Разработка малогабаритных СО2-лазеров с накачкой объемным разрядом сверхатмосферного давления тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.02, кандидат наук До Куанг Мань

• До Куанг Мань
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук До Куанг Мань

ВВЕДЕНИЕ

1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Накачка СО2-лазеров в плазме газового разряда атмосферного и сверхатмосферного давлений

1.2 Объемные самостоятельные разряда атмосферного и сверхатмосферного давлений

1.3 Методы получения импульсов лазерного излучения наносекундной длительности

1.4 Выводы. Постановка задачи исследования

2 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ НАНОСЕКУНДНЫХ ИМПУЛЬСОВ ИЗЛУЧЕНИЯ В ТЕА-СО2 ЛАЗЕРАХ

2.1 Численные модели генерации импульсов излучения в СО2-лазерах атмосфероного и сверхатмосферного давлений

2.2 Численное определение условий формирования наносекундных импульсов излучения в СО2-лазерах

2.3 Требование к параметрам объемного разряда, обеспечивающего формирование наносекундных импульсов лазерного излучения

2.4 Основные результаты раздела

3 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ В ГАЗОРАЗРЯДНОМ ПРОМЕЖУТКЕ НА СТАДИЯХ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ИОНИЗАЦИИ, ПРОБОЯ И ГОРЕНИЯ ОБЪЕМНОГО РАЗРЯДА

3.1 Моделирование процессов на стадии предварительной ионизации в СО2-лазерных смесях атмосферного и сверхатмсоферного давлений

3.2 Расчет напряжений пробоя газоразрядного промежутка в СО2-лазерных смесях

3.3 Оценки времени существования объемных самостоятельных разрядов при атмосферном и сверхатмосферном давлениях

3.4 Основные результаты раздела

4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕ-СО2 ЛАЗЕРОВ И МЕТОДИКА ПРОВЕЛЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

4.1 Общее описание экспериментальной установки

4.2 Активные элементы опытных образцов малогабаритных СО2-лазеров сверхатмосферного давления

4.3 Генераторы высоковольтных импульсов для ТЕ-СО2 лазеров сверхатмосферного давления

4.4 Методика измерения напряжения на разрядных промежутках, тока объемного разряда и параметров импульсов излучения

4.5 Методика откачка и наполнения активных элементов рабочими газами

4.6 Основные результаты раздела

5 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ ОБЪЕМНОГО РАЗРЯДА В СО2-ЛАЗЕРЫХ СМЕСЯХ АТМОСФЕРНОГО И СВЕРХАТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЙ

5.1 Энергетические и временные характеритики объемного разряда при атмосферном и сверхатмосферном давлениях

5.1.1 Энергентические затраты на начальную ионизацию

5.1.2 Напряжение пробоя

5.1.3 Эффективность передачи энергии от генератора накачки к плазме объемного разряда

5.2 Характеристики объемного разряда в СО2-лазерных смесях при использовании катода с углеродном покрытием

5.3 Генерационные характеристики ТЕА-СО2 лазеров с накачкой объемным разрядом атмосферного и сверхатмосферного давлений

5.4 Влияние температуры газовой смеси ТЕА-СО2 лазеров на их энергетические характеристики

5.5 Основные результаты раздела

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы диссертационного исследования.

Формирование коротких импульсов излучения в ТЕА-СО2 лазерах в форме одиночного пика с длительностью до 10 нс представляет интерес для лазерной локации, экологического мониторинга окружающей среды, тестирования фотоприемных устройств и систем в 10-ти микронной области длин волн, а также для устройств «ослепления» следящих систем военного назначения. Мощные ТЕА-СО2 лазеры могут также успешно применяться для эффективной накачки газовых лазеров дальнего инфракрасного диапазона.

Повышенный интерес к использованию мощных импульсных СО2-лазеров сверхатмосферного давления наблюдается и для решения ряда фундаментальных физических проблем, таких как ускорение заряженных частиц световой волной и создание высокояркостных источников когерентного рентгеновского излучения. Не менее интересна и проблема создания мощных (более 1 ТВт) пикосекундных лазерных систем на длине волны 10 мкм. Разработка новых лазерных систем с очень высокой пиковой мощностью при длительности импульсов излучения в единицы и доли наносекунд открывает широкие, ранее недоступные возможности применения лазерного излучения. К их числу можно отнести следующие:

- генерация пикосекундных импульсов рентгеновского излучения в лазерной плазме для использования в рентгеновской микролитографии и микроскопии;

- формирование пакета многозарядных ионов в лазерной плазме для их последующего накопления и использования в схемах ускорителей типа «Суперкол-лайдер»;

- создание управляемых лазером разрядов и формирование молниепроводов;

- реализация нелинейного распространения лазерного излучения (туннельный эффект и эффект Керра);

- воздействие лазерного излучения на биологические объекты и его применение в медицине;

- мод-селективная лазерохимия;

- возбуждение молекул фазомодулированными сверхкороткими импульсами лазерного излучения;

- реализация электронно-ионного энергообмена при взаимодействии лазерного излучения с твёрдыми мишенями, лазерное ускорение твёрдых тел;

- генерация электромагнитных полей и электрических токов в пикосекунд-ной лазерной плазме.

Формирование импульсов излучения с длительностью менее 10 наносекунд в СО2-лазерных смесях связано с увеличением давления активной среды до нескольких атмосфер, а также с применением специальных методов формирования излучения, таких как модуляция добротности резонатора или синхронизация мод. Эти методы достаточно сложны и, как правило, требуют применения управляемых оптических элементов с повышенной лучевой стойкостью.

В связи с этим является целесообразным изучение предельных возможностей традиционного для ТЕА-СО2 лазеров метода формирования импульсов излучения путем «переключения усиления» с целью сокращения длительности до нескольких наносекунд. Суть метода заключается в том, что инверсная населенность в активной среде создается очень быстро и когерентное излучение формируется в условиях значительного превышения порогового значения инверсной населенности.

Для создания необходимого превышения инверсной населенности над пороговым значением за очень короткое время в активных средах ТЕА-СО2 лазеров необходимо установление основных закономерностей и условий формирования объемных самостоятельных разрядов с большой плотностью тока и малой длительностью, в плазме которых происходит возбуждение рабочих уровней молекул двуокиси углерода и молекулярного азота.

Инициирование объемных разрядов при атмосферном давлении в большинстве случаев осуществляется с помощью достаточно простых и надежных электроразрядных устройств, генерирующих вакуумное ультрафиолетовое (ВУФ) излучение. При сверхатмосферном давлении возникает необходимость увеличения амплитуды возбуждающих импульсов и интенсивности ВУФ-излучения. В этих условиях инициирование объемных разрядов часто осуществляется с помощью рентгеновского

излучения или пучков высокоэнергетичных электронов. Однако такие методы инициирования разрядов непригодны для создания малогабаритных ТЕА-СО2 лазеров, поскольку они громоздки и требуют серьезной биологической защиты.

Цель настоящей работы заключается в создании действующих образцов малогабаритных СО2-лазеров, генерирующих импульсы излучения с длительностью менее 10 наносекунд.

Основные задачи диссертационного исследования:

Для достижения поставленной цели требует решения следующих задач:

1. Теорически определить условия достижения минимальных длителностей импульсов излучения в СО2-лазерах атмосферного и сверхатмосферного давлений.

2. Экспериментально определить условия формирования объемных разрядов накачки в СО2-лазерных смесях сверхатмосферного давления, обеспечивающих образование инверсной населенности с более чем десятикратным превышением порогового уровня за 10 - 70 нс.

3. Создать генераторы высоковольтных импульсов напряжения с амплитудой до 200 кВ и длительностью переднего фронта 10 - 20 нс при токах накачки более 1 кА и длительностью на полувысоте 10 - 30 нс.

4. Экспериментально установить условия наиболее полной передачи энергии от генератора накачки в активную среду малогабаритного ТЕА-СО2 лазера.

