Моделирование процессов в лазерах на парах меди с модифицированной кинетикой тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.05, кандидат физико-математических наук Жданеев, Олег Валерьевич

• Жданеев, Олег Валерьевич
• кандидат физико-математических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Жданеев, Олег Валерьевич

Введение

ГЛАВА /.

1.1. ЛАЗЕРЫ НА ПАРАХ МЕТАЛЛОВ. ТЕКУЩЕЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ

1.2. АНАЛИТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЛАЗЕРОВ НА САМООГРАНИЧЕННЫХ ПЕРЕХОДАХ АТОМОВ МЕТАЛЛОВ

1.3. ЧИСЛЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЛАЗЕРОВ НА САМООГРАНИЧЕННЫХ ПЕРЕХОДАХ АТОМОВ МЕТАЛЛОВ

ГЛАВА 2.

МОДЕЛЬ РАСЧЕТА КИНЕТИКИ ЛАЗЕРОВ НА ПАРАХ МЕДИ С МОДИФИЦИРОВАННОЙ КИНЕТИКОЙ

2.1. Теоретическое рассмотрение лазеров на парах металлов

2.2. Методы решения жестких систем дифференциальных уравнений

2.3. Описание общей модели для расчета кинетики лазера на парах меди с модифицированной кинетикой

2.4. Анализ функции распределения электронов по энергиям в лазере на парах меди с модифицированной кинетикой

Введение

2.4.1. Би-максвелловская ФРЭЭ

2.4.2. Расчет квазистационарной ФРЭЭ

2.4.3. Кинетическая модель

2.4.4. Расчет ФРЭЭ

2.4.5. Описание использованных при расчете сечений

2.4.6. Результаты и обсуждение

Выводы к главе

ГЛАВА 3.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ДОБАВОК ЦЕЗИЯ НА РАБОТУ ЛАЗЕРА НА ПАРАХ МЕДИ

Введение

1. Описание кинетической модели

2. Предполагаемые механизмы влияния добавок цезия и их анализ

3. Анализ влияния цезия на предымпульсные значения и временные характеристики реагентов плазмы

4. Анализ влияния предымпульсных параметров плазмы на энергию излучения

Выводы к главе

Глава 4.

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМОВ ВЛИЯНИЯ ДОБАВОК ВОДОРОДА НА ГЕНЕРАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛАЗЕРА НА ПАРАХ МЕДИ

Введение

1. Описание кинетической модели

2. Механизмы влияния примеси водорода

Анализ выдвинутых предположений

3. Тестирование модели

3.1. Сопоставление с результатами работы [

3.2. Сопоставление с результатами работы группы Пайпера [257]

3.3. Сопоставление с экспериментами, выполненными в ГНПП "Исток" [

4. Обсуждение предымпульсных значений и временных зависимостей реагентов плазмы

5. Влияние частоты следования импульсов возбуждения

6. Влияние добавок водорода на электрические характеристики схемы возбуждения лазера на парах меди

6.1. Импульс возбуждения.

6.2. Влияние межимпульсного тока

7. Влияние предымпульсных условий активной среды на выходные характеристики лазера на парах меди

7.1. Влияние предымпульсной концентрации электронов

7.2. Влияние предымпульсной концентрации атомов меди в метастабильном состоянии.

Выводы к главе

Глава

АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ДОБАВОК ХЛОРВОДОРОДА НА РАБОТУ ЛАЗЕРА НА ПАРАХ МЕДИ

Введение

1. Описание кинетической модели

2. Механизмы влияния добавок хлорводорода

3. Тестирование модели

3.1. Сопоставление с результатами работы [

3.2. Сопоставление с результатами работы [

4. Обсуждение предымпульсных значений и временных зависимостей реагентов плазмы активной среды лазера

5. Влияние предымпульсных условий активной среды на выходные характеристики лазера на парах меди

Глава

АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ДОБАВОК БРОМВОДОРОДА НА РАБОТУ ЛАЗЕРА НА ПАРАХ МЕДИ

Введение

1. Описание кинетической модели

2. Механизмы влияния добавок бромводорода

3. Обсуждение временных зависимостей параметров плазмы активной среды лазера

Выводы к главе

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Моделирование процессов в лазерах на парах меди с модифицированной кинетикой»

Актуальность работы

Актуальность темы определяется интенсивным применением лазеров в современных системах высокоскоростной записи оптической информации, микрообработки материалов, зондирования параметров атмосферы, лазерного разделения изотопов. Для успешного решения этих задач требуется разработка эффективных лазеров, работающих в видимом диапазоне спектра. Одной из возможных реализаций данного класса лазеров являются лазеры, генерирующие на переходах с резонансных на метастабильные уровни атомов и ионов металлов. Благодаря уникальной совокупности выходных характеристик (высокая средняя мощность - единицы — сотни Вт, длительность импульса излучения, регулируемая в диапазоне единицы - десятки не, высокая частота следования импульсов - единицы -десятки кГц) лазеры на парах металлов успешно применяются в микроэлектронных технологиях, медицине, задачах оптики атмосферы, научных исследованиях и др. Наибольшее применение из лазеров на парах металлов нашел лазер на парах меди (ЛПМ).

