Эксперименты проводились на лазере внешний вид которого представлен на Рис.16. Принципиальная электрическая схема накачки представлена на Рис.18
Для накачки лазера использована типичная двухконтурная схема С-С. Конденсатор С1 = 66 нФ (состоял из конденсаторов TDKUHV-6A, 2700 pF& 30 kV) заряжался от источника постоянного напряжения до U0 = 22 кВ. В качестве коммутатора использован тиратрон ТГИ-1000/25. Оптимальное значение индуктивности первого контура L1 = 100 нГ позволило обеспечить эффективную перезарядку первого конденсатора на второй за сравнительно большое время ~150 нс. Конденсатор во втором контуре С2 = 51.7нФ (состоял из конденсаторов TDKUHV-6A, 2700 pF& 30 kV) разряжался через плазму и обеспечивал накачку активной среды. Компоновка лазерной камеры и конденсаторов С2 позволила достигнуть малой индуктивности L2= 4 нГ, что обеспечило малую длительность импульса накачки и большой ток в плазме до 45 кА.
Расстояние между электродами было равно 2,24 см. Электроды, длина которых составляла 60 см, выполнены с радиусом закругления 3,2 см. Эффективная ширина разряда была 0,5 см. Использовалась газовая смесь Ne/Xe/HCl = 875/15/1, при полном давлении 3,6 атм. Длина резонатора 100 см, зеркало отражающее R1 = 0,99, выходное зеркало R2 = 0,08. Экспериментальные временные зависимости напряжений на конденсаторах, токов текущих через конденсаторы и мощность лазерного излучения представлены на Рис.17.
|
|
В плазму поступает электрическая мощность от схемы питания, которая распределяется по частицам. Концентрации частиц увеличиваются, происходит накопление энергии на возбужденных уровнях. Одновременно, частицы обмениваются энергией в процессах взаимодействия. За время нарастания мощности, поступающей из схемы питания, до максимального значения, в плазме можно выделить три характерные стадии ее развития.
На первой стадии происходит прямая ионизация и прямое возбуждение атомов ксенона. Большая часть мощности, поступающей в плазму, расходуется на рост концентрации возбужденных атомов. Происходит накопление энергии на возбужденных атомах ксенона. С ростом концентрации возбужденных атомов увеличиваются скорости их прямого тушения, с переходом в основное состояние, а также сильно увеличиваются частоты и скорости ступенчатых процессов возбуждения и тушения. В отдельном акте ступенчатых процессов передается сравнительно малая энергия, однако их скорости значительно больше, чем скорости прямых процессов. Ступенчатые процессы возбуждения и тушения устанавливают, а также отслеживают определенное соотношение концентраций частиц на возбужденных уровнях.
На второй стадии происходит переход от прямой ионизации к ступенчатой. Возбужденный атом получает дополнительную порцию энергии от электрона и переходит в ионизованное состояние. Ионизация происходит под действием двух потоков мощности, а именно, мощности, поступающей на возбуждение и дополнительной мощности, поступающей от электронов. В этой стадии замедляется рост концентрации возбужденных атомов, а концентрация электронов увеличивается ускоренно.
|
|
Третья стадия развития разряда соответствует области максимальной мощности накачки. В этой стадии концентрации частиц выходят на максимальные значения. Мощность накачки не расходуется на рост концентрации частиц. Баланс мощности накачки включает: возбуждение, ступенчатую ионизацию, потери мощности в упругих столкновениях электронов и прочие потери, основную часть которых составляет возбуждение молекул HCl. В конечном итоге, после рекомбинации мощность накачки расходуется на нагрев газа и сравнительно малая ее часть уходит на излучение.
Расчеты показали, что максимальная мощность накачки (Рис. 19) равна 270 МВт а удельная мощность накачки равна 3,1 МВт/см3. Время нарастания мощности накачки от начала разряда до максимума равно 30 нс. Запаздывание начала развития генерации относительно начала разряда равно 27 нс. Т.о. генерация начинает развиваться в области максимальной мощности накачки. При этом максимальная мощность генерации, равная 10 МВт, запаздывает относительно максимума накачки на ~10 нс. Из сравнения временных зависимостей мощности накачки и излучения следует, что порог генерации достигается к моменту времени максимума накачки, а генерация излучения происходит на спаде мощности накачки.