5. Теоретически оценить энергетические затраты на начальную ионизацию ВУФ-излучением при формировании объемных разрядов в СО2-лазерных смесях сверхатмосферного давления.

6. Экспериментально изучить поведение импульсов излучения в зависимости от параметров накачки, давления газовой смеси, компонентного состава и параметров резонатора ТЕ-СО2 лазера.

7. Определить влияние температуры активной среды малогабаритного отпаянного ТЕА-СО2 лазера на энергию излучения в импульсе.

Научная новизна определяется следующими полученными в работе результатами.

1. Установлены основные закономерности формирования объемных разря-

дов накачки в СО2-лазерных смесях сверхатмосферного давления, обеспечивающих образование инверсной населенности с многократным превышением порогового уровня в наносекундном диапазоне времени.

2. Впервые получены короткие (5 - 7) нс импульсы излучения с мощностью более 10 МВт в малогабаритном отпаянном ТЕ-СО2 лазере без каких-либо дополнительных электрооптических устройств.

3. Впервые проведено комплексное исследование влияния температуры активной среды в диапазоне от -280 С до +600 С на энергетические характеристики малогабаритного ТЕА-СО2 лазера.

Практическая значимость диссертационной работы:

1. Заложены физические основы создания малогабаритных отпаянных ТЕА-СО2 лазеров с длительностью импульсов излучения несколько наносекунд без применения дополнительных электрооптических элементов.

2. Созданы действующие образы малогабаритных отпаянных ТЕА-СО2 лазеров с энергией излучения в импульсе до 150 мДж при минимальной длительности импульсов (5 - 7) нс и импульсной мощности излучения до 30 МВт.

3. Предложена и реализована трехэлектроная схема формирования объемного разряда сверхатмосферного давления с минимальными энергетическими затратами на начальную ионизацию ВУФ-излучением.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Минимальная длительность импульсов излучения (5 - 7) нс, генерируемых в малогабаритных ТЕ-СО2 лазерах с длиной резонатора (20 - 25) см в режиме «переключения усиления», достигается при более чем десятикратном превышении начальной инверсной населенности над пороговым значением в течение времени (5 -20)Т0, где Т0 - время жизни фотонов в резонаторе.

2. Устойчивый объемный разряд накачки с минимальными энергетическими затратами на начальную ионизацию в СО2-лазерных смесях сверхатмосферного давления формируется в трехэлектродной системе, состоящей из последовательно включенных вспомогательного и основного разрядных промежутков, в которой вспомогательный электрод расположен на расстоянии 0,3 - 0,5 см от основного

разрядного промежутка, при приложении достаточного для пробоя основного газоразрядного промежутка высоковольтного импульса напряжения с временем нарастания не более 20 нс.

3. В малогабаритных ТЕА-СО2 лазерах наиболее полная (около 90 %) передача энергии из генератора накачки в активную среду обеспечивается при использовании СО2-лазерных смесей с содержанием гелия в интервале (50 - 80) % и общего содержания молекулярных компонентов в диапазоне (20 - 50) %.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка малогабаритных СО2-лазеров с накачкой объемным разрядом сверхатмосферного давления»

Апробация работы.

Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на:

XII Международной конференции «Импульсные лазеры на переходах атомов и молекул», 13-18 сентября 2015 г., г. Томск.

XVII Международной конференции «Оптика лазеров», 27 июня - 1 июля 2016 г., г. Санкт-Петербург.

XIII Международной конференции по импульсным лазерам и применениям лазеров AMPL-2017, 10-15 сентября 2017 г., г. Томск.

XVIII Международной конференции «Оптика лазеров» ICLO 2018, 4-8 июня 2018 г., г. Санкт-Петербург.

XXVI Международной конференции «Лазерно-информационные технологии в медицине, биологии, геоэкологии и транспорте», 10-15 сентября 2018 г., г. Новороссийск.

Публикации. По итогам исследований опубликовано 16 работ, среди которых: 8 статьей из перечня ВАК РФ рецензируемых научных журналов; 8 тезисов докладов на международных конференциях (из них 3 работы входят в единую реферативную базу данных Scopus).

Содержание диссертационной работы соответствует паспорту научной специальности: 05.27.02 - Вакуумная и плазменная электроника.

Структура работы. Диссертация содержит 141 страницу основного текста и состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 106 наименований и приложения. В диссертационную работу включено 3 таблиц и 60 рисунков.

ГЛАВА 1

ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ ГЕНЕРАЦИИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ПЛАЗМЕ ИМПУЛЬСНОГО ОБЪЕМНОГО РАЗРЯДА

1.1. Накачка СО2-лазеров в плазме газового разряда атмосферного

и сверхатмосферного давлений

Первой мощной системой, работающей при высоком давлении, был газовый лазер на СО2 с поперечным разрядом при атмосферном давлении (ТЕА-СО2 лазер). О создании таких лазеров было сообщено в конце 1969 и начале 1970 г. группами французских и канадских исследователей. Эти две ученных группы независимо разработали методы, с помощью которых можно было создавать высоковольтный тлеющий разряд в достаточно больших объемах смеси C02:N2:He при большом давлении [1 - 5]. Поперечные разряды в газах атмосферного и сверхатмосферного давлений, обладающие перечисленными свойствами, получили название «объемных разрядов», а лазеры, накачка которых осуществляется в плазме таких разрядов при атмосферном давлении, назвали ТЕА-СО2 лазеры (Transversely Excited Atmospheric Pressure Lasers). Для лазеров, работающих при сверхатмосферном давлении, название сократили до ТЕ-СО2 лазеров [6 - 10].

Активной средой обычного лазера на СО2 служит возбужденная электрическим разрядом смесь углекислого газа, азота и гелия. Механизм лазерного излучения проиллюстрирован на рисунке 1.1. Молекула СО2 имеет 3 нормальных колебательных состояния, обозначенные на рисунке v1 (симметричное валентное), v2 (деформационное) и v3 (несимметричное). Генерация лазерного излучения происходит на колебательно-вращательных переходах основного электронного состояния молекулы СО2 с длинами волн излучения в области (9 - 11) мкм (hv ~ 0,117 эВ).

Молекулы азота имеют нормальный уровень v = 0, с которого при возбуждающих ударах электронов плазмы электроны молекул повышают свою энергию и переходят на уровень v = 1. Энергия этого уровня почти совпадает с энергией верхнего лазерного уровня v3 молекулы СО2. Поэтому между указанной парой

уровней происходит быстрый обмен энергией, причем уровень V = 1 является ме-тастабильным и, таким образом, представляет собой резервуар для накопления энергии, которая используется для эффективного селективного возбуждения уровня Vз молекулы СО2. Кроме того, в газовой смеси имеет место и прямое возбуждение уровня Vз за счет столкновений с электронами.

Релаксация нижнего лазерного уровня происходит при возвращении молекул СО2 в основное состояние через уровень v2, скорость расселения которого может ограничивать скорости остальных процессов в лазере. Поскольку уровень v2 (0110) лежит вблизи основного состояния, температуру газа необходимо поддерживать относительно низкой, чтобы предохранить этот уровень от теплового заселения.

Рисунок 1.1 - Энергетическая диаграмма нижних колебательных состояний молекул СО2 - N и схема лазерной генерации излучения с длинами волн (9 - 11) мкм

Возбуждение молекул двуокиси углерода и азота в плазме газового разряда происходит в результате столкновений с электронами плазмы:

СО2 (000) + е- ^ СО2 (0001) + е- , 1.1)

N2 + е- ^ N2 (V =1 - 8) + е-, (1.2)

N2 (V = 1 - 8) + С02(000) ^ СО2 (0001) + N2 (V = 0 -7 ), (1.3)

СО2 (0001) + N2^ = 0 - 7) ^ N2 (V = 1 - 8) + СО2 (000). (1.4)

Кроме того, прямой электронный удар может приводить к возбуждению верхних (000п) колебательных уровней СО2. Однако молекула СО2 быстро релак-сирует с этих верхних состояний в состояние (0001) посредством околорезонансных столкновений типа:

С02(000п) + С02(000) ^ С02(000п-1) + С02(0001) (1.5)

Присутствие азота в лазерной смеси увеличивает эффективность накачки за счет возбуждения верхнего лазерного уровня СО2 молекулами N и обусловленной гелием релаксации нижнего уровня. Даже малые количества азота в смеси изменяют функцию распределения электронов в разряде и увеличивают коэффициент усиления активной среды. Повышение концентрации азота приводит к увеличению подкачки и удлинению импульса излучения.

