Месяц Г.А. Импульсная энергетика и электроника

Подождите немного. Документ загружается.

600

Глава 29. Мощные импульсные

газовые лазеры

Это нарушение можно устранить, если вспомнить, что соотношение (4) предполага-

ет наличие в образце теплового равновесия, которое в действительности не обяза-

тельно должно иметь место. Следовательно, необходимо найти такие схемы, кото-

рые позволили бы получить инверсию населенностей.

В случае двухуровневых систем наиболее часто инверсию населенностей соз-

дают, когда в лазерной среде первоначально отсутствуют частицы, участвующие в

процессе генерации лазерного излучения. Частицы в возбужденном состоянии се-

лективно образуются с помощью, например, электрического разряда. Если при

этом нижний уровень |1> не очищается быстро и селективно, то полученная инвер-

сия населенностей существует в течение лишь ограниченного времени. В типич-

ном случае мы получаем «самоограниченный лазер», в котором вследствие выну-

жденного испускания инверсия населенностей и усиление уменьшаются.

В большинстве лазеров частицы, участвующие в процессе генерации лазерного

излучения, имеют три и более уровня. Такая ситуация представлена на рис. 1, б.

В этом случае инверсию населенностей можно получить значительно более легким

способом. Для этого нам нужно только найти такие столкновительные процессы,

при которых сечение возбуждения |0) -»|2) больше, чем сечение процесса

|0)-»|1). Далее, образованию инверсии населенностей могло бы способствовать

условие, что скорости радиационных и столкновительных переходов с уровня |1)

на уровень |0) намного больше, чем скорости переходов с уровня |2>. В послед-

нем случае радиационные и столкновительные процессы не приводят к ограниче-

нию времени лазерного действия и мы можем получить непрерывный лазер.

С точки зрения термодинамики механизм лазерного возбуждения можно рассмат-

ривать как перенос энергии между двумя системами с различными температурами:

лазерные частицы вначале имеют низкую температуру, а накачивающие частицы -

высокую. Ясно, что при этом нас не интересуют равновесные свойства систем, но

необходимо иметь сведения о скоростях процессов возбуждения, излучения и ре-

лаксации.

Для МИГ-лазера необходимо создать объемную плазму с как можно большим

числом атомов или молекул, обеспечивающих инверсную населенность. Такую

плазму называют активной средой. Для того чтобы эта среда испускала лазерное

излучение, необходим так называемый открытый резонатор, предложенный Про-

хоровым [1]. В этом случае в системе возникает обратная связь: излучение много-

кратно проходит через один и тот же объем плазмы, отражаясь от зеркал резонато-

ра, и усиливается благодаря вынужденному испусканию. В простейшем виде от-

крытый резонатор состоит из двух параллельных зеркал, которые находятся на

некотором расстоянии друг от друга /, много большем длины волны излучения X,

т.е. /»

Диаметр зеркал также много больше длины волны излучения. Одно зер-

кало - отражающее, второе - полупрозрачное - обеспечивает вывод лазерного из-

лучения.

29.1.2 Типы газовых лазеров

Первый газовый лазер (гелий-неоновый) был предложен Джаваном [2] на осно-

ве тщательного изучения возможных механизмов возбуждения и дезактивации,

которые могли бы привести к образованию инверсии населенностей в газовых

смесях, возбуждаемых электрическим разрядом. Этот лазер относится к классу лазе-

29.1

Принципы работы импульсных

газовых лазеров 601

ров с прямой передачей энергии. Основной принцип создания инверсии основан на

процессе возбуждения атомов гелия при столкновении с электронами газового раз-

ряда. Этот процесс переводит небольшую часть атомов гелия из основного состоя-

ния на метастабильные уровни

8 и 2

5. Атомы гелия, находящиеся в этих воз-

бужденных состояниях, могут сталкиваться с атомами неона, передавая им запа-

сенную энергию, в результате чего селективно заселяются две группы уровней

возбужденного неона: 2/?

