Исследование активных сред дазеров
Министерство образования Республики Беларусь
УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ «ГРОДНЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ ЯНКИ
КУПАЛЫ»
УДК 535.8 УТВЕРЖДАЮ
№ госрегистрации Проректор по научной работе
Инв. № ГрГУ
им.Я.Купалы,
канд. физ.-мат. наук,
доцент
_______________ В.В.Сенько
ОТЧЕТ
О НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЕ
ИССЛЕДОВАНИЕ АКТИВНЫХ СРЕД ЛАЗЕРОВ
НА ЭКСИМЕРАХ И КРАСИТЕЛЯХ различных типов
(ЛАЗЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ)
(промежуточный)
г/б № М-15-01
Начальник НО ___________________
А.И Буть
Декан физ.-техн. фак.,
канд. физ.-мат. наук, доцент ____________________
Г.А.Гачко
Руководитель НИР
д.-р физ.-мат. наук, профессор ___________________
С.С.Ануфрик
Гродно 2002
СПИСОК ИСПОЛНИТЕЛЕЙ
Руководитель НИР,
д.-р физ.-мат. наук, профессор,
зав. каф. лазерной физ. и спектр.______________С.С.Ануфрик.
(реферат, введение,
разд. 1, 2, заключение)
Канд. физ.-мат. наук, доцент,
зам. декана физико-технического
факультета _________________ К.Ф.Зноско
(реферат, введение,
разд. 1, заключение)
Канд. физ.-мат. наук, доцент_________________В.Ю.Курстак
(реферат, введение,
разд. 2, заключение)
Ведущий инженер _________________А.П.Володенков
(разд. 1)
Нормоконтролер _________________Л.А.Шиханцова
РЕФЕРАТ
Отчет 47 с., 16 рис., 26 формул, 23 источников
ЭКСИМЕРНЫЕ ЛАЗЕРЫ, АКТИВНАЯ СРЕДА, ПОПЕРЕЧНЫЙ РАЗРЯД, СИСТЕМА
ВОЗБУЖДЕНИЯ, LС-ИНВЕРТОР, LС-КОНТУР, ЭНЕРГОВКЛАД, РЕЖИМЫ ВОЗБУЖДЕНИЯ, РОС-
лазеры, генерационные характеристики красителей
Объект исследования – электроразрядные эксимерные XeCl лазеры с
возбуждением LC-контуром и LC-инвертором для технологических применений;
РОС-лазеры на красителях.
Цель настоящей работы – 1) создание математической модели эксимерного
лазера с системой возбуждения на основе LC-контура с и LC-инвертора,
экспериментальное и теоретическое исследование оптимальных условий
возбуждения электроразрядных эксимерных лазеров, обеспечивающих
максимальную их эффективность; 2) исследование динамики населенностей
рабочих уровней и плотности фотонов РОС(лазера на бинарных смесях
красителей на коротковолновом краю спектра усиления акцептора при его
невысокой концентрации.
Разобраны особенности моделирования импеданса разряда различными
схемами замещения. Разработана методика расчета систем возбуждения ХеСl
лазера, выполненной по типу LC-контура и LC-инвертора, позволяющая
рассчитывать форму импульса напряжения на лазерных электродах и энерговклад
в активную среду в зависимости от параметров цепи возбуждения. Изучено
влияние параметров контуров возбуждения на энергетические характеристики
эксимерных лазеров. Показано, что для уменьшения потерь энергии в системе
возбуждения необходимо применять многоканальную коммутацию. Установлено,
что наибольшая энергия генерации достигается в случае реализации системами
возбуждения режима работы с автоматическим предымпульсом. Полученные
результаты применены для конструирования систем возбуждения технологических
электроразрядных эксимерных лазеров. Созданные эксимерные лазеры применены
для для изучения воздействия УФ-излучения на полимерные материалы.
Показано, что основной механизм создания инверсии населенности в
РОС(лазера на бинарных смесях красителей на коротковолновом краю спектра
усиления акцептора при его невысокой концентрации – излучательный перенос
энергии возбуждения.
Генерационные характеристики УКИ существенно зависят от концентрации
акцепторных молекул. Увеличение концентрации акцепторных молекул приводит к
удлинению УКИ, генерируемых РОС-лазером. Влияние безызлучательного
механизма передачи энергии возбуждения при этом постепенно увеличивается, а
излучательного падает.
Диапазон концентраций в пределах которого РОС-лазер работает в
указанном режиме достаточно узок и зависит от значений сечения поглощения и
усиления молекул акцептора.
