автореферат диссертации по электронике, 05.27.03, диссертация на тему:Исследование генерационных характеристик электроразрядного СО2-лазера с турбулентным продольным потоком газа

РГО 0,1

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЦЕНТР ПО ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ЛАЗЕРАМ

на правах рукописи

УДК 621.373.826

ЗАВАЛОВ Юрий Николаевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕНЕРАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНОГО С02- ЛАЗЕРА С ТУРБУЛЕНТНЫМ ПРОДОЛЬНЫМ ПОТОКОМ ГАЗА

(05.27.03 - Квантовая электроника)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико- математических наук

Шатура 1997

Работа выполнена в Научно-исследовательском центре по технологическим лазерам РАН.

Научные руководители: доктор физико- математических наук, профессор В.С.ГОЛУБЕВ, кандидат физико-математических наук М.Г.ГАЛУШКИН

Официальные оппоненты: доктор физико- математических паук, профессор А.А.ИОНИН, кандидат физико-математических наук В.В.ВАСИЛЬЦОВ

Ведущая организация - ГНЦ "Астрофизика".

Защита диссертации состоится ..1997 г. в

.{Ч .час. на заседании Диссертационного Совета К 200.14.01 в Научно-исследовательском центре по технологическим лазерам РАН. Адрес: 140700 г.Шатура, Московск.обл., ул. Святоозерская, д.1, Научно-исследовательский центр по технологическим лазерам РАН, ученому секретарю Диссертационного Совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИЦ ТЛ.

Автореферат разослан ........1997 г.

Ученый секретарь Диссертационного Совета, доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ

^(^{сЛ^Ю Л .А.НОВИЦКИЙ

Актуальность исследований. Использование быстрой аксиальной прокачки лазерной смеси через разрядный промежуток в 1969г. дало принципиальную возможность получения когерентного излучения киловатгного уровня на установках приемлемых габаритов. К настоящему времени накоплен большой опыт по теоретическому и экспериментальному исследованию продольного тлеющего разряда постоянного тока в потоке газа повышенного давления. В качестве одного из первых примеров практического использования этого способа для электроразрядпой накачки в С02-лазерах с быстрой продольной прокачкой газа следует отметить лазерную технологическую установку типа "Карат" [Алейников B.C., Бибиков В.В., Лысогоров О.С. и др., Электронная промышленность, 1981].

В индустриально развитых странах технологические СОг-лазеры с быстрой аксиальной прокачкой газа (АПГ) разрабатываются и выпускаются уже второй десяток лет. Показано, что при умеренных значениях выходной мощности (около 1 кВт) аксиальная симметрия разряда и потока газа благоприятно сказывается на качестве излучения. Однако вопросы пространственной неоднородности тлеющего разряда постоянного тока в турбулизированном потоке ограниченного поперечного размера и ее влияния на качество излучения и предельные энергетические характеристики СОг-лазера с АПГ изучены были недостаточно полно. Обозначились проблемы дальнейшего улучшения качества выходного пучка, повышения энергетической эффективности, снижения уровня подпитки газовой смеси, т.е. сложные научно-технические задачи повышения эффективности и конкурентоспособности технологического оборудования. Оказалось, что решение этих проблем невозможно без соответствующего изучения физических процессов, происходящих в активной среде такого лазера. Прежде всего, необходимо выяснить влияние турбулентного газового потока на генерационные

характеристики С02-лазерои с АПГ. Как было показано в ряде работ [Ю.С.Акишев, А.ГШапартович, Физика плазмы, вьш.5, 1978; A.B. Бопдаренко, B.C. Голубев и др.. Физика плазмы, вьш.З, 1979], турбулентность неоднозначно влияет на устойчивость газового разряда; точно также турбулентность неоднозначно может влиять на качество лазерного пучка, т.к., с одной стороны, она снижает неоднородность активной среды, но, с другой стороны, увеличивает степень мелкомасштабных и нестационарных неоднородностей. В то же время турбулентная диффузия возбужденных молекул активной среды должна увеличивать к.п.д. использования ее объема, а само генерируемое излучение может влиять на степень однородности плотности газа [н-р: Л.А.Васильев, М.Г.Галушкин, А.М.Серегин и др., Квантовая электроника, 1981]. Учитывая все это, нами бьшо предпринято комплексное экспериментальное и расчетное исследование характеристик активной среды и поля лазерного излучения в СОг-лазерах с АПГ. Настоящая диссертация посвящена исследованию генерационных характеристик электроразрядного СОг-лазера с турбулентным продольным потоком газа.