В последнее время стандартным лазерам на парах металлов приходят на замену лазеры на парах металлов с модифицированной кинетикой. Они обладают гораздо более высокими лазерными и эксплуатационными характеристиками. Улучшение генерационных характеристик данных лазеров достигается использованием в их активной среде специальных активных примесей либо специальными конструкционными изменениями активного элемента лазера. Применение данных методов изменяет (модифицирует) кинетические процессы, протекающие в активной среде лазера, поэтому для обозначения этого вида лазеров на парах металлов мы используем специальный термин — «лазеры на парах металлов с модифицированной кинетикой» (впервые модифицирование кинетики путем введения примеси водорода было осуществлено в работах П.А. Бохана). Как следует из определения, класс лазеров на парах металлов с модифицированной кинетикой включает в себя группу лазеров на парах металлов с улучшенной кинетикой, которые используют добавки галогеноводородов (например, НС1 и НВг). Об актуальности темы исследования свидетельствуют и регулярные международные и национальные конференции по лазерам на парах металлов, присутствие секций по данному направлению в программах других конференций.

Экспериментальное и теоретическое изучение, практическое использование систем на основе лазеров на парах металлов с модифицированной кинетикой выявили ряд вопросов относительно процессов, протекающих в активной среде данных систем. Поиск ответов на возникающие при разработке и исследовании лазеров на парах металлов с модифицированной кинетикой вопросы приводит к необходимости разработки адекватных математических 5 моделей и использованию такого метода исследования, как численный эксперимент, который основывается на решении системы жестких дифференциальных уравнений, описывающих кинетические процессы в активной среде лазера.

Проведенные к моменту начала исследования теоретические работы были посвящены исследованию «стандартного», т.е. стандартной геометрии высокотемпературного без добавок лазера на парах меди. Практически полностью отсутствовали работы, направленные на теоретическое исследование кинетических процессов, протекающих в активной среде лазеров на парах металлов с модифицированной кинетикой. Однако в последнее время в печати появились как теоретические, так и экспериментальные работы, направленные на изучение физических основ данного класса лазеров. Большой вклад в развитие лазеров на парах металлов с улучшенной кинетикой внесли работы Р. Кармана, М. Висфорда, Р. Милдрена, Дж. Пайпера, Д. Маршала.

Знание процессов, протекающих в активной среде лазера с введенными в активную среду примесями, ответственных за эффективную накачку и релаксацию активной среды, а также за ее деградацию в процессе наработки активного элемента, и умение управлять этими механизмами позволят создать эффективные отпаянные лазеры видимого диапазона спектра на парах металлов с модифицированной кинетикой. В настоящее время, в связи с развитием вычислительной техники, важную роль при исследовании кинетики процессов в газоразрядной плазме лазеров на парах металлов стало играть компьютерное моделирование. С использованием математической модели лазера можно изучать его работу в труднореализуемых условиях, а также исследовать влияние различных факторов и механизмов на протекание процессов в плазме, что дает возможность более глубокого понимания физических процессов, происходящих в активной среде лазера.

В работе проведено исследование лазера на парах меди, работающего в импульсно-периодическом режиме, с различными введенными в активную среду добавками с целью определения влияния на генерационные характеристики параметров схемы возбуждения, предымпульсных значений концентраций электронов и атомов меди в метастабильном состоянии, а также процентного содержания в газоразрядной трубке активных примесей. Разработаны подробные нестационарные кинетические модели лазера на парах меди с. модифицированной кинетикой, которые описывают изменение во времени значений заселенностей уровней атома меди, молекулярных и атомарных примесей, плотности ионов меди и примеси, температуры электронов и интенсивности лазерного излучения на зеленой и желтой линии атома меди и т.д.

Цель работы

Целью является исследование лазеров на парах меди с модифицированной кинетикой, в том числе при высоких частотах следования импульсов возбуждения, преимущественно методами численного эксперимента с привлечением последних экспериментальных данных.

Поставленная цель потребовала решения следующих задач:

• Исследование лазеров на парах меди с добавками цезия, водорода, хлорводорода, брома, бромводорода.

• Исследование функции распределения электронов по энергиям в лазерах на парах меди с модифицированной кинетикой.

• Исследование влияния предымпульсных концентраций электронов и атомов меди в метастабильных состояниях на генерационные характеристики лазера на парах меди с модифицированной кинетикой, в том числе при высоких частотах следования импульсов возбуждения.

Научная новизна

1. Составлены подробные нестационарные кинетические модели ЛПМ с различными добавками (Cu-Ne-Нг, Cu-Ne-H2-HCl, Cu-Ne-Нг-НВг, Cu-Ne-Cs), учитывающие более 200 плазмохимических процессов. Для лазера на парах меди с добавками цезия в отличие от существовавшей ранее в разработанной модели учтена поуровневая кинетика атома цезия.