На стадии нарастания мощности накачки происходит создание плазмы. Энергия накапливается на возбужденных и ионизованных состояниях атомов ксенона, также происходит рост концентрации возбужденных молекул XeCl(B,C). Рост концентрации молекул в состоянии XeCl(B, v = 0) ведет к увеличению коэффициента усиления активной среды. Одновременно с накоплением энергии в плазме происходит потеря энергии в процессах тушения возбужденных состояний, упругих соударениях, спонтанного излучения и других процессах. Из общих физических представлений следует, что для увеличения эффективности лазера, особенно при малой длительности накачки, необходимо уменьшать время запаздывания генерации относительно начала накачки.
Рис. 16 - Внешний вид лазера серии EL (EL-300-05)разработанного в ЛГЛ ИСЭ СО РАН; максимальная энергия излучения - 350 мДж; длительность импульса - 30 нс; частота работы в импульсно периодическом режиме - 5 Гц; апертура выходного пучка 23х6 мм2
Рис.17. Экспериментальные зависимости тока, напряжениея на конденсаторах С2 и лазерная генерация.
искры |
Сн |
Rз |
Lвнеш |
ТГИ 25/1000 |
Ср |
РП |
Lвнутр |
Lразв |
Рис.18 - Принципиальная электрическая схема накачки эксимерого лазера
ТГИ- водородный тиратрон; Rз- зарядное сопротивление; Lвнеш- индуктивность внешнего контура; Lвнутр- индуктивность внутреннего контура; Lразв- развязывающие индуктивности; Сн- накопительная емкость; Ср- разрядная емкость; РП- разрядный промежуток
Рис.19.-Экспериментальное и расчетное временное распределение интенсивности лазерного импульса и теоретическое поведение мощности накачки. |
|
|
На Рис.20 показаны временные зависимости концентраций: электронов, суммарная зависимость возбужденных атомов ксенона Xe*, Xe** и Xe***, суммарная зависимость молекул HCl в основном и в трех колебательно возбужденных состояниях, а также концентрация фотонов лазерного излучения. За время ~20 нс от начала развития разряда концентрация электронов достигает 2·1015 см-3. В этом же интервале времени напряжение на плазме снижается с 20 кВ до 7 кВ. В этом же интервале времени концентрация возбужденных атомов ксенона значительно больше, чем концентрация электронов. Затем происходит замедление роста возбужденных атомов и продолжается рост концентрации электронов. Происходит переход от прямой ионизации к ступенчатой. При сильном снижении напряжения на электродах дальнейший рост концентрации электронов полностью обеспечивает ступенчатая ионизация. Ступенчатая ионизация качественно изменяет характер разряда. Зависимость скорости ступенчатой ионизации от концентрации электронов, примерно квадратичная. Поэтому в локальных областях с повышенной концентрацией электронов сильно увеличивается скорость ступенчатой ионизации. Это является основной причиной развития пространственной неоднородности в плазме. Снижение скорости прилипания из-за разрушения молекул HCl усиливает неустойчивость плазмы.
Рис. 20 - Временная зависимость концентрации частиц в плазме. |
|
|
Рис.21 - Скорости создания и тушения возбужденных XeCl молекул электронами, тяжелыми частицами, вынужденным и спонтанным излучением. |
Рис. 22 - Временные зависимости коэффициентов усиления и поглощения фотонов лазерного излучения.
На Рис. 22 показаны временные зависимости коэффициентов усиления и поглощения. Максимальный коэффициент усиления равен 0,15 см-1. При максимальной мощности излучения коэффициент усиления снижается до 0,03 см-1. В это же время коэффициент поглощения равен 0,0225 см-1. Эти зависимости показывают, что имеется возможность перейти к более насыщенному режиму усиления. Эффективность лазера можно значительно повысить, если работать в режиме усилителя при сильном насыщении коэффициента усиления.