5$ вблизи 20,6 эВ и

2р

Аз

вблизи 19,8 эВ. Посколь-

ку реакции обмена энергией не приводят к заселению более низких уровней

неона, между уровнями

2р

5з

2р

4р

(в интервале 20,2-20,4 эВ), между

2р

5зи 2р

3р

(в интервале 18,5-19 эВ), а также между уровнями

2р

4зи

2р

3р

образуется локальная инверсия населенностей, необходимая для лазер-

ной генерации.

Характерным примером другого типа лазеров, которые используют процесс пе-

редачи энергии, является С0

-лазер. Молекула

СО2

имеет три нормальных колеба-

ния - симметричное валентное деформационное у

и несимметричное валент-

ное У

. Деформационное колебание вырождено. Соответственно, заполнение коле-

бательных уровней молекулы СО2, в том числе не только нормальных частот У

, но и их обертонов и составных колебаний, определяет тот набор колебательных

квантовых чисел

, У

который описывает колебательное состояние молеку-

лы. Уровни обозначаются комбинацией квантовых чисел:

Индекс /

вводится из-за вырождения деформационного колебания У

. Нам важны нижние

колебательные уровни основного электронного состояния, показанные на рис. 2

вместе с условным представлением видов колебаний молекулы С0

. Совпадение

частот колебаний VI и 2У

силу резонанса Ферми смешивает эти уровни, и они в

кинетических процессах часто выступают как одно состояние. Следовательно,

можно ожидать, что передача энергии при столкновении молекул N2 (У= 1) и С0

должно приводить к образованию инверсии населенностей между селективно за-

селяемым уровнем 00° 1 и более низко расположенными незаселяемыми уровнями.

Рис. 29.2. Схема нижних колебательных уровней молекул С0

и N2

в основном электронном

состоянии

602

Глава

29.

Мощные импульсные газовые лазеры

Лазерную генерацию, использующую этот принцип, впервые продемонстрировал

Пател [3]. В тлеющем электрическом разряде с приведенной напряженностью

электрического поля в плазме разряда

Е/р

= 5 В/(смТорр) при энергии электронов

2-3 эВ (резонансное возбуждение колебаний молекулы N2 в диапазоне V = 1-8) и

при плотности электронов (0,5-5) -10

см

-3

от 40 до 80% молекул азота возбужде-

ны. Сечение возбуждения азота составляет 3-10~

см

. Скорость столкновительной

передачи энергии возбуждения от азота

С0

составляет (1—2)10

(с~

Торр

). Эта

передача энергии идет эффективно между гармониками 00°« молекул С0

и N2

вплоть до колебания V = 4-5 молекулы N2. Таким образом, в СОг-лазере происхо-

дит заселение верхнего лазерного уровня.

Что же касается опустошения нижнего лазерного уровня, то оказалось, что

первый возбужденный уровень деформационной моды \

01*0 эффективно релак-

сирует при столкновениях с атомами Не. Гелий опустошает уровень 01

0 С0

со

скоростью 4-Ю

(с^-Торр

-1

). При этом уровень 00°1 моды у

гелием практически не

затрагивается.

Позже для возбуждения молекул С0

были предложены многочисленные аль-

тернативные схемы, включая накачку разрядом, инициируемым или контролируе-

мым электронным пучком, рентгеновским пучком, ультрафиолетовым излучением

и т.д. Благодаря высокому кпд (-10%), возможности работать как в импульсном

режиме, так и в режиме непрерывного излучения с большой средней мощностью

(10

-И0

Вт), этот лазер изучен очень обстоятельно. Обратим внимание, что СО2-

лазер является типичным примером молекулярного лазера, который работает на

колебательном переходе молекулы, так как активной средой в нем являются моле-

кулярные газы. Этот лазер работает в режиме генерации инфракрасного излучения

с длиной волны 10,6 мкм.

Другим классом молекулярных лазеров являются лазеры с прямым возбужде-

нием верхнего лазерного уровня электронным ударом или другими способами. Для

этого нужно найти такие частицы и процессы возбуждения, в которых селективно

заселяются верхние лазерные уровни.