2. Исследовано влияние и выявлены механизмы улучшения генерационных характеристик при введении добавок Нг, НС1, НВг, Cs на выходные характеристики ЛПМ. Получены значения оптимальных концентраций добавок Нг, НС1, HBr, Cs.

3. Исследовано влияние предымпульсных концентраций электронов и атомов меди в метастабильных состояниях на генерационные характеристики ЛПМ. Получены расчетные зависимости энергии генерации от предымпульсных значений концентраций электронов и атомов меди в метастабильных состояниях.

4. Показано, что восстановление молекул хлорводорода в межимпульсный период в активной среде Cu-Ne-H2-HCl происходит преимущественно за счет реакций:

H + H + Ne->H2 + Ne, Н2 (v = 0; 1) + CI -> НС1 (v = 0; 1) + Н.

5. Вычислены профили нестационарных ФРЭЭ для ЛПМ с добавками Нг, НС1, Cs.

Защищаемые положения

1. Функция распределения электронов по энергиям (ФРЭЭ) в лазерах на парах меди с модифицированной кинетикой отличается как от максвелловской, так и от драйвейстейновской ФРЭЭ. Основное различие между реальной и максвелловской ФРЭЭ наблюдается в высокоэнергетической части ФРЭЭ. Тем не менее, хотя реальная форма ФРЭЭ отличается от максвелловской, её использование в кинетических моделях лазеров на парах металлов вполне оправдано, поскольку не приводит к существенным изменениям в вычисляемых параметрах активной среды.

2. Добавки цезия позволяют улучшить эффективность возбуждения активной среды лазера на парах меди за счет уменьшения количества вводимой после окончания импульса генерации энергии. Введение цезия в активную среду лазера приводит к уменьшению предымпульсной концентрации электронов, которая является существенным фактором, определяющим как частотные, так и энергетические параметры лазера на парах меди.

3. Ограничение частоты следования импульсов генерации и энергетических характеристик в высокотемпературных лазерах на парах меди с модифицированной кинетикой связано как с предымпульсной концентрацией электронов, так и с предымпульсной концентрацией атомов меди в метастабильных состояниях. Доминирующим фактором ограничения энергетических характеристик в типичных условиях работы (в диапазоне давлений буферного газа от 15 до 300 торр, температуре активного элемента 1500-1600 °С) при высоких частотах следования импульсов возбуждения является предымпульсная концентрация электронов.

4. Механизмы увеличения мощности излучения лазеров на парах меди при введении молекулярного водорода и хлорводорода различны при работе с низкой и высокой частотами повторения импульсов накачки. Для лазера на парах меди с добавками водорода при высоких частотах (/^>10 кГц) увеличение мощности излучения происходит за счет снижения предымпульсных значений концентрации электронов и атомов меди в метастабильном. состоянии, а также роста скорости восстановления концентрации меди в основном состоянии атома меди. При работе на низких частотах (/40 кГц) повторения импульсов возбуждения увеличение мощности излучения лазеров происходит вследствие роста рабочей концентрации атомов меди в активной среде за счет увеличения разогрева ГРТ при введении водорода и одновременном уменьшении предымпульсной населенности метастабильных уровней за счет их тушения молекулами водорода в колебательно возбужденных состояниях. В случае добавок хлорводорода при работе с низкой частотой повторения импульсов накачки основной вклад в увеличение энергии генерации дает увеличение рабочей концентрации атомов меди в основном состоянии, присутствующих в активной среде лазера и уменьшение предымпульсной концентрации электронов. При работе на высоких частотах повторения импульсов возбуждения наиболее существенное влияние на генерационные характеристики оказывает уменьшение предымпульсной концентрации электронов.

Научная ценность

Выявлены механизмы влияния добавок цезия, водорода, хлорводорода и бромводорода на работу лазера на парах меди.

Показано, что ранее выдвигавшаяся, превалирующая точка зрения об улучшении генерационных характеристик лазера на парах меди с введенной примесью цезия за счет резонансной передачи возбуждения от метастабильных атомов меди к атомам цезия является неверной.

Для лазеров с модифицированной кинетикой стандартными механизмами, без привлечения дополнительных процессов, невозможно объяснить экспериментальное улучшение генерационных характеристик лазера на парах меди с добавками бромводорода.

Показано, что использование максвелловской ФРЭЭ в кинетических моделях лазеров на парах меди вполне оправдано, несмотря на то, что реальная форма ФРЭЭ отличается от максвелловской ФРЭЭ.

Установлен доминирующий фактор, определяющий как частотные, так и энергетические параметры лазера на парах меди с модифицированной кинетикой — предымпульсная концентрация электронов.

Выявленные закономерности позволяют в дальнейшем разрабатывать более адекватные кинетические модели активных сред лазеров на парах металлов.

Практическая ценность

Определен диапазон оптимальных концентраций добавок цезия (~ 0.025-^0.05%), водорода (~ 2-ь4%), хлорводорода (~ 0.1^-0.2%) и бромводорода O.l-fO.2%) к лазеру на парах меди улучшающих его генерационные характеристики.