Приведены на рисунке 1.2 результаты расчетов доли энергии электронов, передаваемой в возбуждение молекул СО2 и К2, как функцию давления газа, считая Е/Ы параметром [1].

Рисунок 1.2 - Зависимости доли энергии электронов, переходящей в возбуждение молекул СО2 и N

15 2

В случае N для значений Е/Ы порядка 10- В см энергия, передаваемая от электронов молекулам приблизительно поровну делится между колебательным и

электронным возбуждениями. В случае С02 для значений Е/Ы больше 3 10-16

2 О

Всм доли энергии, передаваемой на верхний лазерный уровень (00 1) значительно уменьшается.

Импульсные разряды при сверхатмосферном давлении, предназначенные для использования в СО2-лазерах, должны обладать (независимо от способа их получения) следующим свойствами [11 - 14]:

- устойчивая однородность с минимальной тенденцией к перерождению в узкие сжатые каналы (к локализации разряда);

- средняя энергия хаотического движения электронов в плазме, достаточная для эффективного преобразования в колебательную энергию молекул с максимальным КПД;

- высокая концентрация свободных электронов в газоразрядном промежутке (большая плотность тока), обеспечивающая создание в активной зоне большой плотности колебательной энергии за короткое время.

В импульсных СО2-лазерных системах возбуждение газа осуществляется очень короткими высоковольтными импульсами, которые подаются на основные электроды, образующие газоразрядный промежуток. Электроды имеют сравнительно большую длину и ориентированы вдоль лазерного луча, так что силовые линии электрического поля имеют поперечное по отношению к нему направление. Ширина электродов и межэлектродное расстояние много меньше их длины. При определенной амплитуде высоковольтных импульсов между основными электродами зажигается объемный самостоятельный разряд, в котором за счет ионизации газовых молекул образуется большое количество свободных электронов. Электрическое поле ускоряет электроны и повышает энергию их хаотического движения, которая затем расходуется на возбуждение молекул рабочей лазерной смеси (на «накачку» активной среды). Высокие значения концентрации свободных электронов и их температуры обеспечивают генерацию лазерного излучения.

1.2. Объемные самостоятельные разряды атмосферного и сверхатмосферного давлений

Основные параметры ТЕА-СО2 лазеров существенно улучшаются с ростом давления рабочей газовой смеси. Увеличивается энергия импульса излучения, повышаются пиковая мощность и максимально допустимая частота повторения импульсов. При сверхатмосферном давлении дискретные колебательно-вращательные линии в молекулярных газовых лазерах уширяются и могут сливаться в непрерывные эмиссионные полосы. Такой лазер можно плавно перестраивать в широкой области спектра или осуществлять режим работы с синхронизацией мод, позволяющий получать пикосекундные импульсы лазерного излучения [15, 16].

Формирование объемного самостоятельного газового разряда, в плазме которого осуществляется накачка СО2-лазеров атмосферного и сверхатмосферного давлений, имеет несколько характерных стадий: предварительная ионизация молекул газа в активной зоне, пробой основного межэлектродного промежутка, горение разряда и его «послесвечение». Каждая из этих стадий характеризуется своими параметрами, основными процессами и закономерностями, а также продолжительностью по времени.

Стадии предварительной ионизации и пробоя являются определяющими в формировании объемного разряда, как физического явления, поскольку они обеспечивают само существование электрического тока через газовую среду между основными электродами. В случаях, когда уровень начальной ионизации молекул мал или к газоразрядному промежутку приложено недостаточное по величине и по скорости нарастания напряжения, равномерный объемный разряд не возникает, а электрический ток между катодом и анодом проходит в виде искровых каналов, непригодных для накачки ТЕА-СО2 лазеров. Стадия предварительной ионизации газа, равномерной по всей длине электродов, является подготовительной и осуществляется непосредственно перед пробоем основного разрядного промежутка [17 - 20].

Без применения специальных мер, обеспечивающих интенсивную предиони-зацию, разряд в СО2-газовых лазерных смесях атмосферного и сверхатмосферного давления развивается в виде искрового канала («стримера»). При этом амплитуда импульса напряжения между катодом и анодом должна превышать статическое пробивное напряжение, которое определяется законом Пашена. Для инициирования разряда необходим хотя бы один свободный электрон, который приводит к образованию интенсивной электронной лавины, переходящей в стример, если число электронов в ней превышает критическое значение. В образовании стримера существенную роль играет ионизация молекул фотонами, образующимися в лавине. Поэтому «движение» стримера определяется, в основном, перемещением фронта ионизированного газа со скоростью, существенно превышающей скорость дрейфа электронов в промежутке. После «перемыкания» стримером области между электродами образуется плазменный канал, переходящий в дуговой.

Основной идеей формирования объемных разрядов в плотных газах является «многоэлектронное инициирование» электронных лавин, интенсивность каждой из которых недостаточна для возникновения стримера [21 - 25]. Практическая реализация идеи состоит в том, что в межэлектродном промежутке, до поступления на него высоковольтного импульса напряжения, создается достаточно высокая (106 - 109 см-3) однородная начальная концентрация инициирующих электронов. Такая концентрация свободных электронов обеспечивает пространственное перекрытие электронных лавин в разрядном промежутке на стадии пробоя и формирование пространственно однородного объемного разряда.

Для предионизации в современных ТЕА-СО2 лазерах используются два основных типа излучателей:

- источники вакуумного ультрафиолетового излучения (ВУФ-излучения), в которых энергия квантов сравнима с потенциалами ионизации молекул обычных рабочих газовых смесей (10 - 25) эВ;

- источники ионизирующего излучения, в которых энергия квантов или частиц имеет значения порядка (0,1 - 1) МэВ.

Развитые к настоящему времени способы предионизации разрядного объема можно условно классифицировать следующим образом:

- пучком высокоэнергетичных электронов, инжектируемых в область разряда через тонкую фольгу, разделяющую объемы лазера и ускорителя [26 - 28];

- излучением вспомогательного газового разряда в приэлектродной области основного разрядного промежутка с использованием рабочей поверхности одного из электродов основного разряда («лазеры с двойным разрядом») [ 7, 8, 10, 20, 29];

- излучением вспомогательного разряда, формируемого вне объема основного разрядного промежутка [30, 31];

- излучением высоких энергий (например, мягким рентгеновским излучением) [32 - 34].

Для инициирования разряда в СО2-лазерах эффективно используются импульсы тока пучка высокоэнергетичных электронов (200 - 300) кэВ с длительностью (10 - 20) нс [35]. Сокращение длительности импульсов пучка электронов позволяет существенно снизить энергию, затрачиваемую на создание проводимости в газовом промежутке. Электрическое поле между основными электродами лазера ускоряет образовавшиеся электроны, и они возбуждают молекулы рабочей газовой смеси. Разряд не является самостоятельным - он не возникает при отсутствии электронного пучка. Использование внешнего источника ионизации позволяет отделить процесс образования электронов в разрядной области от процессов, определяемых напряженностью электрического поля или явлениями переноса зарядов. В традиционных СО2-лазерах, с электрическим возбуждением самостоятельного разряда, отношение напряженности электрического поля к концентрации молекул обычно превышает значение (10-16 - 2 10-16) Всм-2, необходимое для того, чтобы распределение электронов по энергии хаотического движения было оптимальным для эффективной накачки верхнего лазерного уровня С02. Принципиально, это отношение может быть понижено уменьшением напряжения, но при этом концентрация электронов упадет до уровня, при котором накачка молекул не способна конкурировать с релаксационными процессами.

