении скорости спада концентрации электронов в течение межимпульсного периода вследствие протекания реакций диссоциативного присоединения к колебательно возбужденным молекулам хлорводорода, что ведет к уменьшению предымпульс-ной концентрации электронов, создавая более благоприятные условия работы устройства [9-16].

2. По сравнению со стандартным ЛПМ уменьшается плазменный скин-эффект, определяющий развитие радиального электрического поля, что улучшает качество выходного пучка в 5... 10 раз. К этому же эффекту приводит сдвиг "центра тяжести" импульса генерации к концу импульса одновременно с уменьшением его "колебательной структуры" [9-13,15,16].

3. При добавлении в активную среду НС1 увеличивается сопротивление плазмы в течение импульса возбуждения вследствие изменения предым-пульсной концентрации электронов. Это приводит к снижению максимального значения тока через газоразрядную трубку (ГРТ) при его ярко

выраженном колебательном поведении [10— 13,16].

4. Введение примеси хлорводорода сопровождается увеличением концентрации атомов меди в активной среде, однако это не обеспечивает наблюдаемого увеличения средней мощности генерации [11-13].

5. Из результатов моделирования [12, 13] следует, что наблюдается увеличение максимальной температуры электронов, причем длительность интервала, в течение которого энергия электронов остается выше уровня 3 эВ (именно в этот период осуществляется интенсивная накачка резонансных уровней), увеличивается, что ведет к увеличению длительности импульса генерации.

6. Замедляется спад температуры в начальной стадии послесвечения, что происходит вследствие падения количества кулоновских столкновений (типа е + А+), из-за быстрой нейтрализации положительно заряженных ионов меди отрицательными ионами хлора [13].

7. Уменьшается истощение концентрации атомов меди в активной среде при одновременном значительном увеличении скорости восстановления населенности основного состояния в межим-пульсный период [13].

8. Замедляется тушение метастабильных уровней атома меди в течение начального этапа межим-пульсного периода вследствие снижения концентрации электронов, что приводит к снижению эффективности процесса электронного девозбуждения [13, 14].

9. Потери энергии электронов, в столкновениях с хлорсодержащими элементами, незначительны по сравнению с потерями в столкновениях с компонентами меди, водорода и неона, т.е. столкновения электронов с HCl, CI, Cb, CuCl не оказывают заметного влияния на температуру электронов [13].

10. В течение импульса возбуждения влияние примеси HCl на кинетику активной среды вследствие низкой концентрации мало [13,14]. Основные процессы, приводящие к изменениям в кинетике разряда (и генерации лазера) при введении примеси хлорводорода, представлены в табл. 1.

Механизмы влияния примеси бромводрода на генерационные характеристики ЛПМ

В данном пункте мы приводим список возможных механизмов влияния добавок бромводорода на процессы в электрической схеме возбуждения и в плазме газоразрядной трубки в течение импульса возбуждения и в межимпульсный период.

1. Главный механизм улучшения состоит в том, что вследствие диссоциативного присоединения к молекулам НВг в течение межимпульсного периода и в начале импульса возбуждения проис-

ходит эффективное удаление электронов из активной среды [12, 19] и увеличение задержки между импульсами тока и напряжения на ГРТ [12,17,18,21,22]. Вместе с тем, в работе [20] сообщается, что в присутствии примеси НВг увеличивается максимальная концентрация электронов.

2. Для эффективной работы примеси НВг, вследствие низкой скорости реассоциации необходима высокая скорость прокачки [12, 21].

3. Добавление НВг ведет к увеличению максимального напряжения при одновременном снижении тока через ГРТ вследствие уменьшения проводимости плазмы [12,17,18, 21, 22].

4. Наблюдается более быстрое восстановление концентрации атомов меди в основном состоянии на оси ГРТ, в несколько раз большее, чем для лазера с буферными смесями Ne-H2HNe|15, 18].