Использование вычисленных оптимальных концентраций добавок цезия, водорода, хлорводорода и бромводорода позволяет на десятки процентов повысить частотные и энергетические характеристики лазера на парах меди.

Разработанные кинетические модели и программы расчета основных параметров работы лазерных устройств позволяют производить, используя в качестве вычислительной системы обычный персональный компьютер, оптимизацию параметров устройства в целом и значительно сократить затраты при разработке новых технологических образцов лазеров.

Основные результаты диссертационной работы используются при исследованиях и разработке лазеров на парах меди в ИОА СО РАН (Томск), ТПУ (Томск), ИОФ им. A.M. Прохорова РАН (Москва), ГНПП "Исток" (Фрязино) и могут быть рекомендованы к использованию в других университетах, научно-исследовательских институтах и промышленных предприятиях, занимающихся разработкой лазеров на парах меди с модифицированной кинетикой.

Личный вклад автора

Все исследования, определившие защищаемые положения, выполнены автором лично, либо при его непосредственном участии. Личный вклад автора состоит в:

• построении кинетических моделей активных сред лазеров на парах меди с добавками цезия, водорода, хлорводорода и бромводорода;

• численном моделировании кинетических процессов лазеров на парах меди с модифицированной кинетикой;

• аналитическом исследовании влияния радиальных вставок на работу лазера на парах меди;

• анализе и интерпретации результатов численного моделирования и расчетов и выработке практических рекомендаций.

На различных этапах исследования в постановке задач и обсуждении результатов принимали участие A.M. Бойченко, Г.С. Евтушенко, С.И. Яковленко.

Апробация результатов работы

Полученные результаты представлены и обсуждены на:

• II Всероссийской конференции "Молекулярная физика неравновесных систем", Иваново, 2000;

• VI, VII, VIII, IX международных конференциях "Современные техника и технологии", Томск, 2000-2003;

• XIII, XIV симпозиумах "Лазеры на парах металлов", Лазаревское, Лоо, 2000,2002;

• II международной конференции "Измерение, контроль, информатизация", Барнаул, 2001;

• VII, IX научных конференциях студентов физиков и молодых ученых, Санкт-Петербург, Красноярск, 2001,2003;

• V International Symposium "KORUS", Tomsk, 2001;

• V, VI International Conferences "Atomic and Molecular Pulsed Laser", Tomsk, 2001, 2003;

• VI международной конференции "Молекулярная химия, биология, физика неравновесных систем", Иваново, 2002;

• XIV International Symposium "Gas Flow and Chemical Lasers and High Power Laser Conference", Poland, 2002;

• VIII International Conferences. "Laser and Laser Information Technologies", Bulgaria, 2003;

• International Symposium "Optics Lasers", St. Petersburg, 2003;

• Международной конференции "Молодые ученые-2003", Москва, 2003;

• Международной конференции "0птика-2003", Санкт-Петербург, 2003;

• Научно-технической конференции Лазеры на парах металлов и их применение, Томск, 2003;

• Научных семинарах отдела кинетики ИОФ АН РФ им. А.М Прохорова, лаборатории физической оптики ФИ АН РФ им. Лебедева, лаборатории квантовой электроники ИОА СО РАН.

Результаты исследований включены в отчеты по грантам РФФИ № 99-02-17016, ФЦП "Интеграция" "Исследование физических процессов определяющих достижимые частоты следования и длительности импульсов излучения лазеров на парах металлов и их соединений", Individual financial support № RX-1269 from Schlumberger Technology Corporation through CRDF, конкурсного центра фундаментального естествознания АОЗ-2.9-638. Основные результаты, включенные в диссертацию, опубликованы в 15 печатных работах в рецензируемых журналах и сборниках, общий список публикаций включает более 50 работ. Основные публикации по теме диссертации представлены в списке литературы [629].

За цикл работ "Расчет кинетики и схем возбуждения лазера на парах меди" автору присуждались государственные научные стипендии Президента РФ и премии Томской области в сфере образования и науки. По объему и значимости полученных результатов автор был награжден дипломами Томского политехнического университета, Института оптики атмосферы СО РАН, Томского научного центра СО РАН, Министерства образования РФ, медалями РАН и Министерства образования РФ.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, двух приложений, в первом из которых приведены величины сечений и констант скоростей реакций, использовавшихся в кинетических моделях, а во втором акты внедрения результатов диссертационной работы, и списка. литературы. Объем диссертации составляет 146 страниц текста, 35 рисунков, 38 таблиц и 325 литературных ссылок. Содержание работы

Заключение диссертации по теме «Оптика», Жданеев, Олег Валерьевич

Основные выводы работы:

1.

Установлен диапазон оптимальных концентраций добавок цезия (~ 0.025+0.05%), водорода (~ 2+4%), хлорводорода (~ 0.1+0.2%) и бромводорода (~ 0.1+0.2%) к лазеру на парах меди, использование которых позволяет на десятки процентов (20-40% в зависимости от сорта добавки) повысить частотные и энергетические характеристики лазера на парах меди. 2.

