Газоразрядные процессы в импульсных лазерах на парах металлов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.05, доктор физико-математических наук Климкин, Владимир Михайлович

• Климкин, Владимир Михайлович
• доктор физико-математических наук
• 2004

Оглавление диссертации доктор физико-математических наук Климкин, Владимир Михайлович

Введение

Глава I. Исследование процессов в импульсных газоразрядных средах 16 методами резонансного оптического воздействия

Вводные замечания

1.1. Трехуровневая система с одним насыщающим лазерным полем в начальной фазе 16 развития газового разряда

1.1.1. Модель «идеальный лазер»

1.1.2. Первая модель «жесткого» возбуждения

1.1.3. Вторая модель «жесткого» возбуждения

1.1.4. Модель «низкая плотность частиц»

1.2. Экспериментальное исследование газоразрядной среды Си-лазера методами 25 резонансного оптического воздействия

1.2.1. Проблемы экспериментальной реализации метода

1.2.2. Результаты эксперимента

1.3. Экспериментальные наблюдения ступенчатой ионизации атома Си в активной 33 среде Си-лазера

Вводные замечания

1.3.1. Идея эксперимента

1.3.2. Описание экспериментальной установки

1.3.3. Результаты эксперимента

1.3.4. Анализ осциллограмм компьютерными методами

1.3.5. Обсуждение результатов экспериментов по наблюдению 41 оптогальванического эффекта в лазерах на парах Си

1.4. Модель ограничения частоты следования импульсно-периодических лазеров 42 ступенчатыми процессами

1.5. Систематизация свойств лазерных переходов в импульсных лазерах на парах 44 химических элементов

1.5.1. Критерии выбора лазерных сред

1.5.2. Связь спектроскопических свойств рабочих переходов с возможностью 46 создания инверсии и эффективностью генерации в импульсных газоразрядных лазерах

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Газоразрядные процессы в импульсных лазерах на парах металлов»

На протяжении длительного времени (-100 лет) основными объектами исследований физики газового разряда были разряды в инертных газах и парах ртути. Значительное место в исследованиях физических процессов в плазме газового разряда всегда занимали оптические, в частности спектроскопические методы, использующие собственное излучение плазмы, такие как излучательные и абсорбционные, методы, основанные на анализе контуров линий и континуумов. Следует отметить также оптические методы, требующие применения внешних источников излучения, такие как интерферометрические, и т.д. По результатам большого объема исследований, в том числе с применением оптических методов, были сформулированы основные положения об условиях существования и влиянии на характеристики разрядов процессов, протекающих в плазме, и разработаны удовлетворительные модели разрядов [1-10].

Начиная с 70-х гг. в России (ФИАН, ИОА, РГУ, НПО «Исток») и за рубежом несколькими коллективами исследователей (Г.Г. Петраш [11], П.А. Бохан [12-14,17], G.Gould [16]) проводились работы по созданию высокотемпературных газоразрядных трубок из высокотемпературных керамик на основе AI2O3 и Be О [11-18]. В опытно-конструкторских и научно-исследовательских работах по созданию трубок из .беО-керамики принял участие автор [12-15]. Благодаря работам этих коллективов и промышленных предприятий освоивших производство изделий из особо чистой окисной керамики созданы керамические газоразрядные кюветы, позволяющие проводить исследования физических процессов в продольном газовом разряде при температурах стенок ~1500 °С и давлениях газа до ~ 4 -н 5 атм. [17]. В результате в настоящее время имеется возможность исследований электрических разрядов в парах широкого круга элементов Периодической таблицы Менделеева с малой упругостью паров, в том числе спектроскопически сложных элементов. Разряды в парах этих элементов могут иметь свойства и признаки, существенно отличающие их от традиционных разрядов. Источники оптического излучения на базе этих разрядов могут быть использованы в различных научных и технологических задачах.