5. Относительно изменений населенностей уровней атома меди имеются противоречивые данные. В частности, в работе [18] отмечается, что существенных изменений населенностей метастабильных, резонансных и основного уровней атома меди не происходит, однако в работах [15, 18,20] приводятся данные о том, что:

5.1.Функционирование лазера с добавками НВг происходит при более высоких плотностях меди, чем для стандартного ЛПМ [15].

5.2.Изменяется скорость распада и радиальное распределение концентрации атомов меди в мета-стабильном состоянии [17].

5.3.В работе [20] отмечается, что введение в активную среду НВг сопровождается снижением концентрации меди на оси ГРТ.

6. Существуют разные точки зрения относительно влияния добавок бромводорода на температуру газа:

6.1.В работе [17] отмечается, что изменения радиального профиля газовой температуры малы.

6.2.В тоже время в [15, 21] приводятся сведения об увеличении температуры стенки ГРТ и увеличении порога тепловой устойчивости.

6.3.В работе [20] сообщается, что происходит снижение температуры газа на оси ГРТ при добавлении НВг.

7. Введение примеси бромводорода увеличивает длительность, изменяет форму импульса, что приводит к улучшению качества лазерного пучка - "beam quality" [12, 17, 21].

8. В работе [17] высказывается предположение о том, что улучшение генерационных характеристик связано с образованием в активной среде лазера отрицательных ионов водорода.

9. Согласно гипотезе авторов [19], введение примеси НВг модифицирует функцию распределения электронов по энергии таким образом, что

создаются более благоприятные условия для работы лазера.

10. В работе [21] высказывается мнение о том, что в отпаянном варианте Cu-HBr лазера вследствие значительной степени диссоциации НВг улучшение генерационных характеристик не может быть объяснено механизмом диссоциативного присоединения.

Процессы, приводящие к изменениям в кинетике разряда и генерации Си-лазера при введении примеси бромводорода, представлены в табл. 2.

Основные отличия в кинетике активных сред, содержащих НВг и HCI

В данном разделе суммированы имеющиеся в литературе сведения о различиях в кинетике активных сред, генерирующих на переходах атома меди и содержащих в качестве активных примесей (к основному буферному газу неону) молекулы хлорво-дорода и бромводорода. Резюмируя, можно заключить, что:

1. Степень влияния указанных выше добавок на межимпульсную релаксацию температуры и концентрации электронов в течение импульса возбуждения различна. Предымпульсная проводимость плазмы Cu-HCl-Ne-лазера значительно выше, чем у Cu-HBr-Ne-лазера [11, 25].

2. Оптимальная концентрация добавок НВг в плазму лазера на парах меди с буферным газом неоном существенно выше по сравнению с добавками НС1. Для эффективной работы примеси НВг, в отличие от НС1, необходима более высокая скорость прокачки. Это связано с тем, что процесс восстановления молекул НС1 в объеме плазмы при рабочих температурах (свыше 1000 К), протекает более эффективно, чем молекул НВг [10-12, 21].

3. Мощность и эффективность лазера на парах бромида меди с добавками водорода к буферному газу неону приблизительно на треть выше аналогичных параметров для CuCl-Hj-Ne-лазера [10,11].

Заключение

Анализ имеющихся литературных данных, относящихся к исследованию влияния добавок как НВг, так и НС1 на генерационные характеристики лазера на парах меди показывает, что введение малых добавок этих примесей в активную среду приводит к существенному улучшению выходных параметров лазерного излучения (мощность, КПД, качество излучения). В отличие от лазеров на парах чистых

металлов, для накачки ЛПМ с активными добавками, а также лазеров на парах галогенидов металлов, требования к импульсу накачки оказываются менее жесткими. Это позволяет реализовать более эффективную генерацию с высокой частотой следования не только на основных переходах металлов, лежащих в зелено-красной и ближней ИК-областях спектра, но и на более слабых - в голубой и ближней УФ-областях. Об этом свидетельствуют данные К. Литтла [23], Н. Саботинова с соавторами [22] и наши последние эксперименты с РЬВг2-лазером [26]. Вместе с тем, анализ выдвинутых предположений и выводов различных авторов относительно механизмов влияния галогенводородов на выходные параметры лазера свидетельствует об отсутствии единого мнения. Это требует проведения дополнительных комплексных исследований лазера на парах меди (и других металлов) с активными добавками в разряд, включающих компьютерное моделирование и реальный эксперимент.