Цель данной работы состоит в повышении электрооптического к.п.д. при сохранении качества излучения в СОг-лазере с АПГ. С этой целью проводились экспериментальные и теоретические исследования особенностей формирования излучения в С02-лазере при накачке самостоятельным разрядом постоянного тока в аксиальном потоке смеси газов СОг, азота и гелия на основе измеренных параметров экспериментальной установки с учетом при последующей оптимизации параметров лазера нелинейных эффектов взаимодействия лазерного излучения и активной среды в турбулентном потоке газа. Для измерения параметров активной среды использовался метод калиброванных потерь. Особое внимание уделяется исследованию пространственных неоднородностей тлеющего разряда постоянного тока в турбулентном потоке газа с применением бесконтактных

методов диагностики плазмы газового разряда.

Защищаемые положения. В электроразрядном С02-лазере с быстрой аксиальпой прокачкой газа:

1. Степень неоднородности радиального распределения плотности тока разряда повышается при генерации лазерного излучепия с интенсивностью порядка интенсивности насыщения, по сравнению со случаем без генерации, (например, при разъюстированном резонаторе). Это различие более выражено в нижней по потоку части разряда.

2. Существенным фактором снижения скорости изменения усиления активной среды лазера с ростом удельного энерговклада при вариации тока разряда является рост неоднородности радиального распределения плотности электронов.

3. При генерации лазером излучения основной гауссовой моды с увеличением удельного энерговклада снижается степень насыщения активной среды при том же превышении ненасыщенного коэффициента усиления над пороговым и при неизменных геометрических параметрах оптического резонатора. Это обусловлено главным образом ростом радиальной неоднородности плотности электронов и температуры газа.

4. С ростом удельного энерговклада возрастает степень радиальной неоднородности коэффициента преломления активной среды, которая вследствие светового самовоздействия нелинейно изменяется как с изменением внутрирезонаторной интенсивности, так и при изменении ширины гауссова пучка.

Научная новизна.

1. Впервые показано экспериментально, что использование внеосевого вдув а газа в газоразрядную трубку (ГРТ) С02-лазера с АПГ увеличивает выходную мощность лазера в случае, если в прианодную область положительного столба поместить устройство сужения потока, позволяющее организовать турбулизованный поток газа при числах

Рейнольдса Re~1500...2000, по сравненшо с использованием осевого вдува газа в ГРТ. При внеосевом вдуве газа достигнуто увеличение удельного энерговклада в разряд от 13 до 18 Вт/см3 и удельного энергосъема от 2.7 до 4 Вт/см3 при увеличении скорости прокачки в диапазоне от 90 до 150 м/сек.

2. Разработанное оригинальное устройство измерения добротности электрического колебательного контура позволяет при соответствующем расположении катушки индуктивности измерить локальную электропроводность плазмы тлеющего разряда с временным разрешением до 20 мкс.

3. Разработанный алгоритм с использованием цифровой фильтрации сигнала с фотодатчика, измеряющего уровень люминесцентного свечения разряда, позволяет определить спектр и амплитуду локальных пульсаций плотности электронов. Измерена спектральная зависимость среднеквадратичного отклонения плотности газа при различных уровнях энерговклада в разряд в турбулизированном потоке газа в присутствии лазерного излучения и без него.

4. Разработана новая методика экспериментального определения генерационных характеристик С02-лазера с АПГ: коэффициента усиления и параметра насыщения активной среды, уровня внутрирезонаторных потерь на основе измерений зависимости выходной мощности от числа одновременно подключенных ГРТ и при разных значениях коэффициента отражения выходного зеркала.

5. Показано, что при расчете энергетических параметров СОг-лазера с АПГ с учетом формирующихся пространственных неоднородностей активной среды необходим согласованный расчет степени насыщения активной среды и превышения усиления над пороговым значением при известных параметрах оптического резонатора.