В СО2-лазерах с разрядом, управляемым электронным пучком малой дли-

тельности, удалось повысить общее давление рабочей газовой смеси, что перспективно для формирования коротких импульсов излучения и для получения плавной перестройки частоты излучения. Независимое управление процессами ионизации и возбуждения устраняет проблемы самоподдержания пробоя и локализации разряда. При этом путем изменения напряженности электрического поля в газе можно подобрать распределение электронов по скоростям таким, чтобы накачка молекул осуществлялась наиболее эффективно.

Достоинством способа предионизации рентгеновским излучением является способность обеспечивать необходимый уровень начальной ионизации в СО2-лазерах сверхатмосферного давления с большим межэлектродным расстоянием разрядных промежутков. В экспериментах по изучению свойств способа применялась традиционная схема возбуждения разряда с предионизацией короткими (~ 100 нс) импульсами мягкого рентгеновского излучения. Прямым сравнением разрядных характеристик при использовании рентгеновского излучения и ВУФ-излучения было показано, что первый способ позволяет значительно (до 40 см) увеличить длину межэлектродного промежутка и реализовать объёмный разряд с существенно (до 40 %) повышенным содержанием активных молекул СО2 и N в газовой смеси без добавления в неё легкоионизуемых примесей. При этом удельные характеристики лазера практически не изменялись.

Степень начальной ионизации и величина напряжения пробоя задают определенный «уровень устойчивости» и продолжительность объемного разряда на стадии горения, когда в плазму вводится энергия накачки. Уровень предиониза-ции оказывает также заметное влияние на максимальную частоту повторения импульсов, при которой еще возможно формирование объемного разряда [36, 37]. Многократное усиление начальной ионизации повышает устойчивость разряда к локализации и увеличивает вводимую в плазму энергию [38 - 41].

Наибольшее распространение в ТЕА-СО2 лазерах получил способ предио-низации газа в пространстве между катодом и анодом, основанный на использовании ВУФ-излучения от сравнительно большого числа слаботочных вспомогательных искровых, поверхностных или коронных разрядов, обычно расположен-

ных вдоль основных электродов на небольшом от них расстоянии. Достоинствами способа являются простота реализации и возможность получения большой концентрации начальных электронов при высокой пространственной однородности. Инициирующие электроны образуются в разрядном промежутке не только в результате объемной ионизации газовых молекул ВУФ-излучением, но и за счет фотоэмиссии электронов из катода.

На рисунке 1.3 приведены два варианта наиболее распространенных электродных систем для формирования объемного разряда (ОР) накачки с использованием ВУФ-излучения вспомогательных искровых разрядов [17].

Сп

I

Гк

Св

К

ОР

11.1,1

ВУФ

Св

а)

б)

Рисунок 1.3 - Схемы устройств ТЕА-СО2 лазеров для получения объемных разрядов с предионизацией ВУФ-излучением от вспомогательных разрядов, расположенных сбоку от основного промежутка (а) и под сеточным анодом (б)

Объемный разряд зажигается между анодом (А) и катодом (К). Ионизирующее ВУФ-излучение вспомогательных разрядов, обеспечивающее начальную ионизацию газовой смеси в основных разрядных промежутках, обозначено на рисунке стрелками. Энергия, потребляемая разрядами, задается конденсаторами Свсп..

Электроды основных промежутков имеют специальный профиль, исключающий чрезмерное повышение локальной напряженности электрического поля вблизи электродов и образование боковых искровых каналов. Вспомогательные электроды ВЭ представляют собой набор металлических игл и располагаются обычно по бокам основного разрядного промежутка на расстоянии (2 - 10) см (рисунок 1.3, а) или под анодом, выполненным из металлической сетки, на расстоянии (0,5 - 1) см (рисунок 1.3, б).

Высоковольтный импульс напряжения прикладывается к основным и вспомогательным электродам одновременно. В связи с тем, что межэлектродное расстояние вспомогательных промежутков значительно меньше, чем основных, напряженность электрического поля в них соответственно выше, и пробой этих промежутков по мере роста напряжения происходит раньше, чем пробой основного промежутка с однородным электрическим полем. Искровые разряды, образующиеся между вспомогательными электродами и анодами основных промежутков, являются интенсивными источниками ВУФ-излучения, которые ионизирует молекулы газа в основном разрядном промежутке и вызывает фотоэмиссию электронов из катода.

В результате к тому моменту, когда напряжение становится достаточным для пробоя основного разрядного промежутка, начальная ионизации газа в нем (и концентрация электронов, инициирующих лавины) повышается до уровня, необходимого для формирования объемного разряда. В таких условиях активная среда как на стадии пробоя, так и на стадии горения объемного разряда обладает требуемой высокой пространственной однородностью. Однородная стадия горения объемного разряда продолжается в течение времени от десятков наносекунд до нескольких микросекунд, после которого она переходит в стадию неоднородного искрового разряда, непригодного для накачки лазера. Причиной перехода является развитие различных плазменных неустойчивостей [14, 42, 43].

Получению объемных разрядов в СО2-лазерах при сверхатмосферном давлении препятствует повышение вероятности образования локальных искровых или дуговых каналов. Канальная форма импульсного разряда может быть результатом неоднородного таунсендовского или стримерного пробоев. Она может также сформироваться после однородного пробоя в результате развития неустойчи-востей низкотемпературной плазмы.

При сверхатмосферном давлении ВУФ-излучение проникает вглубь рабочего объема газа на достаточно большое (до 10 см) расстояние и повышает концентрацию свободных электронов, инициирующих электронные лавины. Эффект обусловлен следующими явлениями [18]:

1. Фотоэлектронная эмиссия с поверхности катода под действием ВУФ-излучения. Она возможна потому, что характерные значения энергии фотонов (5 -12) эВ больше работы выхода электронов (~ 4,5 эВ) для многих материалов, из которых изготовлены катоды.

2. Двухступенчатая (или многоступенчатая) ионизация молекул, при которой для образования одного электрона в газе высокого давления поглощается более одного фотона. Она может происходить, когда энергия фотонов меньше энергии ионизации молекул СО2-лазерной смеси (14,1 - 24,5) эВ.

3. Прямая объемная ионизация излучением газовых молекул с достаточно низким потенциалом ионизации, которые могут присутствовать в рабочем газе в виде неконтролируемых примесей.

Детально процессы, в результате которых в С02-лазерных смесях высокого давления под действием ВУФ-излучения вспомогательного искрового разряда образуются фотоэлектроны, схематически представлены на рисунке 1.4 [18].

Типичный спектр излучения искрового разряда (рисунок 1.4, а) в СО2-лазерной смеси в диапазоне длин волн (100 - 260) нм обусловлен высвечиванием возбужденных атомов и ионов углерода и азота. Этот диапазон соответствует интервалу энергии фотонов от 12,4 эВ до 4,8 эВ. Такие фотоны не могут ионизировать основные компоненты лазерной смеси, потому что энергия квантов излучения меньше энергия ионизации молекул углекислого газа (14,1 эВ); азота (15,5 эВ) и гелия (24,6 эВ). Если предположить, что в спектре изучения разряда имеются необходимые высокоэнергетичные фотоны (с длинами волн меньше 100 нм), то они тоже не смогут существенно повысить уровень начальной ионизации газовых молекул между электродами основного разряда, потому что на расстоянии около 1 мм от искры их полностью поглотят молекулы углекислого газа. Зависимость коэффициента поглощения излучения от длины волны для молекул СО2 представлена на рисунке 1.4, б. Из него следует, что на расстояние больше нескольких сантиметров может распространяться только излучение с длинами волн (115 - 125) нм (окно прозрачности углекислого газа с коэффициентом поглощения 1,5 см-1атм-1) и с длинами волн больше 160 нм [44, 45].