Таблица 1. Основные процессы, приводящие к изменениям в кинетике, вызванные введением примеси НО. Те ~ температура иЫе~ концентрация электронов, ЫСи, - концентрации ато-

мов меди в основном, нижнем и верхнем рабочем состояниях. Значки ], и | - показывают тенденцию к уменьшению и увеличению, соответственно.

Процесс Изменения в кинетике

HCl (v=0) + е -» HCl (v*0) + е iT,

С1 + 2-е —> С1 + е iN,

НС1 (у) + 2-е->СГ + Н + е lNe

Cu + HCl (v) -> CuCl + e 'l' Neu

Cu+ + СГ -> Cu (P) + CI T Ac.uiPt

Cu (D) + CI —> CuCl + e 'l'Akua», 'l'Ncum

Cu (D) + H? (v) -> CuH + H 'l'^CuiDli ^ A/cufPl

Cu (D) + HCl (v-0) -> Cu + HCl 0*3) 'l'Ncu(D)

Таблица 2. Основные процессы, приводящие к изменениям в кинетике, вызванные введением примеси НВг

Процесс Изменения в кинетике

HBr (v=0) + e —> HBr (v*0) + e 1те

Br + 2-e -» Br' + e i Ne

HBr (v) + 2-e -»Br' + H + e lNe

Cu + HBr (v) -» CuBr + e iNCu

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Atomic and Molecular Pulsed Lasers: Abstract of 5th Int. Conf. - Tomsk, Russia, 2001. - P. 21-36.

2. Gas How and Chemical Lasers and High Power Laser Conference: Digest of 14th Int. Symp. On. - Poland, 2002.

- P. QR25-OR30.

3. Лазеры на парах металлов: Тезисы докл. симп. - Ро-стов-на-Дону, 2002. - 75 с.

4. Батенин В.М., Бучанов В.В., Казарян МА., Климов-ский И.И., Молодых Э.И. Лазеры на самоограничен-ных переходах атомов металлов. - М.: Научная книга, 1998. - 544 с.

5. Jones D.R., Maitland A., Little С.Е. A high efficiency 200 W average power copper HyBrlD laser// IEEE Q.E.

- 1994. - Vol. 30. - P. 2385-2390.

6. Withford M.J., Brown D.J.W., Carman R.J., Piper J.A. Enhanced performance of elemental copper-vapour lasers by use of H2-HCl-Ne buffer gas mixtures // Optics Letters.

- 1998. - Vol. 23. - № 9. - P. 706-708.

7. Jones D.R., Little C.E. Kinetics of copper HyBrlD lasers // Proc. SPIE. - 1995. - Vol. 2619. - P. 52-67.

8. Земсков К.И., Исаев А.А., Петраш Г.Г. Роль отрицательных ионов в плазме импульсных лазеров на парах металлов и их соединений // Квантовая электроника. - 1997. - Т. 24. - № 7. - С. 596-600.

9. Brown D.J.W., Withford М J. and Piper J.A. High-power, high-brightness master-oscillator power-amplifier copper laser system based on kinetically enhanced active elements // IEEE Q.E. - 2001. - Vol. 37. - P. 518-524.

10. Sabotinov N.V., Vuchkov N.K., Astadjov D.N. Effect of hydrogen in the CuBr- and CuCl-vapour lasers // Optics comm. - 1993. - Vol. 95. - P. 55-56.