Возбуждение электронных состояний двухатомных молекул в процессе прямо-

го электронного удара позволяет создать газовые лазеры с широким набором длин

волн генерации. В таком лазере, впервые разработанном Матиасом и Паркером [4],

рабочей молекулой является молекулярный азот. Эти авторы наблюдали генерацию

на переходе

П^

-»

Е+

в ближней инфракрасной области спектра. В том же

году Хирд [5] получил лазерную генерацию на ультрафиолетовом переходе

-» Затем были разработаны лазеры с длинами волн генерации в диа-

пазоне 3-4 мкм на переходах а

-> а

и -»а

П^ [6]. Среди лазеров

такого типа наиболее известен лазер N2

(С-В).

Верхний лазерный уровень N2

(С

)

заселяется в процессе возбуждения при столкновениях электронов с моле-

кулами N2, находящимися в основном состоянии причем сечение этого

процесса больше, чем сечение возбуждения колебательных состояний нижнего

лазерного уровня N2 (#

П^). Лазерная генерация осуществляется главным образом

на переходе 0-0 системы

С-В

на длине волны 337,1 нм. Этот лазер находит боль-

шое применение в лабораторных исследованиях, главным образом для накачки

мощных импульсных лазеров на красителях. В целом же К

-лазер характеризуется

низкой энергией импульса (несколько миллиджоулей при длительности импульса в

29.1 Принципы работы импульсных газовых лазеров

603

несколько наносекунд) и небольшим кпд (около 0,1%), что обусловлено накопле-

нием частиц в процессе генерации на нижнем лазерном уровне, т.е. быстрым

уменьшением инверсии населенностей (эффектом узкого горла).

К типу лазеров с прямым возбуждением относятся также лазеры на различных

переходах молекулы СО [7]. Генерация инфракрасного излучения на колебатель-

ных переходах основного состояния СО впервые наблюдалась в [8]. Инфракрасный

СО-лазер, работающий в области длин волн 4,87-6,7 мкм, - один из наиболее эф-

фективных; его кпд составляет более 20%. Достаточно сложная кинетика этого

лазера определяется процессами возбуждения электронами верхних колебательных

уровней, приводящими к генерации на ряде линий по мере того, как молекулы кас-

кадно переходят на нижние колебательные уровни.

С точки зрения получения мощных потоков когерентного излучения в ультра-

фиолетовой и видимой областях большой интерес представляют эксимерные лазе-

ры. Термин «эксимер» является сокращением выражения «ехскеё (Итег» и означа-

ет молекулу, которая существует только в электронно-возбужденном состоянии.

Такое состояние является сравнительно долгоживущим и служит верхним лазер-

ным уровнем. В основном состоянии эксимерная молекула быстро (за время

10~

-10~

) распадается, что означает опустошение нижнего лазерного уровня и

возникновение инверсной населенности. При этом генерация происходит на пере-

ходах между возбужденными связанными и основным отталкивательным или сла-

бо связанным состоянием молекулы.

В эксимерных лазерах используются двухатомные возбужденные соединения

атомов инертных газов друг с другом, а также с атомами галогенов или кислорода.

Для хорошо известной эксимерной лазерной системы на молекулах КгР, гене-

рирующей на длине волны 248 нм, достигнут кпд « 10%. Эту систему можно вы-

полнить в большем масштабе и получить высокую выходную энергию. Другие

лазерные системы, построенные на ХеР (351 и 485 нм), ХеС1 (308 нм), Н§С1

(558 нм) и Н§Вг (502 нм), имеют несколько меньший кпд, но приводят к генерации

на больших длинах волн.

Первые сообщения об эксимерных лазерах на галогенидах благородных газов

появились в 1975 г. [12-14]. При возбуждении пучком электронов, разрядом, контро-

лируемым пучком электронов и быстрым разрядом была получена генерация на мо-

лекулах ХеВг*

= 282 нм), ХеСГ

= 308 нм), ХеР* (X ~ 350 нм) и

КгР* (X

~ 248 нм).

Эксимерные лазеры в настоящее время являются наиболее мощными источниками

когерентного излучения в ультрафиолетовой области спектра, генерация получена на

большом количестве длин волн от вакуумного ультрафиолета до видимой области

спектра [9-11]. Лазеры на эксимерных молекулах обладают очень важным достоин-

ством: они эффективно работают при различных способах накачки, а системы накач-

ки являются универсальными для получения генерации на различных молекулах при

замене рабочей смеси. Большой набор длин волн генерации и высокие энергии излу-

чения дают возможность широкого применения эксимерных лазеров в различных

областях науки и техники. Еще одно важное преимущество эксимерных лазеров -

широкая полоса усиления, что позволяет осуществлять главную перестройку часто-

ты

достаточно широких пределах.