Рисунок 1.4 - Физические процессы при ВУФ-предионизации в ТЕА-СО2 лазерах: а - спектр излучения вспомогательного искрового разряда; б - спектральный коэффициент поглощения радиации углекислым газом; в - спектр прошедшего (непоглощенного) излучения; г - спектральные сечения фотоионизации N0 и СНХ.

На рисунке 1.4, в приведен спектр излучения искры после прохождения фотонов через слой СО2 «толщиной» около 10 смТорр. Это излучение используется для повышения начальной концентрации электронов в основном промежутке за счет ступенчатой фотоионизации молекул рабочей газовой смеси, а также путем прямой ионизации молекул специальных легкоионизируемых примесей.

Интенсивное поглощение в СО2 имеет длинноволновую границу около 165

нм. Фотоны с длиной волны больше 180 нм обладают слишком малой энергией, чтобы создать заметную плотность фотоэлектронов в лазерной смеси без использования легкоионизируемых присадок. Остальные компоненты лазерной смеси -азот и гелий - обладают очень малым поглощением в области (100 - 200) нм, поэтому их влияние на спектр излучения, способного ионизировать газ, мало.

Поскольку излучение с X = (115 - 125) нм и X > 160 нм не может ионизировать молекулы СО2, N и Не, предполагается, что фотоионизации подвергаются неконтролируемые примеси органических соединений СНх, всегда присутствующие в газах технической чистоты, и молекулы N0 и N0^ образующиеся в результате плазмохимических реакций. На рисунке 1.4, г приведены зависимости характерного сечения фотоионизации от длины волны излучения для легкоионизируемой присадки, имеющей порог ионизации на X = 140 нм (энергия ионизации молекул 8,9 эВ). Зависимости сечения фотоионизации молекул N0 и N02 от длины волны излучения имеют подобный вид с порогами ионизации X = 135 нм и X = 128 нм.

1.3. Методы получения импульсов лазерного излучения наносекундной длительности

Механизм создания инверсной населенности в TEA-CO2 лазерах аналогичен, в основном, тому, который действует во всех типах СО2-лазеров. Он обеспечивается на тех же колебательно-вращательных переходах молекул. Особенности процессов накачки связаны с использованием высокого давления рабочей газовой смеси, влияющего на взаимодействие между её компонентами, и с импульсным режимом работы лазера.

Генерация импульсов лазерного излучения в наносекундном диапазоне длительностей возможна при наличии оптической полосы усиления AvУcИЛ не менее 1 ГГц. Длительность импульсов излучения тИЗЛ и ширина полосы усиления связаны следующим соотношением:

?ИЗЛ= 1/^Ууснл.. (и)

Полоса усиления в СО2-лазерных смесях при наличии столкновительного уширения определяется соотношением [29]:

Ауусил = 5,76• 109 • Р2 - (х + 0,73у + 0,642)- (300/Т)1/2,Гц. (1.2)

где х, у, х - относительные доли СО2, N и Не; Т - температура газы, К; Р^ - общее давление газовой смеси, атм.

Для полного давления в одну атмосферу в зависимости от соотношения компонентов СО2-лазерной смеси величина уширения линии усиления составит приблизительно 4 ГГц. Полное перекрытие колебательно-вращательных линий при увеличении давления наступает при ~ 14 атм. С учетом того, что число таких линий в колебательно-вращательном спектре молекул двуокиси углерода достигает нескольких десятков, общая полоса усиления при давлении в 14 атм. может достигать 1500 ГГц (учтено 25 линий). Для случая перекрытия колебательно-вращательных линий при полном давлении в 10 атм. будет иметь место незначительный провал в общем контуре усиления. Для контура в 1500 ГГц предельное значение длительности импульса лазерного излучения может достигать ~ 0,0006 нс. Приведенные оценки указывают на необходимость реализации активных сред при давлениях порядка десяти атмосфер.

Применение рабочих смесей, находящихся при высоких давлениях, с различным компонентным составом и применение импульсного режима работы приводит к изменению процесса охлаждения активной среды и, следовательно, к иной степени населенности рабочих лазерных уровней. В связи с тем, что с увеличением давления возрастают скорость расселения нижнего лазерного уровня и число молекул, создающих инверсию, пиковая мощность излучения импульсного СО2 лазера растет пропорционально квадрату давления.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук До Куанг Мань, 2019 год

СПИСИОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Вуд, О.Р. Импульсные молекулярные лазеры высокого давления / О.Р. Вуд // Тр. Ин-та инж. по электрон. и радиоэлектрон. 1974. Т. 62. № 3. С. 8-134.

2. Басов, Н.Г. Импульсный С02-лазер с высоким давлением газовой смеси / Н.Г. Басов, Э.М. Беленов, В.А. Данилычев, А.Ф. Сучков // Квантовая электроника 1971, T. 3 C. 121-122.

3. Баранов, Г.А. Мощные импульсные СО2-лазеры высокого давления и их применения / Г.А. Баранов, А.А. Кучинский // Квантовая электроника 2005. T. 35. № 3. С. 219-229.

4. Баранов, Г.А. Широкоапертурный СО2-усилитель сверхатмосферного давления с накачкой объемным самостоятельным разрядом / Г.А. Баранов, А.А. Кучинский, П.В. Томашевич // ЖТФ, 2008, Т. 78, вып. 10. С. 53-58.

5. Кюн, В.В. Импульсные ТЕА-СО2 лазеры / В.В. Кюн, В.Г. Самородов // Обзоры по электронной технике. Сер. 11. Лазерная техника и оптоэлектроника. 1991. Вып. 2 (1329). 49 с.

6. Gilbert, J. Dynamics of the CO2 atmospheric pressure laser with transverse pulse excitation / J. Gilbert, J.L. Lachambre, F. Rheault, R. Fortin // Canadian Journal of Physics, 1972. Pp. 2523-2535.

7. Beaulieu, A.J. Transversely excited atmospheric pressure CO2 lasers / A.J. Beaulieu // Appl. Phys. Lett., June 1970. Vol. 16. Pp. 504-505.

8. Beaulieu, A.J. High peak power gas laser / A.J. Beaulieu // Proceedings of the IEEE. Vol. 5. Issue: 4, April 1971.

9. Andrews, К. J. A rate equation model for the design of TEA-CO2 oscillators / K.J. Andrews, P.E. Dyer, D.J. James // Journal of Physics E: Scientific Instruments, 1975. Vol. 8, Issue 6, pp. 493-497

10. Шелепина, Р.В. Электроразрядные импульсные СО2:N2:He при давлении газа не менее атмосферы / Р.В. Шелепина // Обзоры по электронной технике 1973. Вып. 176. №176. 58 с.

11. Басов, Н.Г. Инверсия населенностей в активной среде электроионизаци-

онного СО2-лазера при давлении рабочей смеси до 20 атм. / Н.Г. Басов, В.А. Да-нилычев, О.М. Керимов, А.С. Подсосонный // Письма в ЖЭТФ, Т.17. Вып. 3. С. 147-150.

12. Alcock, A.J. Continuously tunable high-pressure CO2 laser with UV-photoreionization / A.J. Alcock, K. Leopold, C. Richardson // Appl. Phys. Lett 1973. Vol. 23. № 10. Рр. 562-564.

13. Борисов, В.М. Фотоионизация в импульсном СО2-лазере / В.М. Борисов, Г.Г. Гладуш, Ю.Ю. Степанов // Квантовая электроника 1977. Т. 4. № 4. С. 809-814.

14. Месяц, Г.А. Импульсные газовые лазеры / Г.А. Месяц, В.В. Осипов, В.Ф. Тарасенко // М.: Наука, 1991. 72с.

15. Звелто, О. Принципы лазеров / О. Звелто. // М.: Мир, 1990. 560 с.

16. Тарасов, Д.В. Физика процессов в генераторах когерентного оптического излучения / Л.В. Тарасов // М.: Радио и связь, 1981. 440 с.