6. Разработана модель расчета выходных параметров СОг-лазера с АПГ, в которой на основе известных представлений о кинетических

процессах в среде такого лазера рассчитываются параметры генерируемого пучка основной гауссовой моды с учетом особенностей формирования инверсии в неоднородной активной среде аксиального потока газа, а именно, учитываются амбиполярная диффузия электронов в плазме тлеющего разряда в присутствие отрицательных ионов и турбулентный энерго- массоперенос. Практическая ценность работы заключается в следующем.

1. Существенно расширены представления об особенностях формирования излучения в неоднородной активной среде мощных СОг-лазеров с АПГ, а именно, показано влияние неоднородности радиального распределения плотности электронов и температуры газа на генерационные характеристики и эффективность генерации лазером излучения низшей поперечной моды устойчивого резонатора.

2. Результаты расчетов и экспериментального определения коэффициента усиления и параметра насыщения, а также внутрирезонаторных потерь позволили оптимизировать параметры технологического лазера ТЛА-600, что обеспечило повышение электрооптческого к.п.д. до 20 % при генерации преимущественно основной гауссовой моды.

3. Разработанный пакет прикладных программ вместе с накопленной базой экспериментальных данных позволяют прогнозировать энергетические параметры вновь разрабатываемых технологических СОг-лазеров более высокой мощности.

4.В ходе выполнения диссертационной работы проведена необходимая доработка отдельных блоков и узлов С02-лазера ТЛА-600, таких как блок генерации луча, ламповый блок контроля тока разряда и др. На конструкцию газоразрядного элемента и устройство определения проводимости с помощью электромагнитного пробника получены авторские свидетельства.

Апробания работы. Материалы, включенные в диссертацию, докладывались на семинарах НИЦ TJI РАН; Всесоюзном семинаре "Лазерная техника и технология" (1988 г., Вильнюс); III-й Всесоюз. конференции "Применение лазеров в народном хозяйстве" (Шатура, 1989 г.); а также: Russia National Conference "Industrial Lasers and Laser Material Processing" (Шатура, 1993 г.); V-th Internat. Conference on Industrial Lasers and Laser Application (Шатура, 1995 г.); Vlll-tli Conference on Laser Optics, (St.Petersburg, 1995); Internat. School of Advanced Study Institute of NATO Science Committee 'High Power Lasers -Science and Engineering' (1995, Karlovy Vary); IX-th Internat. School on Quantum Electronics, (1996, Varna); Xl-th Internat. Symp. "Gas Chemical Lasers and High Power Lasers" (1996, Edinburg). Вклад автора. Все излагаемые в диссертации научные результаты получены автором лично шш в соавторстве при непосредственном участии автора.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, приложения и списка литературы. Содержание диссертации изложено на 137 страницах машинописного текста, иллюстрированного 68 рисунками и 5 таблицами. Список цитированной литературы включает 152 наименований. Во введении обоснована актуальность выполненных исследований, сформулированы цель работы и защищаемые положения, показана научная новизна полученных результатов, описывается распределение материала по главам.

Первая глава носит обзорный характер. В ней кратко изложены результаты теоретических и экспериментальных работ, посвящен-ных исследованию особенностей формирования излучения в СОг -лазере с АПГ. Особое внимание уделено методам, средствам и результатам исследований процессов образования неоднородностей коэффициента

оптической рефракции и связанных с этим проблем формирования резонансного излучения.

Во второй главе приводится описание и результаты измерения параметров в непрерывном режиме работы экспериментальной установки -технологического СО2 -лазера с АПГ TJIA-600, разработанного в НИЦТЛ. Приводятся методика, схема проведения эксперимента и результаты определения параметров активной среды, измеренные методом калиброванных потерь. Метод модифицирован по сравнению с ранее известным [Uhlenbusch J., е.а., SPIE, v.1132, р.22, 1989] тем, что варьируется как добротность резонатора, так и длина активной среды, что достигается с помощью последовательного подключения к источнику питания идентичных газоразрядных трубок (ГРТ). В этом случае наравне с определением параметров активной среды: усредненного вдоль по лучу коэффициента усиления и эффективной интенсивности насыщения, определен и уровень внутрирезонаторных потерь Л, (точки на рис. 1-3). Уровень Л показан на рис.1 за вычетом потерь на зеркалах -около 9% за один проход. Показано, что с целью согласования полученных экспериментальных результатов с численными расчетами известная стационарная одномерная модель С02 -лазера, учитывающая кинетику заселениостей колебательных уровней молекул при электроразрядной накачке в рамках линеаризованных уравнений четырехтемпературного приближения [Baverly III R.E., Opt.&Quant. Electr., 1982], для задачи расчета уровня генерации в случае профиля распределения интенсивности I(r,z)=Io expf-h^lwfz)2), /о - суммарная интенсивность лучей, идущих в прямом и обратном направлении г, должна быть дополнена учетом факторов радиальной неоднородности усиления и температуры газа.