Для получения генерации на эксимерных молекулах обычно используются

тройные смеси, состоящие из буферного газа (аргона, неона, гелия), рабочего газа

604

Глава 29. Мощные импульсные газовые лазеры

(ксенона, криптона, аргона) и галогеноносителя (НС1, ССЦ, Р

, ЫР

, НВг и т.д.).

Свойства лазерного излучения определяются специфическим расположением по-

тенциальных кривых эксимерных молекул, кинетическими процессами, происхо-

дящими в плазме при возбуждении рабочей смеси, усилением и поглощением на

лазерной длине волны.

Кроме рассмотренных нами лазеров с передачей энергии, лазеров с прямым

возбуждением и эксимерных лазеров существуют и другие газовые лазеры, такие

как фотодиссоциативные и химические. Ниже мы рассмотрим только три газовых

лазера: на молекулах С0

, эксимерах и N2.

§ 29.2 Методы накачки мощных импульсных газовых лазеров

29.2.1 Общие сведения

Первые газовые лазеры большой мощности конструировались в виде длинных

стеклянных труб с продольным тлеющим разрядом и продольной прокачкой газа

[2,4, 5,16]. Типичная конструкция такого С0

-лазера работающего в непрерывном

режиме, показана на рис. 3. Продольный разряд наиболее прост в реализации. Не-

обходимо только включить последовательно с разрядом достаточно большое со-

противление с тем, чтобы ограничить ток разряда и скомпенсировать влияние па-

дающего участка вольт-амперной характеристики разрядного промежутка. Про-

дольная прокачка служит для удаления продуктов диссоциации газовой смеси в

разряде. Охлаждение рабочего газа в таких системах происходит за счет диффузии

на охлаждаемую снаружи стенку разрядной трубки.

При продольной конфигурации разряда и прокачке максимальная мощность на

единицу длины (50-100 Вт/м) не зависит от диаметра газоразрядной трубки. Дей-

ствительно, при значительном превышении над порогом самовозбуждения лазера

излучаемая мощность определяется произведением скорости накачки А на объем

активной среды V:

АГк\

(29.6)

В цилиндрической геометрии V =

тФЧ

/4, где / - длина разряда, В - диаметр

трубки. Скорость накачки А = <#У(00°1)/<# определяется произведением плотности

Газ

Г-0 0-П

Г-0 0-1

+ -

- +

Газ

Вода

Газ

Рис. 29.3. Схема конструкции С0

-лазера с продольными разрядом и прокачкой. Охлаж-

дающая вода проходит черед катод

29.2 Методы накачки мощных импульсных

газовых лазеров 605

молекул в основном состоянии И

на плотность электронов И

, сечение возбуж-

дения электронным ударом а и среднюю скорость и:

Л = (29.7)

Но произведение

аи

имеет смысл плотности тока разряда у, следовательно,

Л = Произведение уяО

/4 дает значение полного тока разряда I, и мы по-

лучаем:

Р =

/ЛГ

/М>.

(29.8)

Так как плотность Ы

пропорциональна полному давлению газовой смеси р, то

Р ос 1р1 (29.9)

Как мы знаем, произведение тока на давление является важной характеристи-

кой плазменных процессов в длинных трубках. В стационарной плазме тлеющего

разряда условия определяются произведением рй (закон Пашена). Постоянство

рВ обеспечивает постоянство плазменных условий. Если для какого-то диаметра

фиксировано оптимальное давление, то оптимум сохраняется при сохранении зна-

чения произведения рВ. Следовательно, р =

сопз*

/Д а так как / = уть0

/4, то

произведение 1р

ос соп§1 •

у/).