Диссертационная работа обобщает результаты исследований газоразрядных процессов в неравновесной низкотемпературной плазме с участием паров металлов, в частности атомов и ионов щелочноземельных, переходных и редкоземельных элементов. Исследования выполнены в интересах физики газового разряда, техники высоких энерговкладов в газоразрядные среды, лазерной физики, в частности физики газоразрядных лазеров, работающих на переходах химических элементов с резонансных на метастабильные состояния. При этом исходная формулировка проблемы - газоразрядные процессы и лазерные эффекты в парах высокотемпературных металлов - принадлежит П. А. Бохану.

Начало исследований по теме диссертации было положено в 1970-1973 гг. Этот период времени характеризовался созданием новых направлений развития физики и технологии электрических разрядов в газах. Во-первых, были заложены основы физики и техники значительных энерговводов в газовые разряды высокого давления Р> 1 атм [5, 6]. Во-вторых, были созданы лазерные источники излучения с продольными неравновесными импульсно-периодическими разрядами среднего давления (Р~ 10"2- 10"1 атм) в смесях паров металлов с инертными газами с частотами следования импульсов тока 104-И05 Гц [11]. Эти неравновесные разряды характеризовались большими средними энерговкладами (10 кВт и более на погонный метр газоразрядного промежутка без прокачки газа). На сегодняшний день - это наиболее энергоемкие неравновесные разряды.

Было установлено, что ряд положений физики электрических разрядов в газах и газоразрядных активных средах, содержащих пары металлов, например границ устойчивости импульсно-периодических разрядов в смесях инертных газов и паров металлов, не укладывается в существующие представления и модели. Первый анализ физических процессов в таких газоразрядных средах показал, что необходимо сформулировать новые взгляды на энергоемкость и устойчивость импульсно-периодических разрядов, на связь свойств активных сред со свойствами разрядов, на процессы взаимодействия атомной, электронной и ионной компонент неравновесной плазмы, в частности на роль этих компонент в процессах возбуждения, ионизации и релаксации. Следует также иметь в виду, что пары ряда спектроскопически сложных элементов, таких, например, как редкоземельные элементы (РЗЭ), никогда раннее не вводились в плазму неравновесных разрядов, но их физико-химические и спектроскопические свойства находили отражение в эффективности газоразрядных процессов и проявлялись в свойствах активных сред на атомных и ионных переходах этих элементов.

Целью диссертационной работы являлось исследование и, по возможности, обобщение свойств газового разряда и физических процессов, протекающих в лазерных активных средах, возбуждаемых энергонапряженными импульсно-периодическими разрядами в смесях паров высокотемпературных металлов с инертными газами.

В связи с тем что исследуемые газовые разряды являются активными средами импульсных и непрерывных лазеров, для изучения газоразрядных процессов привлечены оптические методы, такие как резонансные оптические воздействия, абсорбция излучения, лазерно-индуцированная флуоресценция, ВКР, анализ характеристик лазерного излучения, например, пороговых условий для генерации и т.д.

В ходе выполнения экспериментальных и теоретических работ по теме диссертации были установлены новые свойства импульсно-периодических разрядов, такие как их повышенная устойчивость, разработаны оригинальные подходы и технические средства физических исследований процессов в плазме импульсно-периодических разрядов. К их числу следует отнести методы, основанные на резонансных оптических воздействиях, как в случаях квазистационарных, так и импульсных разрядов, различные методы исследования процессов с участием метастабильных состояний частиц, в частности релаксационных процессов для метастабильных состояний ионов, и т.д.

В соответствии со сказанным содержание диссертации построено следующим образом.

Во введении формулируется постановка задач исследований, приводятся наиболее важные научные и практические результаты исследований, основные положения, представленные на защиту.