Исследовано влияние предымпульсных концентраций электронов и атомов меди в метастабильных состояниях на генерационные характеристики ЛПМ. Получены расчетные зависимости энергии генерации от предымпульсных значений концентраций электронов и атомов меди в метастабильных состояниях. Установлено, что доминирующим фактором в типичных условиях работы лазера на парах меди с модифицированной кинетикой (в диапазоне давлений буферного газа от 15 до 300 Тор, температура активного элемента 1500+1600 °С) при высоких частотах следования импульсов возбуждения является предымпульсная концентрация электронов 3.

Показано, что увеличение мощности излучения лазеров при добавках молекулярного водорода и хлорводорода имеет различную природу при низких и высоких частотах повторения импульсов. При высоких частотах (/>>10 кГц) увеличение мощности излучения лазеров на десятки процентов происходит за счет снижения предымпульсных значений концентрации электронов и атомов меди в метастабильном состоянии, а также роста скорости восстановления концентрации меди в основном состоянии атома меди. При работе на низких частотах (f~ 10 кГц) повторения импульсов возбуждения для лазера на парах меди с добавками (~ 2+4%) водорода увеличение мощности излучения происходит вследствие роста концентрации атомов меди в активной среде за счет увеличения разогрева газоразрядной трубки при введении водорода и одновременном уменьшении предымпульсной концентрации атомов меди в метастабильных состояниях за счет тушения этих уровней молекулами водорода в колебательно возбужденных состояниях. Для лазера на парах меди с добавками хлорводорода 0.1+0.2%) при работе на высоких частотах повторения импульсов возбуждения наиболее существенное влияние на генерационные характеристики оказывает уменьшение предымпульсной концентрации электронов. Предымпульсная концентрация атомов меди в метастабильных состояниях может даже возрастать, что ухудшает частотные и энергетические характеристики лазера.

4.

В работе рассчитаны нестационарные профили функций распределения электронов по энергиям как для стандартного лазера на парах меди, так и для лазера на парах меди с примесями водорода, хлорводорода, цезия. Показано, что ФРЭЭ не является ни максвелловской, ни драйвейстейновской. Основное различие между реальной и максвелловской ФРЭЭ наблюдается в высокоэнергетической части ФРЭЭ. Это приводит к существенному (более чем в 5 раз) уменьшению скоростей возбуждения и ионизации атомов буферного газа неона. Установлено, что хотя реальная форма ФРЭЭ отличается от максвелловской ФРЭЭ в активной среде ЛПМ, тем не менее использование максвелловской ФРЭЭ в моделях ЛПМ вполне оправдано.

5.

Показано, что восстановление молекул хлорводорода в межимпульсный период в лазере на парах Cu-Ne-H2-HCl происходит преимущественно за счет реакций:

Н + Н + Ne Н2 + Ne, Н2 (v=0,l) + CI HCI (v=0,l) + Н.

6.

Установлено, что для лазеров на парах меди с модифицированной кинетикой стандартными механизмами, без привлечения дополнительных процессов (например, химического перевода меди из твердой фазы в газовую), невозможно объяснить экспериментальное улучшение генерационных характеристик лазера на парах меди с добавками бромводорода. 7.

Проведен анализ влияния параметров разрядного контура на выходные параметры лазера на парах меди. Установлено немонотонное поведение сопротивления плазмы в течение импульса возбуждения, связанное с наличием вкладов электрон-атомных и кулоновских электрон-ионных столкновений.

Проведено моделирование работы промышленного активного элемента лазера на парах меди «Кристалл LT-40» с добавками водорода. Показано, что введение примеси водорода приводит к увеличению оптимальной частоты следования импульсов и мощности 50%), что находится в хорошем согласии с результатами экспериментов Н. Лябина и др. 9.

Разработанные математические модели импульсно периодических лазеров на парах меди с добавками водорода (Н2), хлорводорода (НС1), бромводорода (НВг) и цезия (Cs) позволяют методом численного эксперимента исследовать физические процессы, протекающие в плазме активной среды лазера, проводить выбор параметров активного элемента лазера и значений параметров элементов разрядного контура. Данные математические модели внедрены в процесс разработки и исследования лазеров на парах металлов в лаборатории квантовой электроники Института оптики атмосферы СО РАН, в учебный процесс кафедры Промышленной и медицинской электроники Томского политехнического университета и используются в лабораторных работах по курсу "Квантовая и оптическая электроника".

БЛАГОДАРНОСТЬ

В заключение считаю своим долгом выразить глубокую признательность научному руководителю профессору Томского политехнического университета, Г.С. Евтушенко за общее руководство и обсуждение полученных результатов; научному консультанту зав. лабораторией атомной спектроскопии Института общей физики АН РФ A.M. Бойченко за полезные советы и неоценимую помощь в работе; профессору, зав. отделом кинетики Института общей физики АН РФ С.И. Яковленко за многочисленные наставления и общие консультации; а также сотрудникам лаборатории квантовой электроники Института оптики атмосферы СО РАН Д.В. Шиянову и Д.Ю. Шестакову за помощь в получении экспериментальных результатов.