С другой стороны, для С0

-лазера очень важен тепловой режим. Тепловыделе-

ние в единичном объеме пропорционально плотности тока Теплоотвод в цилин-

дрической геометрии из центральной части разрядного канала на периферию про-

порционален ХЮ. Сохранение постоянным некоторого оптимального теплового

режима требует постоянства произведения у/Х Следовательно, произведение 1р

является константой и мы приходим к выводу, что в оптимальных условиях выход-

ная мощность С0

-лазера с продольной прокачкой и разрядом пропорциональна

длине лазера:

Рос/. (29.10)

Наибольшая мощность, которая достигалась в такой продольной конфигурации,

составляла 1 кВт при длине разрядной трубки 20 м [16]. Таким образом, такие ла-

зеры с продольным разрядом были очень громоздки из-за низкого давления газа

(единицы Торр) и малой напряженности электрического поля (не более десятка

В/см). Частичное решение этой проблемы было найдено Леонардом [7] при пере-

ходе от продольного к поперечному разряду.

Дальнейшее усовершенствование работы импульсных газовых лазеров было

достигнуто при переходе в наносекундный диапазон длительностей импульсов.

В работе [17] для накачки ^-лазера использовался импульс длительностью 4 не,

а ток разряда составлял 500 кА при скорости роста тока

сШЖ

»10

А/с благода-

ря использованию низкоомной двойной полосковой линии. При давлении газа

30 Торр плотность плазмы составляла 10

см~

Однако настоящий прорыв в создании МИГ-лазеров произошел после того, как

для их накачки стали использовать методы импульсной электроники большой

мощности. Это позволило создавать лазеры с высоким давлением газа - порядка

атмосферы и более. При этом на многие порядки увеличились мощность и энергия

излучения в лазерном импульсе. Существуют три основных метода накачки га-

зовых лазеров высокого давления. Первый - это создание объемного лавинного

разряда при его многоэлектронном инициировании и приложении к электродам

606

Глава 29. Мощные импульсные газовые лазеры

разрядной камеры импульсов напряжения длительностью 10~

-И0~

с, когда удает-

ся достигать большого превышения импульсной напряженности Е над статиче-

ским пробивным напряжением Е

. Такие лазеры будем называть электроразрядны-

ми. В этом методе используются результаты исследования наносекундного разряда

в газах, о котором мы говорили выше (см. главу 6).

Второй метод основан на прямой накачке газового объема мощным импульс-

ным пучком электронов. В этом случае электронный пучок инжектируется в лазер-

ную камеру поперек или вдоль прохождения лазерного луча, ионизирует газ в ка-

мере и создает в ней плазму, которая и является активной средой лазера. Заметим,

что электрическое поле к электродам камеры в этом случае не прикладывается и

вся энергия на создание плазмы берется от электронного пучка. Этот метод прин-

ципиально отличается от первого, в котором электроны играют только иниции-

рующую роль, а плазма создается за счет ионизационных процессов в газе.

Наконец, третий метод основан на использовании электрического поля, вели-

чина которого меньше статического пробивного Е

, но при этом в камеру инжекти-

руются, как правило, электроны, а иногда и другие корпускулярные частицы. Раз-

ряд в газе в таком методе называют разрядом, контролируемым электронным пуч-

ком. Он является несамостоятельным (см. главу 6). Легко понять, что если

Е>Е

С9

(29.11)

то этот метод будет эквивалентен первому, так как инжектируемые электроны бу-

дут играть роль инициирующих.

29.2.2 Электроразрядные лазеры

Первыми лазерами, работающими в электроразрядном режиме при атмосфер-

ном давлении газа были импульсные С0

-лазеры. Впервые о создании электрораз-

рядного лазера атмосферного давления было сообщено в [18]. Их создание стало

важным этапом в развитии квантовой электроники. Эти системы конструктивно

просты, надежны в эксплуатации, обладают высокими энергетическими характе-

ристиками. В первых работах по созданию С0

-лазеров атмосферного давления

возбуждение среды чаще всего осуществлялось в поперечной системе электродов

между сплошным анодом и рядом острий, ток через которые ограничивался сопро-

тивлением 1 кОм (рис. 4) при длительности разряда 1 мкс [18]. Несмотря на

значительную неоднородность возбуждения рабочей среды и низкий кпд, эта

система благодаря ее простоте оказалась наиболее часто используемой. Однако в

дальнейшем основное внимание исследователей было сосредоточено на лазерах,

однородное возбуждение активной среды в которых достигалось благодаря

предварительной ионизации рабочей среды. Эти устройства вместе с упомянутыми

образовали новый класс лазеров - электроразрядные, или ТЕА-лазеры.