Показано, что в таком случае задача определения уровня

Дифракц. потери за проход

0.15

0.1

0.05

300 250 200 150 100 50 0

. /5ЖСП, Вт/см; X X X * X *

« ♦ ♦ 5.9БТ/СМ3 ■ 8.6Вт/см3 * 10.7Вт/смЬ< 13 Вт/см3

5 10 15

ЧУ, Вт/см3

Рис.1

40 50 60

Давление на входе ГРТ, гПа

Рис.З

0 2 4 6

Рис.2 Рис.4

мощности при значениях коэффициента отражения выходного зеркала 0.3<К<1, и 10> Ь0 при распределенных внугрирезонаторных потерях у сводится к решению уравнения:

%

1 + '

75

о -

4 КТ2

1 +

Р п>2

1+

/о/

7

= т-

0.5 N■1,

1п(Л) (1)

В этом осесимметричном случае для интегрального вдоль по потоку коэффициента усиления слабого сигнала д(г) и эквивалентного значения интенсивности насыщения ^(г) предполагаются

распределения по радиусу: д(г)=до(1 +0,5гг2), /¡¡(г)= /8°( 1+0,5(3 г2), е, р -отношения значений второй производной функции по поперечной координате к значениям функций па оси для д(г) и 1$(г) соответственно. Значения до, -параметров на оси резонатора -определяются из одномерной модели, поскольку градиенты параметров в приосевой области незначительны.

Для /0</я° зависимость 1$(г) не столь существенна, и, приравняв интегральное усиление по объему моды к потерям внутри резонатора и на излучение, получим

2 Р

In 1+—

2Р г w2 \ In ydy

Ь W г

I^TJ"

P,J 4 2 q Ps/2P + y

= Л + ln—(2)

•Jr

Последнее уравнение при e=0 переходит в уравнение, которое получил L.W. Casperson [Applied Optics, 1980]. Проведен расчет в предположении q(r)=q0xJo(2.405r/R), и перегрева газа на оси в среднем сечении ГРТ 100 К. В этом случае рКт2~(Г0-Г)/71К=-1.5, RT -радиус ГРТ, и s Rt2=-2.88. Прямая, проходящая через оба уравнения в области их применимости, существенно отличается от уравнения прямой, определенной из условия, что степень насыщения пучка на оси равна превышению усиления на оси над порогом генерации. Используя значение наклона вновь найденной прямой при обработке данных эксперимента, получен результат, изображенный отдельными точками на рис.3. Линии -результат расчета по одномерной модели. Получено хорошее согласие между экспериментальными и расчетными данными для средних значений удельного энерговклада в разряд W=8-ЮВт/см3. Однако, при предельном для данного расхода газа уровне энерговклада 13 Вт/см3, с одной стороны, и малых, менее б Вт/см3, значениях энерговклада использованные аппроксимации формы распределения концентрации электронов по радиусу трубки (приближение Шоттки) и степень неоднородности радиального распеределения температуры приводит к существенному расхождению

определенных по предложенной методике данных эксперимента и рассчитанных значений.

Действительно, уровень

перегрева среды на оси резонатора, где интенсивность излучения максимальна, различен при различных уровнях энерговклада. На рис.4 приведено решите (1) при разных уровнях перегрева смеси на оси трубки. Видно, что степень насыщения на оси трубки различна при разных уровнях энерговклада в разряд при том же превышении усиления над пороговым значением. Преимущественно этим объясняется типичная для таких лазеров параболическая зависимость выходной мощности от уровня тока в разряде.