17. Хомич, В.Ю. Основы создания систем электроразрядного возбуждения мощных СО2, N2 и F2-лазеров / В.Ю. Хомич В, В.А. Ямщиков // М.: Физматлит. 2015. 168 с.

18. Газовые лазеры / Под ред. И. Мак-Даниэля, У. Нигэна // М.: Мир. 1986.

552с.

19. Осипов, В.В. Формирование плазменного столба объемного газового разряда с предварительной ионизацией / В.В. Осипов, В.В. Лисеиков // Письма в ЖТФ. 1996. Том 22, №19. С.74.

20. Карнюшин, В.Н., Солоухин Р. Н. Макроскопические и молекулярные процессы в газовых лазерах / В.Н. Карнюшин, Р.Н. Солоухин // М.: Атомиздат, 1981. 200 с.

21. Аполлонов, В.В. Формирование объемного самостоятельного разряда в условиях интенсивной УФ-подсветки области вблизи катода // В.В. Аполлонов, В.Р. Миненков, А.М. Прохоров, Б.В. Семкин, K.H. Фирсов, Б.Г. Шубин, В.А. Ямщиков // Квантовая электроника. 1984. Т.11, №7. С.1327-1331.

22. Бурцев, В.А. Импульсный СО2-лазер с накачкой объемным самостоятельным разрядом / В.А. Бурцев, А.Г. Гордейчик, А.А. Кучинский, В.А. Родичкин,

В.А. Смирнов // Квант. электрон. 1988. Т. 15. № 7. С. 1376-1380.

23. Осипов, В.В. Самостоятельный объемный разряд / В.В. Осипов // УФН. 2000. Т. 170. № 3. С. 225-245.

24. Осипов, В.В. Формирование самостоятельного объемного газового разряда / В.В. Осипов, В.В. Лисенков // Журнал технической физики, 2000. Т. 70, Вып. 10. С. 27-33

25. Осипов, В.В. Импульсный объемный разряд / В.В. Осипов // Соросов-ский образовательный журнал, 1998. №12. С. 87-93.

26. Алексеев, С.Б. СО2-лазер атмосферного давления с инициируемым пучком электронов разрядом, сформированным в рабочей смеси / С.Б. Алексеев, В.М. Орловский, В.Ф. Тарасенко // Квантовая электроника 2003. Т. 33. № 12. С. 10591061.

27. Орловский, В.М. Лазер на двуокиси углерода с разрядом, инициируемым пучком электронов в рабочей смеси лазера с давлением до 5 атм. / В.М. Орловский, С.Б. Алексеев, В.Ф. Тарасенко // Квант. электрон. 2011. Т. 41. № 11. С. 1033-1036.

28. Бычков, Ю.И. Инжекционная газовая электроника / Ю.И. Бычков, Ю.Д. Королев, Г.А. Месяц и др. // Изд-во Наука. Новосибирк: Наука, 1982. 301 с.

29. Виттеман, В. СО2-лазер / В. Виттеман // М.:Мир,1990. 360 с.

30. Колесников, Ю.А. Характеристики ТО2-лазера сверхатмосферного давления с УФ-предыонизацией канальными поверхностными разрядами / Ю.А. Колесников, А.А. Котов // Квантовая электроника 1987. Т. 14. № 7. С. 1401-1403.

31. Дашук, П.Н. Зажигание объемного разряда в С02-смесях повышенного давления / П.Н. Дашук, К.С. Кулаков, С.Л. Кулаков, Ю.В. Рыбин // Журнал технической физики 2008. Т. 78. № 5.С. 47-50.

32. Гордейчик, А.Г. Импульсный СО2-лазер с накачкой объемным самостоятельным разрядом и предыонизаицей мягким рентгеновским излучением / А.Г. Гордейчик, А.Г. Масленников, А.А. Кучинский, и др. // Квантовая электроника, 1991. Т. 18. № 10. С. 1173-1175

33. Кулаков, С.Л. Объемный самостоятельный разряд с предыонизацией УФ

и мягким рентгеновским излучением / С.Л. Кулаков, А.А. Кучинский и др. // ЖТФ 1990. Т. 60. Вып. 12. С. 43-49.

34. Козырев, А.В. Использование рентгеновского излучения для предварительной ионизации рабочей среды газовых лазеров высокого давления / А.В. Козырев, Ю.Д. Королев, Г.А. Месяц, Ю.Н. Новоселов, A.M. Прохоров, В.С. Скакун, В.Ф. Тарасенко, С.А. Генкин // Квантовая электроника 1984. Т. 11. № 3. С. 524-529.

35. Адамович, В.А. Излучение наносекундных импульсов СО2-лазером в режиме свободной генерации / В.А. Адамович, В.И. Баранов, Ю.Б. Смаковский, А.П. Стрельцов // Квантовая электроника 1978. Т. 5. № 4. С. 918-920.

36. Визирь, В.А. Малогабаритный СО2 лазер с высокой частотой повторения импульсов / В.А. Визирь, В.В. Осипов, В.А. Тельнов, Г.М. Хамидулин // Квантовая электроника. 1988. Т.5. № 6. С.1256-1260.

37. Gorkin, S.B. Sealed-off lasers with pulse repetition rate up to 5 kHz for technological applications / S.B. Gorkin, B.A. Kozlov, V.I. Solovyov // Proceedings of SPIE. 1994. Vol. 330. Рр. 137-150.

38. Бычков, Ю.И. Диффузная и канальная стадия при пробое перенапряженных газовых промежутков / Ю.И. Бычков, Ю.Д. Королев, В.М. Орловский // Изв. ВУЗов. Сер. «Физика». 1971. № 9, С. 45-49.

39. Yamabe, C. Characteristics of a ТЕА-СО2 laser preionized by ultraviolet light / C. Yamabe, T. Matsushita, S. Sato, K. Horii // J. Appl. Phys. 1980. Vol. 51. № 3. Рр. 1345-1350.

40. Жигалкин, А.К. О характеристиках объемного разряда с предварительной ионизацией ультрафиолетовым излучением в смесях СО2:К2:Не / А.К. Жигалкин, Ю.Л. Сидоров // ЖТФ. 1978. Т. 48. Вып.8. С. 1621-1623.

41. Ковальчук, Б.М. Лавинный разряд в газе и генерирование нано- и суб-наносекундных импульсов большого тока / Б.М. Ковальчук, В.В. Кремнев, Г.А. Месяц // ДАН СССР. 1970. Т. 191. № 1. С. 76-78.

42. Королев, Ю.Д. Физика импульсного пробоя газов / Ю.Д. Королев, Г.А. Месяц // М: Наука, 1991.224 с.

43. Месяц, Г.А. Объемные разряды высокого давления в газовых лазерах /

Г.А. Месяц, Ю.Д. Королев. // УФН. 1982. Т. 148. С. 101-122.

44. Seguin H.J. Photo absorption and ionization cross sections in a seeded CO2 laser mixture / Seguin H.J.J., Mcken D., Tulip J. // Applied Optics 1972. Vol. 16. Issue 1. Pp. 77-82.

45. D. McKen. Photoionization parameters in the carbon dioxide laser gases / McKen D., Seguin H.J., Tulip J. // IEEE Journal of Quantum Electronics 1976. Vol. 12. Issue 8.

46. Джорж Бирнбуам. Оптические квантовые генераторы / Под редакцией Ф.С. Файлуллова // Светское радио. М.: 1967.

47. Баранов, В.Ю. Об изменении параметров фотоионизационного CO2-лазера при увеличении давления до 10 атм. / В.Ю. Баранов, В.М. Борисов, Е.В. Ратников, Ю.А. Сатов, В.В. Судаков // Квантовая электроника1976. Т. 3. № 3. С. 651-653.

48. Баранов, В.Ю. Свободная генерация электроразрядного СО2-лазера в на-носекундном диапазоне длительности светового импульса / В.Ю. Баранов, В.М. Борисов, Ю.Б. Кирюхин и др. // Квантовая электроника 1978. Т. 5. № 5. С. 1141-1143.

