13. Самостоятельные разряды с предыонизацией, используемые для накачки лазерных сред

Л. Э. Клайн, Л. Ж. Дэн

13.1. Введение

Приблизительно в 1969 г. появились ТЕА-лазеры (лазеры, возбуждаемые поперечным разрядом при атмосферном давлении), что привело к быстрому развитию теории и практики самостоятельных тлеющих разрядов высокого давления, применяемых для накачки таких лазеров. Основная причина использования самостоятельных разрядов для накачки лазеров состоит в возможности поддерживать с их помощью электрическую проводимость в некотором объеме (режим тлеющего разряда), что обеспечивает эффективность накачки активных сред во многих газовых лазерных системах. Лазерная генерация осуществлена на ряде радиационных переходов, которым соответствует дискретный набор частот, перекрывающий диапазон от ультрафиолетового до дальнего инфракрасного участков спектра. Наиболее яркими примерами лазерных переходов являются электронные переходы в эксимерных молекулах галогенидов инертных газов (например, KrF, XeCl, XeF), лежащие в УФ области спектра, электронные переходы в молекулах галогенидов металлов (например, HgBr, HgCl), соответствующие видимой области, и колебательные переходы молекул (например, HF, СО, СО2), соответствующие излучению в ИК области спектра. Существенным шагом вперед в технике газового разряда, сделавшим возможным создание объемного самостоятельного разряда высокого давления, явилась разработка электродов с плоской геометрией, которые используются совместно с предыонизацией УФ излучением (УФ предыонизация).

Исторически основы технологии импульсного тлеющего разряда

высокого давления закладывались около 50 лет назад. Эти разряды впервые были изучены как промежуточная стадия электрического пробоя в газах при высоком давлении [31, 35, 37, 77, 98, 122]. Интерес к данным исследованиям был отчасти продиктован применением газов при высоком давлении в качестве изоляторов и в коммутаторах тока. Для большинства приложений, связанных с коммутацией, тлеющий разряд высокого давления нежелателен, так как он предшествует включению необходимого дугового режима горения разряда, соответствующего высокой проводимости, и таким образом задерживает его установление. Высокопроводящая нитевидная дуга является обычной стационарной формой разряда в газах при высоком давлении.

В последних исследованиях ТЕА-лазеров основное внимание уделялось изучению тлеющего режима горения разряда, необходимого для эффективной накачки лазера. Большинство этих исследований ТЕА-лазеров было нацелено на увеличение их выходной энергии и (или) выходной мощности, а также на увеличение эффективности преобразования электрической энергии в энергию излучения.

Требование режима диффузного тлеющего разряда возникает в связи с тем, что молекулы на верхнем лазерном уровне образуются при столкновениях с электронами. Следовательно, для создания инверсии населенностей энергия теплового движения электронов должна быть намного больше, чем тепловая энергия молекул газа, что и реализуется в тлеющем разряде.

Энергию и мощность ТЕА-лазеров можно увеличить за счет применения больших объемов разряда и более высокого давления газа. При фиксированном уровне выходной мощности энергию излучения лазера можно увеличить, удлиняя импульс генерации. Однако попытки улучшить эти параметры затрудняются тем, что при высоких давлениях газа существует тенденция к образованию дугового разряда. При формировании нитевидной дуги напряжение разряда стремится упасть, поскольку проводимость дуги является существенно более высокой, чем у тлеющего разряда. Даже если при образовании дуги напряжение и не падает, накачка лазера все-таки прекращается из-за того, что вводимая в разряд энергия концентрируется в дуге, в которой электронная и газовая температуры быстро выравниваются. Переход в дугу ухудшает оптические свойства лазерной среды, а также может привести к повреждению элементов системы.