Для более точного определения степени радиальной неоднородности было проведено исследования пространственных неоднородностей тлеющего разряда постоянного тока в турбулизованном потоке газа через трубки круглого сечения, которым посвящена третья глава.

Показано, что вычисленные по известной методике [Гембаржевский Г.В., Генералов H.A., Райзер Ю.П. и др., ТВТ, 1986] из измерений вольтамперных характеристик (ВАХ) тлеющего разряда зависимости приведенной к плотности газа напряженности электрического поля в разряде E/N от плотности тока j достаточно точно описывают результаты измерений проводимости разряда вдоль по потоку, полученные с помощью электромагнитного пробника резонансным методом. Зависимости E/N(j) приведены на рис.5 для разных значений расхода газовой смеси lCC>2:6N2:10He при давлении около 60 гПа.

Плотность тока, мА/см2

Рис.5

Однако оказалось, что при расчете баланса рождения и потерь электронов в газоразрядной трубке на основе полученных зависимостей Е/И^) необходимо наравне с локальными реакциями ионизации газа, прилипания и отлипания электронов и рекомбинации заряженных частиц учесть амбиполярную диффузию электронов в среде электроотрицательной плазмы, дополненную турбулентной диффузией.

С целью расчета радиального распределения плотности тока проводилось моделирование процессов в тлеющем разряде лазера с АПГ. В предположении, что процессы отлипания в высокой степени компенсируют процессы прилипания электронов, параметр у= п'Упе

_ __ йЕ Е

постоянен по сечению ГРТ, и что в среднем сечениии ГРТ: —— « — ,

<Ь 1а

использовалось уравнение,

~(г(/з5+ог)^-]+у,Лв-а+зс)Ме2=о, (3)

где Рг, (з. - коэффициенты электрон-ионной н ион-ионной

рекомбинации соответственно. Граничные условия включают условие

8пе

симметрии при г=0: -= 0, условие отсутствия зарядов на стенке

дг

8о трубки, г=КТ- пе=0. Решение

уравнения (3) при давлении Р(г)=60 гПа, параболическом профиле температуры газа, диаметре ГРТ й= 1.76 см приведено на рис. 6 при /5 г=1.б-10"7 см3с-1 и разных значениях удельного

энерговклада. Значение

0т=150 см2с"1, значение Д," л

2

»л J, мА/см

« 60 гаА

с 48 тА

о 36 тА

• И тА

□ л

□

□ д

• ... о *

•ч, я,.

0,2 0,4 0,6 0,8 1 0+(1+2х)Те/Т выбрано Рис.б

равным 200 оА"1, что соответствует значениям х в несколько единиц. Значение / определялось из условия согласования вычисленного полного тока с экспериментально измеренной ВАХ разряда в ГРТ. ВАХ разряда используется также для определения значения частоты

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8

ионизации, как функции £У/У, известной из цитируемых Рис.7

источников [1Л.Ьо\уке, А.У.РЬефх, В.\\Мшт, 3. Арр1. РЬув., у.44, р.4664, 1973] для смеси 1СС>2:7Ы2:12Не. Полученное значение х уменьшалось с ростом энерговклада с х=^> ПРИ 6 Вт/см3 до х=2 при 13 Вт/см3, что согласуется с экспериментальными данными [А.Н.Напартович, В.Г.Наумов, В.М. Шашков, Физика плазмы, 1975]. Показано экспериментально, что присутствие паров воды в смеси приводит не только к падению эффективности генерации, но и к резкому сокращению области существования неконтрагированного разряда в АПГ по давлению и энерговкладу.

Использование люминесцентного метода диагностики плазмы газового разряда позволило зафиксировать различие радиального распределения плотности электронов при генерации лазером излучения и в отсутствие генерации, рис.7.

Для определения размера вязкостного турбулентного моля и уровня турбулентных пульсаций плотности газа применена система сбора данных и проводились измерения временной зависимости уровня свечения разряда в диапазоне спектральной чувствительности кремниевого фотодиода. Использование этого метода позволило измерить спектр и уровень пульсаций плотности газа и оценить величину коэффциента турбулентной диффузии.

Отн.ед.