11. Mildren R.P., Osgood K.E., Piper J.A. Characteristics of copper HyBrlD-type lasers which use HC1 reactive gas // Opt. and quantum electronics. - 1997. - Vol. 29. - P. 991-998.

12. Withford M.J., Brown D.J.W., Carman R.J., Piper J.A. Kinetically enhanced copper vapour lasers employing H2-HCl-Ne buffer gas mixtures // Optics comm. - 1998. -Vol. 154. - P. 160-166.

13. Carman R.J., Mildren R.P., Withford M.J., Brown D.J.W. and Piper J.A. Modeling the plasma kinetics in a kinetically enhanced copper vapour laser utilizing HC1+H2 admixtures // IEEE Q.E. - 2000. - Vol. 36. -P. 438-449.

14. Carman R.J., Mildren R.P., Piper J.A., Marshall G.D., Coutts D.W. Plasma kinetics issues for repetition rate scaling of kinetically enhanced copper vapour lasers // Proc. SPIE. - 2001. - Vol. 4184. - P. 215-218.

15. Mildren R.P., Withford M.J., Brown D.J.W., Carman R.J. and Piper J.A. Afterglow ground-state copper density behavior in kinetically enhanced copper vapor lasers // IEEE Q.E. - 1998. - Vol. 34. - № 12. - P. 2275-2278.

16. Marshall G.D., Coutts D.W. Repetition rate scaling up to 100 kHz of a small-scale (50W) kinetically enhanced copper vapour laser// IEEE J. of sel. Topics in Quantum Electronics. - 2000. - Vol. 6. - № 4. - P. 623-628.

17. Astadjov D.N., Vuchkov N.K., SabotinovN.V. Parametric study of the CuBr laser with hydrogen additives// IEEE Q.E. - 1988. - Vol. 24. - № 9. - P. 1927-1935.

18. Astadjov D.N., Isaev A. A., Petrash G.G., Ponomarev I.V., Sabotinov N.V., Vuchkov NX Temporal and radial evolution of the populations of Cul in the CuBr vapor laser // IEEE Q.E. - 1992. - Vol. 28. - № 10. - P. 1966-1969.

19. Isaev A.A., Jones D.R., Little C.E., Petrash G.G., Whyte C.G., Zemskov K.I. Characteristics of pulsed discharges in copper bromide and copper HyBrlD lasers // IEEE Q.E. - 1997. - Vol. 33. - № 6. - P. 919-926.

20. Chang C., Sun W. Effect of additive hydrogen on kinetics mechanisms of CuBr lasers // Optics comm. - 1995. -Vol. 117.-P. 357-366.

21. Withford M.J., Brown D.J.W., Carman R.J., Piper J.A. Investigation of the effects of bromine and hydrogen bromide additives on copper vapour laser performance // Optics comm. - 1997. - Vol. 135. - P. 164-170.

22. Vuchkov N.K., Astadjov D.N., Sabotinov N.V. Influence of the excitation circuits on the CuBr laser performance // IEEE Q.E. - 1994. - Vol. 30. - № 3. - P. 750-758.

23. Little K. Metal Vapour Lasers. - John Willey & Sons, London, 1999. - 620 p.

24. Евтушенко Г.С., Петраш Г.Г., Суханов В.Б., Федоров В.Ф. CuBr-лазер частотой следования импульсов до 300 кГц // Квантовая электроника. - 1999. - Т. 28. -№ 3. - С. 220-222.

25. Шиянов Д.В., Евтушенко Г.С., Суханов В.Б., Федоров В.Ф. Лазер на парах бромида меди с высокой частотой следования импульсов // Квантовая электроника. - 2002. - Т. 33. - № 8. - С. 680-682.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

26. Evtushenko G.S., Andrienko О.S., Zhdaneev O.V., Pavlinsky A.V., Shestakov D.Yu., Shiyanov D.V., Sokovikov V.G., Sukhanov V.B. Lead bromide vapour laser // Proc. SPIE. - 2002. - V. 4747. - P. 202-206.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.