Использование УФ предыонизации — это тот способ, который в лазере высокого давления позволяет масштабировать как длительность импульса, так и объем тлеющего разряда путем

подавления процесса формирования дуги. Изучение физики разряда с УФ предыонизацией и самостоятельного разряда, рассматриваемых ниже в разд. 13.3 и 13.4, прояснили роль предыонизации в подавлении дуги и показали, что предыонизация способствует повышению однородности тлеющего разряда.

Хотя причины, приводящие к формированию нитевидных дуг в диффузном тлеющем разряде, до сих пор окончательно не прояснились, было показано, что в самостоятельных разрядах выбор соответствующей геометрии электродов и электрических параметров разряда позволяет подавить возникновение дуги; см., например, работу Клайна и др. [75] и приведенные там ссылки, а также работы Дэна и др. [45, 46]. Дополнительную информацию об устойчивости и формировании дуги в лазерных разрядах высокого давления можно найти у Нигэна [106] и в гл. 2, 10 и 14 настоящей книги.

Для возбуждения газовых лазеров высокого давления используется несколько методов. Среди них — химические лазеры, обсуждаемые в гл. 7, газодинамические лазеры и лазеры с прямой накачкой электронным пучком, рассматриваемые в гл. 10 и 12 настоящей книги. Проблема дугообразования, свойственная электроразрядным лазерам в этих методах возбуждения лазерной среды, заменяется другими проблемами, связанными с реализацией указанных систем. Для накачки лазеров широко применяются также несамостоятельные тлеющие разряды, в которых для компенсации потерь электронов используется пучок высокоэнергетических электронов или другой источник ионизации, создающий электрон-ионные пары (см. гл. 8 и 11 настоящей книги). В несамостоятельных тлеющих разрядах тоже существует проблема образования дуг, хотя применение электронного пучка позволяет обеспечивать горение разряда при менее высоких электрических полях и изменить критерий устойчивости разряда.

Требования к оборудованию ТЕА-лазеров являются относительно простыми по сравнению со случаем накачки газовых лазеров высокого давления с помощью других методов. Благодаря этой простоте производство ТЕА-лазеров коммерчески стало очень выгодным и теперь ТЕА-лазеры на молекулах и на молекулах галогенидов инертных газов предлагаются для продажи более чем двенадцатью различными изготовителями [150]. ТЕА-лазеры почти повсеместно используются в приложениях, в которых требуются малые размеры и низкие мощности, например в качестве зондирующих и накачивающих источников, а также в качестве задающих генераторов в системах, состоящих из задающего генератора и усилителя мощности.

С другой стороны, применение ТЕА-лазеров в областях, требующих крупногабаритных лазеров высокой мощности, сдерживалось тем, что масштабирование этих лазеров продвигалось медленнее, тем масштабирование газовых лазеров высокого давления, использующих другие методы накачки. Однако следует заметить, что в продаже имеется ТЕА-лазер на СО2 с энергией импульса 2 кДж 150]. Масштабирование представляет существенную проблему для ГЕА-лазеров на галогенидах инертных газов, для которых полученная к настоящему времени наибольшая энергия импульса составляет несколько джоулей [87].

В этой главе мы рассмотрим следующие три вопроса: 1) различные конструкции ТЕА-лазеров, 2) физику процесса УФ предионизации и 3) физику самостоятельных тлеющих разрядов в лазерах. В связи с недостатком места некоторые относящиеся к теме вопросы были опущены или изложены весьма кратко. Мы обсудим лишь физику формирования дуги и многие экспериментальные факторы, влияющие на ее формирование, такие, как состав и соотношение между компонентами смеси, давление и степень чистоты газовой смеси, микронеровности и химическое состояние поверхности электрода. К другим важным вопросам, которые здесь не обсуждаются, относится работа непрерывных газовых лазеров атмосферного давления, работа импульсных газовых лазеров высокого (несколько атмосфер) давления, а также поведение тлеющих разрядов высокого давления при масштабировании (т. е. поведение в зависимости от произведения плотности газа на расстояние между электродами).