л> / 0.8 -

/ 0.6 - \

/ 0.4 -о/« ■ \

0.2 ^

Г, ММ ■

Численные результаты исследований влияния радиальной неоднородности активной среды на параметры генерируемого пучка основной моды устойчивого резонатора приводятся в четвертой главе.

Данные, рис. 6, использованы для расчета интегрального коэффициента усиления в случае заполнения активной среды излучением основной моды устойчивого резонатора. Результаты расчета ненасыщенного усиления приведены на рис.8 и позволяют объяснить экспериментальные результаты: слабая зависимость усиления от энерговклада (см. рис.2) объясняется главным образом сжатием разряда к оси ГРТ с ростом энерговклада.

Поскольку температура газа на оси ГРТ выше по сравнению с периферийными слоями течения газа, то плотность соответственно ниже, и для пучка, распространяющегося вдоль оси ГРТ, активная среда представляет собой рассеивающую газовую линзу. Приведены результаты расчета силы оптической линзы при упрощающих предположениях. Учтено, что значительная часть энергии разряда запасается на колебательных уровнях молекул, и

что в присутствии излучения УГ -релаксация молекул существенно ускоряется. Таким образом линза имеет нелинейный характер, ее сила зависит от параметров проходящего излучения.

На рис. 9 приведена зависимость фокусного расстояния от интенсивности гауссова пучка при нескольких значениях отношения а на рис. 10-

зависимость от удельного эперговклада в разряд.

1.6 -

1.2

0.8 -

0.4

20

30 40

Рис.8

50

60

Последняя позволяет объяснить зависимость внутрирезонаторных потерь от уровня энерговклада в разряд, рис.1. В экспериментах, описанных во второй главе, использовался лазер с длиной 4-проходного резонатора 5.25 м и с шестью плоскими зеркалами. Радиусы кривизны внутренних поверхностей выходного и глухого К2 зеркалов -около 30 м. При диаметре оптической диафрагмы 17 мм расчетная зависимость дифракционных потерь приведена на рис.1 в виде сплошной линии. Если использовать глухое зеркало с радиусом кривизны К2 =16 м, то потери снизятся (пунктирная линия). В пятой главе приводятся результаты оптимизации параметров технологического С02-лазера с АПГ и накачкой в тлеющем разряде постоянного тока на основе полученных ранее результатов исследования. На рис. 11 приведена зависимость выходной мощности от значения выходного зеркала при разных значениях кривизны глухого зеркала при уровне энерговклада 10.7 Вт/см3. Видно, что снижение объема моды излучения привело к увеличению электрооптического к.п.д (далее -КПД). Учет линзовости активной среды, неоднородностей профиля коэффициента усиления и температуры газа, влияния диффракционных потерь и турбулентного

переноса позволяет объяснить результаты эксперимента (линии -результат расчета).

На рис.12 приведена экспериментальная зависимость выходной мощности от уровня удельного энерговклада в разряд при использовании резонатора с Й1=30 м, /?2=12 м и 11=45% с восемью ГРТ (сплошная линия, 1). Переход к двухпроходному резонатору с двумя поворотными зеркалами и длиной 2.3 м при использовании только четырех разрядных трубок (суммарный расход газа снизился в полтора раза) не привел к снижению выходной мощности (КПД возрос до 23%), что объясняется снижением суммарных потерь внутри резонатора, однако генерация получена преимущественно на кольцевой моде (ТЕМ01 ) (пунктирная линия, 2, на рис. 12).

Удалось разместить в таком резонаторе восемь ГРТ укороченной длины. В этом случае уровень мощности при генерации кольцевой моды превысил 700 Вт. Расчет резопаторных потерь двух низших мод, проведенных с учетом линзовости активной среды, позволил определить конфигурацию резонатора, при которой получено 600 Вт

30+12т 30+16т ЗО+ЗОт □ л в

Рис.11

Рис.12

выходной мощности преимущественно основной моды при КПД 20% (штрих-пунктирная линия, 3, рис.12).

В заключении сформулированы основные результаты, полученные в диссертации.

1. Разработана методика экспериментального определения генерационных характеристик С02-лазера с АПГ: коэффициента усиления и параметра насыщения активной среды, а также уровня внутрирезонаторных потерь на основе измерений зависимости выходной мощности от числа одновременно подключенных ГРТ и от значения коэффициента отражения выходного зеркала.

