Экспериментальное исследование субмиллиметрового квантового генератора на молекуле синильной кислоты

В настоящее время для генерации субмиллиметрового (СММ) излучения применяются, в основном, лампы обратной волны ?" 19], лазеры с оптической накачкой [29] и газоразрядные лазеры [бв]. Достоинством последних является их сравнительная простота и высокая надежность. Из этих генераторов наиболее широко используется и имеет тенденцию к дальнейшему распространению HCiVлазер (с/1 = 337 мкм) [9l], что связано с его высокой выходной мощностью (более 50 мВт на I м разряда) и доступностью изготовления в большинстве лабораторий.

Впервые лазерное излучение на молекуле синильной кислоты получено в импульсном режиме в 1964 году, а в непрерывном — в 1966 году [Юд]. В СССР первый лазер на Я^А/ был создан в ХГУ в 1967 году [24]. Первые экспериментальные и теоретические работы по исследованию НС Л/ -лазеров были посвящены совершенствованию их конструкций с целью увеличения выходной мощности, измерению коэффициента усиления и выяснению механизма генерации [б8, 102]. Проведенные измерения коэффициента усиления и частоты переходов лазеров на молекулах органических соединений [ll2? не подтвердили предположение об ответственности радикала СЫ за генерацию. В 1967 году Лайд и Маки [П8] «указав на существенную роль локальных внутримолекулярных резонансов при генерации СММ излучения на колебательно-вращательных переходах молекул, предположили, что ответственной за генерацию в смеси газов, содержащих Я, С и N, является молекула HCNe В настоящее время эта теория является общепризнанной.

Объяснение механизма создания инверсной заселенности рабочих уровней молекулы ЛÜ-PJ в газовом разряде наталкивается на существенные трудности, обусловленные тем, что в рабочей смеси газов образуется множество различных молекул и радикалов и только около 2,7% рабочих молекул [131]. В работе [127] указано на существенную роль в возбуждении молекулы плазмохимичес-ких реакций. Протекание необратимых плазмохимических реакций не позволило создать И С Nлазер, работающий без прокачки газовой смеси [12б], Однако, эти причины не повлияли на широкое использование НС Nлазера в прикладных исследованиях.

Первое широко известное применение эти лазеры нашли в цепях синтеза частот инфракрасной и видимой областей спектра [14б]. Для этого требуются источники излучения, имеющие высокую чистоту спектра и значительные мощности (20 — 100 мВт в непрерывном режиме), ввиду низкой эффективности гармонических смесителей в СММ диапазоне. Работы по исследованию ширины линии излучения показали, что, вследствие флуктуаций концентрации электронов в разряде, монохроматичность газоразрядных лазеров на молекулах синильной кислоты не превышает [*72, 119, 136, 145]. Абсолютная стабилизация частоты псылазеров по эталону [" 22, 36, I00J позволила улучшить эту характеристику на порядок. Фазовую синхронизацию лазера возможно осуществить только в течение коротких интервалов времени, ввиду узкой полосы системы автоподстройки, обусловленной инерционностью управляющих элементов. Для устойчивой работы ФАП лазер должен иметь высокую кратковременную стабильность в режиме свободной генерации. Для получения приемлемых уровней выходной мощности и чистоты спектра были созданы лазеры с длиной разряда до 8 м, работающие при пониженных давлениях рабочей смеси [22, ЮО]. Уменьшить ширину спектра, вплоть до I кГц, при сохранении уровня выходной мощности ЫСЫ-^лазеров, возбуждаемых разрядом постоянного тока, позволяет применение предложенной нами [28] рабочей смеси, содержащей окись углерода.