49. Vasilev, S.G. Pulsed CO2 laser with self-sustained discharge, operating with free-Helium mixtures at superatmospherics pressures / S.G. Vasilev, P.A. Atanasov // Bulg. J. Phys. 1989. Vol. 16. №1. Pp. 129-134.

50. Manes, K.R. Analysis of the TEA-CO2 laser / K.R. Manes, H.J. Seguin // Journal of Applied Physics, 1972. Vol. 43, Issue 12, pр. 5073-5078.

51. Abdul Ghani, B. TEA-CO2 Laser Simulator: A software tool to predict the output pulse characteristics of TEA-CO2 laser / B. Abdul Ghani // Computer Physics Communications 2005, Т. 171. № 2. Рр. 93-106.

52. Abdul Ghani, B. Mathematical modeling of hybrid CO2 laser / B. Abdul Ghani, M. Hammadi // Optics & Laser Technology Т. 34. № 4. Рр. 243-247.

53. Soukieh, M. Mathematical modeling of TEA-CO2 laser / M. Soukieh, B. Abdul Ghani, M. Hammadi // Optics & Laser Technology 1998, Т. 30. № 8. Рр. 451-457.

54. Jin Wu. Mathematical modeling of tunable TEA-CO2 lasers / Jin Wu, Changjun Ke, Donglei Wang, Rongqing Tan, Chongyi Wan // Optics & Laser Technol-

ogy 2007. Т. 39. № 5. Рр. 1033-1039.

55. Koushki, A.M. Kinetic modeling of a pulsed CO2 laser / A.M. Koushki, S. Jelvani , K.S. Ilakhori // Lasers in Engineering 21(5-6). Рр. 265-280. February 2011.

56. Lachambre, J.L. Frequency and amplitude characteristics of a high repetition rate hybrid TEA-CO2 Laser / J.L. Lachambre, P. Lavigne, M. Verreault, G. Otise // IEEE J Quantum Electron 1978. Т. 14. № 3. Рр. 170-177.

57. Abrams, R.L. Broadening coefficients for the P(20) CO2 laser transition / R.L. Abrams // Appl. Phys. Lett. Vol. 25. rp. 609-611.

58. Смит, К. Численное моделирование газовых лазеров / K. Смит, P. Том-сон // Перевод с англ., Изд-во Мир, Москва, 1981. 516 с.

59. Видерхольд, Г. Возбуждение CO2-лазеров с поперечным самоподдерживающимся разрядом / Г. Видерхольд, К.Х. Доннерхаке // Квантовая электроника, 1976. Т. 3. № 4. С. 872-878.

60. Osipov, V.V. Pulsed repetitive TEA-CO2 lasers / V.V. Osipov // Proceedings of SPIE. 1996, Vol. 2619. rp. 32-38.

61. Runaway Electrons Preionized Diffuse Discharges / Editor Tarasenko, V.F. // New York.: Nova Publishers. 2014. 598 p.

62. Актон, Д. Газоразрядные лампы с холодным катодом / Д. Актон, Д. Свифт // М. Л.: Энергия. 1965. 480 с.

63. Киселев, Ю.В. Искровые разрядники / Ю.В. Киселев, В.П. Черепанов // М.: Сов. Радио. 1976. 67 с.

64. Месяц, Г.А. Импульсная энергетика и электроника / Г.А. Месяц // М.: Наука, 2004. 704 с.

65. Соболев, В.Д. Физические основы электронной техники / В.Д. Соболев // Высшая школа. 1979. 416 с.

66. Смирнов, Б.М. Физика слабоионизированного газа в задачах и решениях / Б.М. Смирнов // М.: Наука. 1985. 426 с.

67. Райзер, Ю.П. Физика газового разряда / Ю.П. Райзер // 3-е изд., перераб. и доп. Долгопрудный: Интеллект, 2009. 734 с.

68. Велихов, Е.П. К вопросу о комбинированной накачке газовых лазеров /

Е.П. Велихов, И.В. Новобранцев, В.Д. Письменный, А.Т. Рахимов, А.Н. Старостин // Докл. АН СССР, 1972. Т. 205. № 6. С. 1328-1331.

69. Базелян, Э.М. Искровой разряд / Э.М. Базелян, Ю.П. Райзер // М.: Изд-во МФТИ 1997. 320 с.

70. Райзер, Ю.П. Основы современной физики газоразрядных процессов / Ю.П. Райзер // М.: Наука, 1980. 416 с.

71. Райзер, Ю.П. Мощные электроразрядные лазеры на углеродном газе / Ю.П. Райзер // Соросовский образовательный журнал. 1997. Т. 8. С. 99-104.

72. Акишев, Ю.С. К вопросу о развитии прилипательной неустойчивости в ограниченной плазме / Ю.С. Акишев, С.В. Пашкин, В.В. Пономаренко, Н.А. Соколов, Н.И. Трушкин // ТВТ 1983. T. 21. Вып. 2. C. 209-218.

73. Акишев, Ю.С. Исследование прилипательной неустойчивости в тлеющем разряде в потоке воздуха / Ю.С. Акишев, А.П. Напартович, С.В. Пашкин // Физ.плазмы, 1978. Т. 4. Вып. 1. С.152-158.

74. Велихов, Е.П. Тлеющий разряд в потоке газа / Е.П. Велихов, В.С. Голубев, С.В. Пашкин // УФН. 1982. Т. 137. С. 117-150.

75. Pace, P.W. A sealed high-repetition-rate TEA-CO2 laser / P.W. Pace, M.Lacombe // IEEE Journal of Quantum Electronics, Apr. 1978. Vol. 4. Pp. 263-274.

76. Chemical ionization instability of a space discharge in CO2 media / Ed. G.A. Mesyats, V.V. Osipov, M.D. Konstantinov et al. Proc. Of CLEO-88. Anaheim (California), 1988, 424 p.

77. Константинов, М.Д. Химико-ионизационнаянеустойчивость объемного разряда в квазистабильных СО2 средах / М.Д. Константинов, В.В. Осипов, А.И. Суслов // ЖТФ. 1990. Т. 60. Вып.. 10. С.27-36.

78. Королев, Ю.Д. Моделирование нестационарных явлений в тлеющем разряде атмосферного давления / Ю.Д. Королев, О.Б. Франц, В.О. Нехорошев, А.И. Суслов, В.С. Касьянов, И.А. Шемякин, А.В. Болотов // Физика плазмы 2016. Vol. 42. Pp 606-615.

79. Месяц, Г.А. Взрывная Электронная эмиссия / Г.А. Месяц // М.: Физма-лит 2011. 280 с.

80. Литвинов, ЕА. Автоэмиссионные и взрывоэмиссионные процессы при вакуумных разрядах / Е.А. Литвинов, Г.А. Месяц, Д.И. Проскуровский // УФН 1983. Т. 139. С. 265-302.

81. Гейман, В.Г. Контракция самостоятельного объемного разряда в смесях CO2:N2:He в больших межэлектродных промежутках / В.Г. Гейман, С.А. Генкин, Ю.Д. Королев, Г.А. Месяц, Ю.Н. Новоселов // ТВТ 1986. Т. 24. №. 5. С. 857-861.

82. Бугаев, С.П. Взрывная эмиссия электронов / С.П. Бугаев, Е.А. Литвинов, Г.А. Месяц, Д.И. Проскуровский // УФН 1975. Т. 115. С. 101-120.

83. Королев, Ю.Д. Автоэмиссионные и взрывные процессы в газовом разряде / Ю.Д. Королев, Г.А. Месяц // Новосибирск: Наука, 1982. 260 с.

84. http://www.siglo-kinema.com - Kinema Software & CPAT.

85. До, К.М. Исследование начальной стадии формирования объемного разряда накачки в малогабаритном ТЕА-СО2 лазере / К.М. До, Б.А. Козлов // Вестник РГРТУ. № 3. Вып. 65. 2018. С. 156-163.

