6. Экспериментальные приборы и методики измерений

6.1 Приборы и методы измерения

Для измерения временных характеристик и регистрации формы импульса лазерного излучения использовался фотоэлемент коаксиальный ФЭК-22СПУ. Измерение электрических импульсов в экспериментах осуществлялось при помощи осциллографов Tektronix TDS3014 и TDS3032. Чтобы отсечь шумовую компоненту в сигнале, осциллографы размещались в экранированной комнате.

Ширина спектра узкополосного импульса определялась с помощью воздушного интерферометра ИТ 28-30 с базой 2 мм. Оптическая схема установки изображена на Рис.14. Излучение лазера с выходного зеркала, отражаясь от кварцевого клина, попадало на линзу (f = 30 см) расширяющую пучок. Далее расширенный пучок падал на эталон Фабри-Перо базой 2 мм. При определении формы спектра излучения использовалась фотографическая регистрация спектрограмм на пленку микрат-300П с последующим прописыванием профиля почернения фотослоя на микрофотометре ИФО-451. Предварительно был определен линейный диапазон почернения пленки для рабочей длины волны.

Энергия и мощность излучения измерялась калориметром Gentec-E. Для более точного измерения малых значений энергии использовался ФЭК-22СПУ (с предварительной калибровкой),на Рис.15а. Длина волны лазерного излучения определялась с помощью спектрографа HR-4000 (Ocean Optics Inc.).

Исследование расходимости лазерного излучения проводилось методом Фуко [29]. Схема экспериментальной установки приведена на Рис 15б.

Рис.14 - Схема экспериментальной установки для измерения ширины спектральной линии излучения

1-XeCl-лазер; 2- кварцевая пластина; 3- линза для расширения пучка; 4- интерферометр ИТ28-30; 5- фотоаппарат; 6- блок фильтров.

6.2 Погрешности измерений

Все экспериментальные графики, приведенные в работе, построены по среднему значению из 36 измерений. Ошибка измерений большинства регистрируемых параметров определялась погрешностью используемых приборов. Систематическая ошибка измерений, вносимая приборами, не превышала 10 %. При анализе спектральных линий или измерении расходимости, сначала определялась среднеквадратичная ошибка по фомуле:

(52)

где, x- среднее значение измеряемых величин, х_i- измеряемая величина, n- число измерений.

А затем, задавая доверительную вероятность по Стьюденту [30] (=0.95), вычислялась величина доверительного интервала:

(53)

В нашем случае суммарный интервал погрешностей измерений не превышал величину 1520 % , что позволяет говорить о достоверности полученных в работе результатов и выводов.

6.3. Экспериментальные установки и их характеристики

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 TDK UHV-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 TDK UHV-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.

Рис.18 - Принципиальная электрическая схема накачки эксимерого лазера

ТГИ- водородный тиратрон; R_з- зарядное сопротивление; L_внеш- индуктивность внешнего контура; L_внутр- индуктивность внутреннего контура; L_разв- развязывающие индуктивности; С_н- накопительная емкость; С_р- разрядная емкость; РП- разрядный промежуток

Эффективность лазера, определяемая как отношение максимальных мощностей генерации и накачки, составляет 3,7%. Также отметим, что энергия, запасенная в первом конденсаторе равна 15,9 Дж, энергия, поступающая в разряд  10,5 Дж, энергия излучения 0,35 Дж. Эффективность лазера относительно энергии накачки составляет 3,3% и 2,2% относительно энергии первого конденсатора. Если при заданной длительности импульса энергия излучения будут резко уменьшаться. Можно ожидать, что увеличение удельной мощности накачки при неизменной длительности импульса позволит увеличить и эффективность, и энергию излучения. При этом возникают проблемы связанные с увеличением скорости нарастания удельной мощности накачки и эти проблемы не имеют простых решений.

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.

Начальная концентрация (Рис. 20) молекул HCl составляла 1,26·10¹⁷ см^3. В плазме происходит рост концентрации молекул HCl(v) в состояниях колебательного возбуждения. Соответственно, происходит увеличение скорости прилипания электронов к молекулам HCl(v). В плазме создается ситуация, при которой с ростом концентрации электронов происходит увеличение скоростей, как ступенчатой ионизации, так и диссоциативного прилипания. Взаимодействие этих процессов определяет характеристики плазмы, которые очень сильно зависят от начальной концентрации HCl. За время первого полупериода колебания разрядного тока суммарная концентрация HCl снизилась до 0,8·10¹⁷ см^3, расход молекул HCl составил 0,46·10¹⁷ см^3. При более полном использовании молекул HCl, что может быть достигнуто увеличением длительности импульса накачки, энергия излучения будет увеличиваться. При этом может быть ухудшение однородности разряда. На этом же рисунке показана временная зависимость концентрации фотонов лазерного излучения, максимальная концентрация которых составила ~4·10¹⁴ см^3.

На Рис. 21 показаны скорости процессов: создания молекул XeCl^**, тушения эксимерных молекул электронами и тяжелыми частицами, а также скорости индуцированного и спонтанного излучений. Представленные зависимости убедительно показывают, что сильное тушение эксимерных молекул, прежде всего электронами, затрудняет развитие генерации и снижает эффективность лазера. В момент времени 170 нс, соответствующий началу развития генерации, скорость создания молекул XeCl^** равна 6·10²³ см^3 с^1. В этот же момент времени скорости тушения электронами, остальными частицами и скорость спонтанного излучения, соответственно, равны: 3,5·10²³ см^-3 с^-1, 1,0·10²³ см^-3 с^-1 и 0,5·10²³ см^-3 с^-1. Более 80% от созданных эксимерных молекул гибнут в реакциях тушения. Столь сильное тушение замедляет рост концентрации молекул XeCl(B₀), соответственно, увеличивается время запаздывания генерации относительно начала накачки. В области максимальной генерации ситуация улучшается, скорость создания молекул XeCl^** составляет 7,5·10²³ см^3 с^1, а скорость создания квантов лазерного излучения увеличивается до 5 · 10²³ см^-3 с^-1. К этому моменту времени скорость тушения электронами снижается до 2 ·10²³ см^-3 с^-1. При максимальной мощности лазерного потока в резонаторе тушение эксимерных молекул электронами остается слишком большим и это снижает эффективность лазера.

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.