Дальнейшим толчком к исследованию и широкому применению лазеров на молекуле синильной кислоты послужили работы по управляемому термоядерному синтезу, так как оптимальными для интерферометрии плазмы большинства термоядерных установок являются частоты, лежащие в средней части субмиллиметрового диапазона [6, 55, 85]. Для этих целей требуются источники излучения с повышенной выходной мощностью, надежные в эксплуатации, обладающие хорошей долговременной стабильностью выходных характеристик. Для построения интерферометров с амплитудной индикацией фазового сдвига достаточным является обеспечение долговременной стабильности частоты привязкой ее к вершине контура усиления лазера [Х39 31, 119]. Более высокую точность определения параметров плазмы обеспечивают интерферометры с измерением фазового сдвига на промежуточной частоте, лежащей в радиодиапазоне. В настоящее время НСМлазеры используются для построения гомодинных схем интерферометров, в которых для сдвига частоты используются механические устройства [54, 5б]. Недостатком таких систем является низкая промежуточная частота (до 100 кГц), что ограничивает временное разрешение интерферометра. Повысить промежуточную частоту можно применением гетеродинных схем. Для реализации гетеродинных интерферометров необходимы источники с высокой чистотой спектра и долговременной стабильностью частоты. В работе Ы нами показана возможность применения И С А/ чяазеров с высокочастотным возбуждением для построения таких интерферометров.

Использование субмиллиметровых интерферометров на крупных установках (токамаки, стеллараторы, МГД-генераторы и др.), в особенности для многоканальной интерферометрии, требует создания как источников излучения с повышенной выходной мощностью и стабильностью характеристик, так и трактов канализации их излучения с малыми потерями. Перспективными направляющими системами в СММ диапазоне являются широкие полые диэлектрические волноводы ll2.il. В последнее время проводится широкое теоретическое и экспериментальное исследование таких систем [5, 44, 81]. Применение их в СММ интерферометре обеспечивает приемлемые уровни затухания (менее I дБ/м), меньшую критичность к юстировке и вибрациям по сравнению с зеркальными линиями передач [31, ПО] .

Работы по оптимизации выходных характеристик’ЫСМ -^лазеров, возбуждаемых разрядом постоянного тока, выполненные в центре ядерных исследований (Франция) под руководством Д. Верона, позволили получить мощности излучения более 100 мВт, при длине разряда 2 м [91, 92]. Улучшение характеристик лазера достигнуто при использовании волноводного резонатора и рабочей смеси с большим (до 80%) содержанием гелия. На основе этих лазеров построен многоканальный интерферометр для диагностики плазмы в то-камаке ТР? [ 143] .

Предложенный нами [28, 75] НСЫлазер с возбуждением высокочастотным разрядом позволил значительно улучшить монохроматичность излучения и повысить мощности, снимаемые с единицы объема используемой моды резонатора, по сравнению с лазером, возбуждаемым разрядом постоянного тока [~53, 76, 77].

Данная работа посвящена экспериментальному исследованию и оптимизации характеристик лазеров на молекуле синильной кислоты, вопросам канализации и детектирования излучения (<�Л = 337 мкм) с целью создания эффективных источников СММ излучения и построения на их основе гетеродинных и многоканальных интерферометров.

Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:

1. Впервые предложено применять высокочастотный (ВЧ) разряд для возбуждения НС Nлазеров.

2. Установлено, что добавление в рабочую смесь в определенной пропорции окиси углерода или ксенона улучшает энергетические характеристики лазеров на молекуле синильной кислоты. Дано качественное объяснение этому эффекту.

3. Предложен и обоснован метод измерения концентрации электронов в низкотемпературной плазме газоразрядных лазеров и впервые исследованы характеристики продольного емкостного ВЧ разряда в органических соединениях.

4. Впервые проведено детальное исследование частотных характеристик лазеров на молекуле синильной кислоты.

5. Предложена и реализована схема включения на проход двухзеркальных резонаторов, одно из зеркал которых глухое, а второе равномерно полупрозрачно, и разработана методика исследования их типов колебаний.

6. Установлены соотношения подобия для волноводных лазеров с ВЧ разрядом.

7. Разработан, построен и исследован эффективныйА^-ла-зер с рекордными характеристиками для гетеродинного СММ интерферометра.

Практическая ценность работы.

Найдены оптимальные режимы работылазеров с ВЧ возбуждением и получены соотношения для инженерного расчета лазеров с заданной выходной мощностью. Материалы, представленные в данной работе, послужили основой для создания//СЛ/-лазеров с ВЧ возбуждением в ХГУ, СМ, ИРЭ АН УССР. Разработанные лазеры применяются в интерферометрах для диагностики плазмы в МВТ АН СССР, ХШТИ, МРТИ, а также в ИОФАН (разработка ИРЭ АН УССР совместно с ХГУ), СФГИ. Проведенные исследования распространения СММ лазерных пучков в широких полых диэлектрических волноводах позволили применить тракты канализации излучения на их основе в интерферометрах на крупных плазменных установках (ИВТ АН СССР, ХФГИ).