86. До, К.М. Эффективность передачи энергии из импульсного генератора накачки в активную среду малогабаритного ТЕА-СО2 лазера / К.М. До, Б.А. Козлов // Вестник РГРТУ. № 3. Вып. 65. 2018. С. 150-155.

87. Сливков, И.Н. Процессы при высоком напряжении в вакууме / И.Н. Сливков // М.: Энергоатомиздат. 1986.

88. Сидоров, Л.Н. Фуллерены / Л.Н. Сидоров, М.А. Юровская, А.Я. Борщев-сикй // Москва. Экзамен. 2005.

89. Нанотехнологии. Наноматериалы. Наносистемная техника. Под ред. П. П. Мальцева. - М.: Техносфера, 2008.

90. Дьячков, П.Н. Углеродные нанотрубки.Строение. Применение / Свойства / П.Н. Дьячков // М.: Бином, 2006

91. До, К.М. О роли углеродной сажи в формировании объемного разряда в накачки в СО2-лазерных смесях атмосферного давления / К.М. До, Б.А. Козлов, Т.Н. Май // Вестник РГРТУ. № 4. Вып. 66. Часть 2. 2018. С. 77-81.

92. Do, Q.M. Nanocarbon coating cathodes and energetic parameters of small-size TEA-CO2 lasers / Q.M. Do, B.A. Kozlov, T.N. Mai // Laser optics. 18th Interna-

tional conference. 2018. St. Petersburg, Russia, 4-8 June 2018.

https://ieeexplore.ieee.org/document/8435238/

93. Калашников С. Г. Электричество / С.Г. Калашников // М.: Физ-матлит, 2003. 624 с.

94. Kozlov, B.A. Energy parameters and resource of high-power pulse-periodical sealed-off TEA-CO2 lasers / B.A. Kozlov, S.G. Fomin // Proceedings of SPIE. 2000. Vol. 4351. Pp. 123-133.

95. Do, Q.M. Characteristics of a small sized TEA-CO2 laser with carbon coatings cathodes / Q.M. Do, T.N. Mai, B.A. Kozlov, N.S. Kulikov // Book of Abstracts International Conference AMPL-2017. Tomsk, Russia. 2017. P. 37.

96. Kozlov, B.A. Formation of gas flows in active media of small-seized off TEA-lasers by an electrical wind / B.A. Kozlov, V.I. Solovyov // Proc. SPIE. 3574, XII International Symposium on Gas Flow and Chemical Lasers and High-Power Laser Conference, 1998. St. Petersburg, Russia. Pp. 519-522.

97. Kozlov, B.A. Electric wind in electrode systems with corona points / B.A. Kozlov, V.I. Solovyov // Technical Physics. 2007. Vol. 52. Issue 7. Pp. 892-897.

98. Do, Q.M. Super-atmospheric metal-ceramic small-sized sealed-off TE-CO2 laser with PRR up to 25 Hz / Q.M. Do, B.A. Kozlov // Laser optics. 17th International conference. 2016. St. Petersburg, Russia, 27 June - 1 July 2016.

http://ieeexplore.ieee.org/document/7549706/.

99. Do, Q.M. Pulse-periodical super-atmospheric pressures TE-CO2 lasers with «electrical wind»/ Q.M. Do, B.A. Kozlov // Laser optics. 18th International conference. 2018. St. Petersburg, Russia, 4-8 June 2018

https://ieeexplore.ieee.org/document/8435205/

100. До, К.М. О влиянии добавок ксенона на скорость «электрического ветра» в СО2-лазерных смесях атмосферного давления / К.М. До, Б.А. Козлов // Вестник РГРТУ. № 2. Вып. 64. 2018. С. 122-127.

101. До, К.М. Исследование генерационных характеристик малогабаритного ТЕА-СО2 лазера / К.М. До, Б.А. Козлов // Вестник РГРТУ. № 4. Вып. 66. Часть 2. 2018. С. 69-76.

102. До, К.М. Малогабаритный отпаянный импульсно-периодический ТЕА-СО2 лазер для экологических применений / К.М. До, Т.Н. Май, Б.А. Козлов, А.Б. Ястребков // XXVI Международная Конференция «Лазерно-информационные технологии в медицине, биологии, геоэкологии и транспорте. Сентября 2018, Новороссийск». С. 65-66.

103. До, К.М. ТЕ-СО2 лазер с длительностью импульсов излучения менее 10 наносекунд / К.М. До, Б.А. Козлов, А.Б. Ястребков // XII Международная конференция «Импульсные лазеры на переходах атомов и молекул», 13-18 сентября 2015 г, г. Томск.

104. До, К.М. О влиянии метода охлаждения на энергетические параметры импульсов излучения малогабаритных ТЕА-СО2 лазеров / К.М. До, Б.А. Козлов, А.Б. Ястребков // Вестник РГРТУ. 2015. № 53. С. 139-143.

105. До, К.М. Генерационные характеристики малогабаритного ТЕА-СО2 лазера при охлаждении до -28°С / К.М. До, Б.А. Козлов // Вестник РГРТУ. № 2. Вып. 64. 2018. С. 116-121.

106. До, К.М. Ресурс малогабаритных отпаянных ТЕА-СО2 лазеров / К.М. До, Б.А. Козлов, Т.Н. Май // Вестник РГРТУ. № 4. Вып. 67. 2018. С. 126-133.

ПРИЛОЖЕНИЕ А

«УТВЕРЖДАЮ»

чвбной работе РГРТУ

К.В. Бухенский 2019 г.

Акт

об использовании в учебном процессе Рязанского государственного радиотехнического университета

результатов кандидатской диссертации До K.M. на тему «Разработка малогабаритных ССЬ-лазеров с накачкой объемным разрядом сверхатмосферного давления»

Настоящим актом подтверждается, что результаты исследований, полученные в кандидатской диссертации До K.M., внедрены в учебный процесс кафедры электронных приборов и используются при чтении лекций и проведении практических занятий по направлениям и по дисциплинам: «11.03.04» - Электроника и наноэлектроника (бакалавриат).

- Физические основы электроники;

- Квантовая и оптическая электроника.

«11.04.04» - Электроника и наноэлектроника (магистратура).

- Актуальные проблемы современной электроники.

Заместитель заведующего кафедрой электронных приборов РГРТУ, к.т.н., доцент

Председатель научно-методического совета РГРТУ, д.т.н., профессор

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

Акционерное общество «Научно-исследовательский институт газоразрядных приборов «Плазма»

ФПЛА1МА

уп Цяолмжмяо д И г с*ыиь Коссм Ш1.Ч кл («1ЛМ90Ш фаК (4Ч1.'|«4С*>в1 или рЦпшфплНкпспши ичлн р!«пиМнги

ИСХ

СП

ОН <Х Iу

АК!

О внедрении результатов

диссертационной работы аспиранта РГРТУ

До Куанг Маня «Разработка малогабаритных СОглазеров с накачкой объемным разрядом сверхатмосферного давления», представленной на соисканис ученой степени кандидата технических наук но специальности 05.27.02 вакуумная и плазменная электроника

Результаты диссертационной работы, в которой галожены физические основы создания малогабаритных П -СО? лазеров с мегаваггным уровнем импульсной мощности при длительности импульсов излучения в несколько наносекунд без применения каких-либо дополнительных электрооптических устройств, представляю! интерес для нашею предприятия.

Планируется использовать весь спектр новых научных результатов в перспективных разработках при создании метрологического оборудования в части калибровки скоростных фотоприемных устройств инфракрасного диапазона и при создании портативных лидеров для экологического мониторинга окружающей среды.

Развитые в диссертации Д.К. Маня теоретические подходы отвечают направлению проводимых на предприятии исследований и используются для количественных оценок временных характеристик импульсов излучения малогабаритных отпаянных С()глазеров атмосферного и сверхатмосферного давления.

Тех н и чес кий лире ктор АО «I Ьшзма»

Директор центра молекулярных лазеров к.ф.-M.il.

А.И. Бодров

В В. Кюн