Заключение диссертации по теме «Оптика», Климкин, Владимир Михайлович

Заключение

В процессе выполнения диссертационной работы получены следующие результаты:

1. Методы, основанные на резонансных оптических воздействиях, являются информативным средством исследования нестационарных газоразрядных процессов, в частности, протекающих на фронте тока импульсного газового разряда процессов возбуждения. Эти методы позволили измерить отношение констант возбуждения резонансных и метастабильных состояний в газоразрядных лазерах на парах Си. Для подобных сред высокие энергетические параметры генерации обеспечиваются большими величинами электронного возбуждения, при практическом равенстве констант возбуждения резонансных и метастабильных состояний. Методы, основанные на резонансных оптических воздействиях позволили установить, что для газоразрядных импульсных лазеров (на примере Си-лазера) характерен значительный оптогальванический эффект, сопровождающийся оптотермическими явлениями. Оптогальванический эффект должен быть учтен в физических моделях газоразрядных лазеров и может быть полезен в задачах стабилизации и оптимизации параметров генерации газоразрядных лазеров. Методы, основанные на резонансных оптических воздействиях могут быть полезны при исследованиях сечений электронного возбуждения метастабильных состояний атомов и ионов.

2. Импульсно-периодические разряды, используемые для возбуждения лазеров на парах металлов, в силу высокого давления буферного газа и большой средней мощности подвержены ионизационно-перегревной неустойчивости (контракции). В смесях паров металлов и благородных газов могут наблюдаться три режима разряда - контракция, расконтракция, повторная контракция. Важнейшим свойством импульсно-периодических разрядов в смесях паров металлов с инертными газами, обеспечивающим генерацию лазеров на парах металлов в саморазогревных трубках большого диаметра является автоматическая расконтракция разряда. Это явление названо автором эффектом Петраша. Результаты настоящей работы и работ [18, 19] позволяют обобщить наблюдаемые закономерности контракции и расконтракции импульсно-периодических разрядов следующим образом: разряды расконтрагированы, если они протекают в смесях инертных газов и паров металлов при наличии скин-эффекта. Оптимальный импульсно-периодический режим возбуждения лазеров на парах металлов есть компромисс между условиями существования неравновесных разрядов и условиями возбуждения лазерных переходов. Масштабирование лазеров на парах металлов возможно только при учёте закономерностей контракции импульсно-периодических разрядов.

3. Показано, что в низкотемпературной плазме й и /элементов необходимо учитывать явления автоионизации и захвата электронов (диэлектронную рекомбинацию), обусловленные особенностями спектроскопических свойств этих элементов, как процессов определяющих релаксационные свойства долгоживущих (метастабильных) состояний ионов й- и /-элементов. Процессы электронного резонансного захвата и следовательно, релаксационные свойства долгоживущих (метастабильных) состояний ионов й- и/элементов могут быть усилены повышением в разряде давления легкого буферного газа.

4. Показано, что в газовом разряде в смеси паров редкоземельного элемента европия с инертными газами наблюдается уникальное физическое явление - сверхбыстрая селективная релаксация метастабильных состояний его иона. Канал релаксации обеспечивает высокие энергетические параметры квазинепрерывной генерации на переходах с резонансных на метастабильные состояния в условиях, не свойственных другим газоразрядным лазерам (в частности, оптимальные давления буферных газов лежат в диапазоне, превышающем 2-4-3 атм). Найденные свойства канала релаксации совместно с особенностями возбуждения резонансных состояний иона дают основания считать, что наблюдаемые в ионе европия лазерные эффекты следует отнести к новому типу лазеров - ионизационно-рекомбинационному.

5. Физически обоснована целесообразность выделения ИК-лазерных переходов в спектрах иттербия, тулия, стронция, не относящихся к г-т переходам, в новое семейство газоразрядных лазеров.

6. Впервые в разряде постоянного тока получена стационарная генерация на переходах с резонансных на метастабильные уровни атомов. Таким образом, показано, что непрерывный лазер на переходах с резонансных на метастабильные уровни атомных частиц реален. Эти исследования целесообразно продолжать, разбив задачу, по крайней мере, на две:

-определение условий преимущественного возбуждения резонансного состояния в стационарных разрядах;

-поиск быстрых реакций релаксации, протекающих в условиях существования стационарных разрядов, определение границ существования неравновесного стационарного разряда.

7. Показано, что импульсные лазеры на парах металлов ИК-диапазона представляют интерес для задач газоанализа.