Для возбуждения рабочей среды в электроразрядных лазерах применяются раз-

личные электродные структуры (рис. 5). В конструкциях, схематически показан-

ных на рис. 5, б-д

начальная концентрация электронов в основном промежутке

обеспечивается ионизацией неконтролируемых легкоионизуемых частиц примеси

ультрафиолетовым излучением и поступлением электронов из плазмы вспомога-

тельных разрядов. Последний процесс ведет к перераспределению напряженности

электрического поля в промежутке, и поэтому отпадает необходимость в специ-

альном профилировании электродов.

^ 29.2

Методы накачки мощных импульсных

газовых лазеров 607

Рис. 29.4. Схематическое представление лазера со штыревыми электродами, накачка

кото-

ром осуществляется разрядом между штыревым катодом и анодом. Каждый штырь нагру-

жен балластным сопротивлением

В том случае, когда начальная концентрация электронов создается предвари-

тельной ионизацией рабочей среды ультрафиолетовым излучением вспомогатель-

ного разряда, возбуждаемого вблизи основного промежутка, электроды основного

разряда, как правило, специальным образом профилируются (рис. 5, е, ж). Про-

филь электродов может быть выполнен в соответствии с рекомендациями Рогов-

скош, Брюса, Харрисона, Феличи или Чанга [И]. Благодаря простоте профиля

(а)

(г)

гин

О • • ^

Пучок частиц

(ж)

гин

(б)

</шт

гин

тптп г-

Ж.

(з)

гин

к гин

' к

гин

У//)/////Л А

гин

(в)

гин

ТТТ

(и)

гин

Рис. 29.5. Схематическое изображение устройств для возбуждения импульсного объемного

разряда

высокого

давления

608

Глава 29. Мощные импульсные газовые лазеры

электроды Чанга получили наибольшее распространение. Основная цель профили-

рования - однородное электрическое поле в электродных системах конечной ши-

рины. Однако следует заметить, что в таких промежутках с однородно-спадающей

напряженностью поля удельные энерговклады оказываются неоднородными, по-

вышающимися по мере приближения от края к центру. Поэтому нашли примене-

ние и более простые электроды, например полуцилиндрические, а также электро-

ды с плоской центральной частью и закруглениями по краям. В последней элек-

тродной конфигурации распределение энергии в промежутке оказывается наиболее

однородным.

Вспомогательный разряд, создающий начальную концентрацию в основном

межэлектродном промежутке и обеспечивающий условия возбуждения в нем объ-

емного разряда, играет чрезвычайно важную роль в энергетике лазера. В настоя-

щее время в качестве вспомогательного апробированы разряды многих типов:

1) разряд через диэлектрик, или барьерный разряд, возбуждаемый под одним

из основных сетчатых электродов (рис. 5, и) или непосредственно на основном

электроде (рис. 5, б);

2) коронный разряд в межэлектродных конфигурациях острие-плоскость (рис. 5,

в, ё) или проволочка-плоскость (рис. 5, ж);

3) искровой разряд;

4) искровой или скользящий разряд по поверхности диэлектрика (рис. 5, з);

5) диффузно-канальный разряд (рис. 5, е);

6) вспомогательный разряд в основном промежутке (рис. 5, д). Кроме того, из-

вестны методы создания начальной концентрации электронов в рабочем объеме с

помощью потоков ускоренных электронов низкой плотности, нейтронов и

#-час-

тиц, рентгеновского излучения, а также низкоэнергетичных электронов, запол-

няющих рабочий объем.

Исследования [19] показали, что образование фотоэлектронов в рабочем объе-

ме лазера происходит в основном в результате прямой фотоионизации излучением

с длинами волн ^«115-120 нми

> 160 нм. Поскольку такое излучение не мо-

жет ионизовать молекулы СО2, N2 и Не, предполагается, что фотоионизации под-

вергаются неконтролируемые примеси органических соединений, всегда присутст-

вующие в кювете.