Заключение

Диссертация посвящена вопросам теоретического исследования лазеров на парах меди с модифицированной кинетикой. С данной целью методами математического моделирования исследовано влияние на генерационные характеристики лазера на парах меди добавок цезия, водорода, хлорводорода и бромводорода. В работе рассчитаны нестационарные профили функций распределения электронов по энергиям как для стандартного лазера на парах меди, так и для лазера на парах меди с активными примесями.

При анализе кинетики активных сред лазеров на парах меди с модифицированной кинетикой использовался метод исследования локальных характеристик активной среды путем решения жестких систем нелинейных обыкновенных дифференциальных уравнений первого порядка, описывающих временное поведение населенностей реагентов плазмы и уравнений для электронной и газовой температур.

Для определения характеристик лазерного излучения дополнительно вводились уравнения переноса для интенсивности излучения. Решение нестационарных уравнений системы жестких дифференциальных уравнений, описывающих плазмохимические процессы и процесс развития излучения сопряжено со значительными вычислительными трудностями. В связи с этим, при вычислении удельных энергетических характеристик использовалось нульмерное приближение как для уравнения переноса, так и для описания распределения параметров активной среды.

Но даже в нульмерном приближении решение полученной системы уравнений является сложной вычислительной задачей, так как сопряжено с решением жесткой системы обыкновенных дифференциальных уравнений. В данной работе полученная система уравнений с заданными начальными условиями решалась в среде ПЛАЗЕР, специально разработанном под руководством С.И. Яковленко, для исследования характеристик сред и излучения лазеров на электронных переходах молекул, атомов и ионов.

Исследование физико-химических процессов, протекающих в активной среде лазеров на самоограниченных переходах атомов металлов, сопряжено с решением жесткой системы дифференциальных уравнений. Одним из наиболее распространенных и лучших по своим характеристикам методов, который и использовался в данной работе для решения жестких систем дифференциальных уравнений, является метод, предложенный Гиром.

С целью исследования механизмов влияния добавок цезия, водорода, хлорводорода и бромводорода на генерационные характеристики лазера на парах меди были разработаны подробные нестационарные кинетические модели активных сред Cu-Ne-Cs, Cu-Ne-Нг, Cu-Ne-H2-HCl, Си-Ые-Нг-Вгг, Cu-Ne-HBr описывающие лазерное излучение на длинах волн Х=510.6, 578.2 нм атома меди. Модели позволяют проводить анализ изменений средних по объему значений населенностей уровней атомов меди, неона и добавки, плотности ионов этих элементов, температуры электронов и интенсивности лазерного излучения на двух длинах волн. В кинетической модели для меди учитывалось следующие состояния: Си (Си(4 2Sm), Cu(4s2 2 Dsn), Cu(4s2 2А/2), Cu(4 2Pm), Cu(5 2Sm)), два уровня, объединяющие соответственно три Си (Си(4Р°), Cu(4D°), Cu(4F0)) и четыре Си** (Си(5 2Рт), Си(5 2Р\п), Си(4 2D$a), Си(4 2Dm)) близко расположенных возбужденных уровня и основное состояние иона меди. У неона рассматривалось основное и два первых возбужденных состояния атома Ne, Ne* (совокупность З^-уровней) и Ne** (совокупность Зр-уровней), а также основное состояние Ne+ иона неона. Помимо данных реагентов учитывалась добавки цезия, водорода, хлор- или бромводорода, соответственно, в активной среде. Соответствующие наборы плазмо-химических реакций, более подробно описаны в соответствующих разделах диссертации и приведены в приложении.

Напряженность поля в плазме определялась с учетом электрической схемы возбуждения и переменного сопротивления разряда.

Для всех рассмотренных в диссертационной работе активных сред выполнен анализ ранее проведенных исследований и представлено исследование:

- Изменения предымпульсной концентрации электронов и атомов меди в метастабильных состояниях при введении в активную среду активных добавок;

- Изменения концентрации атомов рабочего металла при введении активных добавок в лазер;

- Влияния добавок на временные характеристики и релаксацию населенностей атомов меди в основном и метастабильных состояниях;

- Изменений электрических характеристик плазмы активного элемента;

- Влияния, добавок на временные характеристики температуры и концентрации электронов в течение импульса возбуждения и межимпульсный период;

- Влияния предымпульсных значений концентрации электронов и атомов меди в метастабильных состояниях на генерационные характеристики лазера;

- Возможных отрицательных последствий использования рассмотренных в работе примесей;

- Величин потерь энергии электронов в столкновениях с реагентами примеси;

- Изменений импульса генерации. Допо лн ительно при исследовании влияния добавок цезия проведен анализ:

- Процесса резонансной передачи возбуждения от метастабильных уровней атома меди атомам цезия в процессах

Си (D3n) + Cs -> Cs (Pin) + Си, Си (D3n) + Cs -> Cs (Рт) + Си, Си (D5n) + Cs -> Cs (Рщ) + Си, Си (Dsn) + Cs -> Cs (Рш) + Си;