СОДЕРЖАНИЕ
1. исследование систем возбуждения
эксимерных лазеров
6
1.1. Введение
6
1.2. Исследование систем возбуждения эксимерных лазеров
на основе LC-контура
9
1.2.1. Компьютерное моделирование систем возбуждения эксимерных лазеров на
основе LC-контура
9 1.2.2. Экспериментальное исследование систем
возбуждения
на основе LC-контура
19
1.3. Исследование систем возбуждения эксимерных лазеров
на основе LC-инвертора
23
1.3.1. Компьютерное моделирование систем возбуждения эксимерных лазеров на
основе LC-инвертора
23
1.3.2. Экспериментальное исследование систем возбуждения
на основе LC-инвертора
27
1.4. Анализ полученных результатов
29
2. Влияние динамики инверсии и поглощения активной среды РОС-лазера на
красителях на генерационные характеристики УКИ излучения 31
2.1. Введение
31
2.2. Описание генерации излучения РОС-лазером
на двухкомпонентной смеси красителей
33
2.3. Генерация УКИ при наличии излучения донора
и переноса энергии возбуждения
36
Заключение
43
Список использованных источников 45
1. Исследование систем возбуждения эксимерных лазеров
1.1 Введение
В настоящее время эксимерные лазеры являются лучшими источниками
когерентного излучения в ультрафиолетовой области спектра. Хотя класс
эксимерных лазеров весьма широк, наиболее перспективной является группа
импульсных газоразрядных лазеров высокого давления на галогенидах инертных
газов, излучающих на длинах волн, расположенных в ультрафиолетовой (УФ)
области спектра, в частности электроразрядный эксимерный ХеСl лазер (длина
волны генерации 308 нм). Данный класс лазеров отличают сравнительная
простота конструкции, возможность достижения высоких энергий генерации и
пиковой мощности, малой угловой расходимости и возможности получения узкой
спектральной полосы генерации.
Для многих практических применений эксимерных лазеров важнейшее
значение имеют такие характеристики как энергия, мощность, длительность и
форма импульса генерации, расходимость и однородность пространственного
распределения энергии. Они зависят от целого ряда факторов, однако
определяющую роль играет система возбуждения активной среды, обеспечивающая
однородность энерговклада и формирование его квазистационарной стадии.
Поэтому на сегодняшний день не вызывает сомнений актуальность проблемы
повышения эффективности электроразрядных эксимерных лазеров, улучшение их
энергетических и временных характеристик. Существенную помощь в решении
данной задачи может оказать моделирование процесса возбуждения эксимерных
электроразрядных лазеров, а также схем их накачки, сочетающее в себе
теоретические расчеты и экспериментальные данные. Развитие вычислительной
техники и создание новых расчетных программ позволило успешно моделировать
процесс возбуждения активной среды, появилась возможность теоретически, без
проведения дорогостоящего эксперимента исследовать зависимости вложенной в
активную среду энергии от широкого набора параметров цепи возбуждения,
выявлять оптимальные режимы возбуждения и набор параметров цепи
возбуждения, по заданным выходным характеристикам генерации.
Для повышения энергетических характеристик эксимерных лазеров
необходимо уменьшение потерь энергии в процессе его возбуждения. Для этого,
в первую очередь, необходимо уменьшить потери при коммутации высокого
напряжения. Одним из вариантов решения этой задачи является использование
многоканальной коммутации или использование параллельного включения
коммутаторов при их наносекундной синхронизации.
Системы возбуждения электроразрядных эксимерных лазеров, использующие
сосредоточенные емкости, можно классифицировать на выполненные по типу LC-
контура или LC-инвертора. В равной мере оба типа систем возбуждения
используются не только в лабораторных лазерах, но и в серийно выпускаемых
за рубежом. Вместе с тем они имеют и существенные отличия. Системы
возбуждения на основе LC-контура позволяют получать энергии генерации (1
Дж, а при импульсной зарядке накопительной емкости до 20 Дж [1],
формировать длинные импульсы генерации, успешно управлять их формой и
длительностью [2], иметь высокую генерационную эффективность [3]. Однако
такие требования к LC-контуру как минимальная индуктивность, использование
специальных конденсаторов и низкоимпедансных коммутаторов ограничивает их
применение, особенно когда необходимы высокие мощности генерации (>50 МВт)
и большая частота повторения импульсов. В таких случаях чаще всего
используются системы возбуждения на основе LC-инвертора. Во-первых, у них
снижены требования к коммутатору и индуктивности в его цепи [4] и во-
вторых, они позволяют вдвое увеличить напряжение, прикладываемое к лазерным
электродам.
Ниже в разделах 1.2-1.3 приведены результаты исследования выходных