Основные положения и результаты, выносимые на защиту.

1. Применение ВЧ разряда обеспечивает рекордные значения удельной выходной мощности, КПД и монохроматичности лазеров на молекуле синильной кислоты.

2. Использование окиси углерода в составе рабочей смеси НОМ-лазера с разрядом постоянного тока приводит к улучшению монохроматичности и четырехкратному росту КПД.

3.

Введение

в рабочую смесь лазеров на молекуле синильной кислоты ксенона обеспечивает увеличение на 30% коэффициента усиления.

4. Методика экспериментального исследования типов колебаний несимметричных лазерных резонаторов и измерения концентрации электронов в низкотемпературной плазме газоразрядных лазеров.

5. Результаты экспериментального исследования резонаторов, коэффициента усиления, потерь энергии моды ЕН^ при распространении в широких стеклянных трубах и построение на их основе соотношений подобия для инженерного расчета волноводных лазеров с возбуждением ВЧ разрядом.

6. Разработка и создание НСМлазеров, трактов канализации излучения для субмиллиметровых интерферометров, применяемых для диагностики плазмы на опытных и опытно-промышленных установках.

Апробация работы и публикации.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технической конференции «Использование оптических квантовых генераторов в современной технике» (гДенинград, 1971 г.), П Республиканском семинаре по квантовой электронике (г.Харьков,.

1973 г.), Всесоюзном симпозиуме по распространению СММ и ММ волн в атмосфере Земли и планет (Москва-Горький, 1974 г.), на Ш Всесоюзном симпозиуме по ММ и СММ волнам (г.Харьков, 1978 г.), на П Всесоюзном совещании по диагностике плазмы (г.Харьков, 1977 г.), на заседании Научного совета АН УССР по проблеме «Физика и техника миллиметровых и субмиллиметровых волн» (г.Харьков, 1984 г.), Всесоюзном семинаре «Лазерная техника и технология» (г.Троицк, 1984 г.), 1У Всесоюзном симпозиуме по ММ и СММ волнам (г.Харьков, 1984 г.).

Основные результаты диссертации опубликованы в работах [7, 13, 15, 28, 31, 65, 72−79, 82] и защищены авторским свидетельством № 794 695.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит 134 страницы основного машинописного текста, 74 рисунка, 5 таблиц и список литературы из 147 наименований.

Основные результаты, полученные в данной работе:

1. Показано, что эффективным методом улучшения энергетических и спектральных характеристик ПС/Vлазера является применение для его возбуждения высокочастотного емкостного разряда и установлено: а). Применение ВЧ возбуждения приводит к увеличению КПД лазера в 2 раза по сравнению с лазерами, возбуждаемыми постоянным током. Это обусловлено снижением температуры рабочего газа, равномерным распределением возбужденных молекул, а также уменьшением потерь резонатора в предложенных конструкциях разрядных трубок. б). Стабильность ВЧ разряда в органических соединениях обеспечивает сужение линии генерации лазера до 100 Гц.

2. Установлено, что введение в определенной пропорции в рабочую смесь лазера окиси углерода приводит к четырехкратному увеличению КПД лазера и улучшению его монохроматичности. Предложен механизм качественно объясняющий роль СО в улучшении инверсной заселенности рабочих молекул.

3. Впервые предложено использовать рабочую смесь ДОЛ/ и лазера, содержащую инертный газ с малым потенциалом ионизации (ксенон). Показано, что это приводит к увеличению выходной мощности на 30 и 50% соответственно. Экспериментально установлено, что присутствие ксенона увеличивает концентрацию электронов, снижает температуру разряда и уменьшает напряженность электрического поля.

4. Предложен метод измерения концентрации электронов в низкотемпературной плазме газоразрядных лазеров, обеспечивающий проведение измерений электронной плотности с погрешностью не более Ю9 см" 3.