- Ускорение релаксации температуры электронов в межимпульсный период из-за охлаждения электронов в соударениях с ионами цезия;

- При исследовании влияния добавок водорода дополнительно выполнен анализ механизмов влияния добавки на характеристики лазера:

- Ускорения релаксации параметров плазмы лазера на парах меди с добавками водорода за счет упругих столкновений электронов с атомами и молекулами водорода;

- Уменьшения предымпульсной концентрации электронов в активной среде лазера из-за прилипания электронов к атомарному водороду и диссоциативного прилипания электронов к молекулам водорода;

- Изменения теплопроводности активной среды при добавлении примеси водорода;

- Тушения метастабильных атомов меди колебательно возбужденными молекулами водорода с образованием молекулы СиН. при исследовании влияния добавок хлорводорода выполнен анализ:

- Диссоциативного прилипания электронов к молекулам хлорводорода (в особенности к колебательно возбужжденным);

- Замедления релаксации населенности метастабильных уровней атома меди в течение начального этапа межимпульсного периода по причине снижения концентрации электронов;

- Замедления спада температуры электронов в начальной стадии межимпульсного периода из-за уменьшения положительных ионов в плазме и, как следствие, уменьшения количества упругих кулоновских столкновений, приводящих к уменьшению температуры электронов.

- Изменения степени диссоциации молекулярного водорода, пи исследовании влияния добавок бромводорода выполнен анализ:

- Диссоциативного прилипания электронов к молекулам бромводорода;

- Влияния скорости прокачки добавки;

- Изменения степени диссоциации молекулярного водорода. Влияние добавок брома (атомарного или молекулярного).

Наиболее существенными допущения математических моделей являются: максвелловский вид функции распределения электронов по скоростям, отсутствие катодного падения потенциала, нуль-мерность описания диффузионных процессов и процесса развития излучения.

Исследованные в работе способы изменения (модификации) кинетики активных сред лазеров на парах меди путем введения в активную среду различных добавок или путем изменения геометрии разрядного канала оказываются перспективными как с точки зрения повышения энергетических, так и частотных характеристик лазеров на парах меди и в целом лазеров на парах металлов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Жданеев, Олег Валерьевич, 2004 год

1. Петраш Г.Г. Импульсные газоразрядные лазеры // Успех физ. наук. - 1971. - Т.105. -№4. - С. 645-676.

2. Солдатов А.Н., Соломонов В.И. Газоразрядные лазеры на самоограниченных переходах в парах металлов. Новосибирск.: Наука, 1985. - 152 с.

3. Лазеры на самоограниченных переходах атомов металлов / Батенин В.М., Бучанов В.В., Казарян М.А. и др. М.: Научная книга, 1998. - 544 с.

4. Little C.E. Metal Vapor Lasers: Physics, Engineering & Applicftsons. Chichester (UK): John Willey & Sons Ltd., 1998. - 620 p.

5. Boichenko А.М., Evtushenko G.S., Yakovlenko S.I., Zhdaneev O.V. The influence of the initial density of metastable states and electron density on the pulse repetition rate in a copper vapor laser // Laser Physics. 2001. - Vol.11. - №5. - P. 580-588.

6. Boichenko A.M., Evtushenko G.S., Yakovlenko S.I., Zhdaneev O.V. Mathematical modeling of copper vapor laser // Proc. V-Int. Symp. KORUS. 2001. - Vol. 1. - P. 298-302.

7. Жданеев O.B., Евтушенко Г.С. Численное исследование влияния цезия на характеристики лазера на парах меди // Оптика атмосферы и океана. 2002. - Т. 15. -№3.-С. 234-239.

8. Evtushenko G. S., Fedorov V.F., Shiyanov D. V., Shestakov D. Yu., Sukhanov V. В., Zhdaneev O.V. High pulse repetition rate metal and metal halide vapor lasers // Proc. SPIE. -2003. Vol. 5120. - P.60-66.

9. Boichenko A.M., Evtushenko G.S., Yakovlenko S.I., Zhdaneev O.V. Theoretical analysis of mechanisms behind the influence of hydrogen admixtures on lasing characteristics of a copper-vapor laser // Laser Physics. 2003. - Vol. 13. - №10. - P. 1231-1255

10. Жданеев О.В., Евтушенко Г.С. Анализ механизмов влияния примесей галогеноводородов на генерационные характеристики лазера на парах меди // Вестник ТПУ. 2003. - Т. - №3. - С. 45-48

11. Бойченко A.M., Евтушенко Г.С., Жданеев О.В., Яковленко С.И. Теоретический анализ механизмов влияния добавок водорода на генерационные характеристики лазера на парах меди // Квантовая электроника. 2003. - Т.ЗЗ. - №11. (в печати).

12. Жданеев О.В., Евтушенко Г.С. Теоретический анализ влияния радиальных вставок на генерационные характеристики лазера на парах меди // Оптика атмосферы и океана. -2003. Т. 16. - №7. - С. 216-223.