Иногда для увеличения начальной концентрации электронов в рабочую среду

специально вводятся добавки вещества с низким потенциалом ионизации: цезий,

ксилолы, №4-диметиланилин, три-М-пропиламин и т.д. Использование таких ве-

ществ дает следующие преимущества: более простым становится получение высо-

ких «о, повышается однородность разряда, увеличиваются вводимая в газ энергия

и кпд лазера. Недостатком является загрязнение внутренней поверхности кюветы и

элементов установленных в ней конструкций.

Рассмотрим несколько подробнее некоторые методы предыонизации, показан-

ные на рис. 5. Диффузно-канальный разряд (рис. 5, в-ё) используется, как правило,

в импульсно-периодических лазерах с малым межэлектродным расстоянием [20],

т.е. в тех условиях, когда желателен высокий уровень предварительной ионизации

из-за кратковременности развития искры, значительного влияния неоднородностей

на электродах и влияния разложения смеси на устойчивость объемного разряда.

Известно [И], что использование разрядов с разрядным каналом (и - 10

см

-3

)

^ 29.2

Методы накачки мощных импульсных

газовых лазеров 609

обеспечивает наиболее высокий уровень предварительной ионизации, а коронный

разряд вносит наименьший вклад в диссоциацию С0

[21]. Диффузно-канальный

разряд соединяет в себе достоинства обоих. Он возбуждается между сплошным и

секционированным электродами и состоит из множества диффузных нитей, часть

из которых на заключительной стадии разряда переходит в канал.

Секционированный электрод выполнен из ряда полосок тонкой металлической

фольги, которые располагаются на более толстом диэлектрическом основании. По-

следовательность процессов при таких условиях следующая [20]. Вначале на тон-

ком металлическом электроде появляются взрывоэмиссионные центры, наблюдае-

мые в виде светящихся точек. Из некоторых центров по направлению к противопо-

ложному электроду распространяются диффузно светящиеся нити; другие центры

функционируют достаточно долго (10-80 не) без заметного распространения в

объем. В одной секции длиной 5 мм при V = 10-20 кВ наблюдаются 4-8 нитей,

имеющих диффузный характер. Спустя 10-40 не (в зависимости от Ц) в самой яр-

кой из нитей распространяется более высокопроводящий канал, в котором выделя-

ется 20-40% энергии, расходуемой на предыонизацию одной секции. Концентра-

ция электронов в наиболее ярко светящейся области у катода, измеренная теневым

методом Теплера, составляла 3,6-10

см

-3

, т.е. оказывалась существенно ниже, чем

в типичном горячем канале.

29.2.3 Накачка МИГ-лазеров электронным пучком

Впервые этот способ был предложен для накачки лазера на жидком ксеноне

группой Басова [22], а затем получил широкое распространение при возбуждении

активных сред лазеров высокого давления. Обычно используются пучки электро-

нов с энергией 0,1-1 МэВ, плотностью тока до 10

А/см

и длительностью

Ю^-Ю

-6

с. При энергиях пучка МэВ удается равномерно возбуждать газы под

давлением в десятки атмосфер и обеспечивать энерговклады до 1 Дж/см

, что по-

зволяет достигать порога генерации на различных молекулах [9].

В настоящее время получили распространение три схемы накачки электронным

пучком (рис. 6). Импульс высокого напряжения подается на вакуумный диод, катод

которого работает в режиме взрывной эмиссии электронов. Описание работы та-

ких диодов дано нами выше. Анодом служит тонкая металлическая фольга или

лавсановая пленка, через которую электроны инжектируются в лазерную камеру с

рабочей смесью. Обычно, чтобы использовать более высокие рабочие давления,

фольга со стороны вакуума помещается на опорную решетку. На рис. 6, а показана

схема поперечной накачки при инжекции электронного пучка с одной стороны

Н\>

(б)

11111

• ни

Рис. 29.6. Лазеры, возбуждаемые электронным пучком: а - лазер с поперечной накачкой, б -

лазер с коаксиальной лазерной камерой и коаксиальным катодом

39. Месяц Г.А.