5.Проведены экспериментальные исследования частотных характеристик НСЫлазеров и установлено: а). Крутизна частотной перестройки тылазера с БЧ возбуждением в зависимости от мощности, вкладываемой в разряд, составляет 64−8 кГц/Вт, а в зависимости от давления рабочей смеси — 600−700 кГц/мм рт.ст. б). Спектр кратковременных флуктуаций частоты лазера в диапазоне от 20 Гц до 5 кГц носит случайный характер, подчиняющийся статистике Гаусса.

6. Предложена методика экспериментального исследования лазерных резонаторов, одно из зеркал которых глухое, а второеполупрозрачно. Впервые проведено исследование зависимости характеристик основного типа колебаний волноводного лазерного резонатора от радиуса кривизны глухого зеркала Я и установлено следующее: а). Обратная по сравнению с открытыми резонаторами, при числах Френеля N ^ 2, зависимость потерь от? в устойчивой области геометрии: рост потерь с уменьшением радиуса кривизны вплоть до полуконфокальной геометрии. б). Отсутствие влияния? при малых числах Френеля на потери основной моды и межмодовое частотное разделение. в). Увеличение частотного сдвига моды ЕНц по отношению к ближайшему по частоте типу колебаний с уменьшением? приЛ^ I. г). Возможность адекватного расчета основных характеристик доминантной моды путем разложения поля в резонаторе с искривленными отражателями по типам колебаний широкого полого диэлектрического волновода.

7. Проведены измерения коэффициента усиления, полных потерь реальных лазерных резонаторов, потерь энергии моды EHjj при распространении в широких полых стеклянных трубах, обычно используемых для построения НС А/ -лазеров и получены: а). Соотношения подобия для инженерного расчета волновод-ных ИМлазеров с ВЧ возбуждением, работающих на типе колебаний ЕНц" б). Эмпирическая зависимость потерь энергии моды EHjj при распространении в широких полых стеклянных трубах, качественно совпадающая с теоретической.

8. Созданы образцы субмиллиметровых газоразрядныхJ-JCА/ -лазеров с ВЧ возбуждением, обладающие следующими основными характеристиками: рабочая длина волны — 337 мкмвыходная мощность при длине разряда а) 0,9 м — 40 мВт б) 1,3 м — 60 мВт в) 2,0 м — 100 мВт г) 3,2 м — 180 мВт. стабильность уровня выходной мощности — 3% за I час. Я стабильность частоты — не хуже 10 в течение часа поляризация излучения — линейная.

Для обеспечения указанных характеристик разработаны: а). Схемы стабилизации частоты лазера по вершине линии генерации. б). Схемы стабилизации уровня выходной мощности по опорному напряжению. в). Управляющие элементы для схем стабилизации, которые обеспечивают дистанционное управление при использовании лазеров в интерферометрах для крупных плазменных установок, когда доступ к ним ограничен.

9. Для построения интерферометров на основе НСА/лазеров с ВЧ возбуждением исследованы особенности распространения основной волноводной моды ЕНц в свободном пространстве и в широких полых диэлектрических волноводах. а). Показано, что на расстояниях и^Сь/Л форма поперечного распределения в пучке становится близкой к кривой Гаусса. п аг / ^ О*.

При <0 ^ ЗЛ В центРе распределения появляется провал. Проведенные расчеты подтверждены экспериментально. б). Экспериментально определены критерии точности юстировки тракта канализации излучения на основе широких полых диэлектрических волноводов и исследована зависимость затухания от искривления оси волновода. в). Для изменения диаметра пучка предложено применять усеченные диэлектрические конуса, позволяющие получать большую степень локализации поля на расстояниях от исходной апертуры, сравнимых с расстояними Релея, чем при использовании традиционных фокусирующих элементов.

10. На основе известных принципов детектирования СММ излучения разработаны конструкции помехозащищенных детекторов (Л = = 337 мкм), которые использованы в схемах интерферометров.

11. На основе элементной базы, разработанной в процессе выполнения данной работы (генераторы, тракты канализации, детекторы), создан интерферометр для диагностики плазмы на опытно-промышленной установке У-25Б (совместно с сотрудниками ИВЕ АН СССР) с амплитудной индикацией фазового сдвига и трехканальный интерферометр с индикацией фазового сдвига на промежуточной частоте (I МГц) для установки «Ураган 3» (совместно с сот рудниками ХФГИ).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.