13. Бойченко A.M., Евтушенко Г.С., Жданеев О.В., Яковленко С.И. Влияние добавок цезия на генерационные характеристики лазера на парах меди // Оптика атмосферы и океана.- 2003. Т. 16. - №8. - С. 751-760.

14. Бойченко A.M., Евтушенко Г.С., Жданеев О.В., Яковленко С.И. Влияние добавок хлорводорода на работу лазера на парах меди. Препринт ИОА СО РАН №4, 2003 г. -30 с.

15. Бойченко A.M., Евтушенко Г.С., Жданеев О.В., Яковленко С.И. Исследование влияния добавок бромводорода на работу лазера на парах меди. Препринт ИОА СО РАН №5, 2003 г.-20 с.

16. Бойченко A.M., Евтушенко Г.С., Жданеев О.В., Яковленко С.И. Анализ функции распределения электронов по энергиям в лазере на парах меди с модифицированной кинетикой. Препринт ИОА СО РАН №6,2003 г. - 20 с.

17. Evtushenko G. S., Andrienko О. S., Zhdaneev O.V., Pavlinsky А. V., Shestakov D. Yu., Shiyanov D. Yu., Sokovikov V. G., Sukhanov V. B. Lead bromide vapor laser // Proc. SPIE.- 2001. Vol. 4747. - P. 202-206.

18. Евтушенко Г.С., Жданеев O.B., Павлинский A.B., Суханов В.Б., Шестаков Д.Ю., Шиянов Д.В. Лазер на парах бромида свинца с высокой частотой повторения импульсов // Оптика атмосферы и океана. 2003. - Т. 16. - №4. - С. 385-389.

19. Евтушенко Г.С., Жданеев О.В. Лабораторный практикум по курсу Квантовая и оптическая электроника // Издательство ТПУ. 2003. - 52 с.

20. Boichenko А.М., Evtushenko G.S., Yakovlenko S.I., Zhdaneev O.V. Theoretical investigation influence of cesium admixtures on copper vapor laser performance // Laser Physics. 2004. - Vol. 14. (в печати).

21. Boichenko A.M., Evtushenko G.S., Yakovlenko S.I., Zhdaneev O.V. Theoretical analyze of influence of hydrogenate chloride additives on copper vapor laser performance // Laser Physics. 2004. - Vol. 14. (в печати).

22. Boichenko A.M., Evtushenko G.S., Yakovlenko S.I., Zhdaneev O.V. Analysis of influence of hydrogenate bromide admixtures on copper vapor laser performance // Laser Physics. 2004. - Vol. 14. (в печати).

23. Boichenko A.M., Evtushenko G.S., Yakovlenko S.I., Zhdaneev, O.V. Investigation of electron energy distribution function of copper vapor laser with modified kinetics // Laser Physics. 2004. - Vol. 14. (в печати).

24. Boichenko A.M., Evtushenko G.S., Yakovlenko S.I., Zhdaneev O.V. Analysis of hydrogen additives on active element "Kristall LT-40 Cu" // Laser Physics. 2004. - Vol. 14. (в печати).

25. Активный элемент лазера на парах металлов: По заявке №2003102571 (002718) с приоритетом от 30.01.2003 г. / Евтушенко Г.С., Жданеев О.В., Климкин В.М., Погребенков В.М., Суханов В.Б., Федоров В.Ф.

26. Активный элемент лазера на парах металлов: По заявке №2002101432 (002718) с приоритетом от 30.12.2002 г. / Евтушенко Г.С., Жданеев О.В.

27. Лябин Н.А. Разработка и исследование промышленных отпаянных лазеров на парах меди мощностью 10-50 Вт для технологического и медицинского применений: Дис. . к.т.н.: 05.12.99 / Моск. гос. техн. униветситет им. Баумана. М., 2002. - 162 с.

28. Лябин Н.А., Чурсин А.Д., Доманов М.С. Отпаянные промышленные активные элементы лазеров на парах металлов мощностью от 1 до 50 Вт // Известия вузов. Физика. 1999. - Т. 44. - №8. - С. 67-73.

29. Лазеры на парах металлов: разработка, производство и применение отпаянных лазеров на парах меди и золота / Лябин Н.А., Чурсин А.Д., Угольников С.А. и др. // Квантовая электроника. 2001. - Т.31. - №3. - С. 191-202.

30. The influence of hydrogen efficiency of a copper vapor laser with sealed-off active elements. / Kazaryan M.A., Kolokolov I.S., Lyabin N.A., at al. // Laser Physics. 2002. - Vol.12. -№10.-P. 1281-1285.

31. Gould G. Collisional lasers // Appl. Optics. Suppl. 1965. - №2. - P. 59-64.

32. Fowles G.R., Silfvast W.T. High-gain laser transition in lead vapor // Appl. Phys. Lett. -1965. Vol.6. - №12. - P. 236-237.

33. Pulsed metal transition in manganese vapor / Piltch M., Walter W.T., Solimene N., at al. // Appl. Phys. Lett. 1965. - Vol.7. - №11. - P. 309-310.38.39,40.