2. В результате анализа экспериментальных данных, полученных по этой методике, показано, что в электроразрядном СОг -лазере с аксиальной прокачкой газа при увеличении удельного энерговклада снижается степень насыщения активной среды на оси генерируемого лазером гауссова пучка при неизменных геометрических параметрах оптического резонатора и при сохранении превышения ненасыщенного коэффициента усиления над пороговым. Таким образом впервые показано, что при расчете энергетических параметров С02 -лазера с АПГ с учетом формирующихся пространственных неоднородности! необходим согласованный расчет степени насыщения активной среды и превышения усиления над пороговым при известных параметрах оптического резонатора.

3. Впервые показано экспериментально, что использование вне-осевого вдува газа в газоразрядную трубку С02 -лазера с аксиальной прокачкой газа увеличивает выходную мощность лазера в случае, если в прианодную область положительного столба поместить устройство сужения потока, позволяющее организовать турбулизованный поток газа при числах Рейнольдса Ке~1500...2000, по сравнению с использованием осевого вдува газа в ГРТ при той же производительности насоса. При внеосевом вдуве газа достигнуто увеличение удельного энерговклада в разряд от 13 до 18 Вт/см3 и

удельного энергосъема от 2.7 до 4 Вт/см3 при увеличении скорости прокачки в диапазоне от 90 до 150 м/сек.

4. Разработанпое оригинальное устройство измерения добротности электрического колебательного контура позволяет при соответствующем расположении катушки индуктивности измерить локальную электропроводность плазмы тлеющего разряда с временным разрешением до 20 мкс.

5. Разработанный алгоритм с использованием цифровой фильтрации сигнала с фотодатчика, измеряющего уровень люминесцентного свечения разряда, позволяет определить спектр и амплитуду локальных пульсаций плотности электронов. Измерена спектральная зависимость среднеквадратичного отклонения плотности газа при различных уровнях энерговклада в разряд в турбулентном потоке газа в присутствии лазерного излучения и без него. Оценка величины коэффициента поперечной турбулентной диффузии газа 100...130 см^сек.

6. Использование метода люминесцентной диагностики позволило определить, что степень неоднородности радиального распределения плотности тока разряда выше при генерации резонансного излучения интенсивностью порядка интенсивности насыщения, по сравнению со случаем без генерации, например, при разъюстированном резонаторе. Это различие более выражено в нижней по потоку части разряда.

7. Разработана модель расчета выходных параметров С02 -лазера с АПГ, в которой на основе известных представлений о кинетических процессах в среде такого лазера определяются параметры генерируемого пучка основной гауссовой моды с учетом особенностей формирования инверсии в неоднородной активной среде аксиального потока газа, а именно, учтены амбиполярная диффузия электронов в плазме тлеющего разряда в присутствии отрицательных ионов и турбулентный энерго- массоперенос.

8. На основе расчетов по этой модели определено, что с ростом удельного энерговклада снижается скорость изменения усиления лазера при вариации тока разряда вследствие возрастания неоднородности радиального распределения плотности электронов, что согласуется с результатами экспериментов.

9. В результате проведенных расчетов показано, что с ростом удельного энерговклада возрастает степень радиальной неоднородности коэффициента преломления, которая вследствие светового самовоздействия нелинейно изменяется как с изменением внутрирезонаторпой интенсивности, так и при изменении ширины гауссова пучка. Рассчитанная зависимость величины диффракционных потерь основной моды резонатора от уровня энерговклада в разряд удовлетворительно согласуется с экспериментальными данными. Материалы диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Гойхман В.Х., Дембовецкий В.В., Завалов Ю.Н. и др. Исследование и оптимизация газоразрядных элементов COz -лазера с аксиальной прокачкой газа. /Препринт НИЦ TJI, 45, 1988.

2. Дембовецкий В.В., Завалов Ю.Н., Колпаков A.A. Техно-логический СОг-лазер с аксиальной прокачкой газа. /Тезисы Всесоюзн.семинара "Лазерная техника и технология", (Вильнюс, 24-28 октября 1988) //В кн.:Лазерная технология, вып.б, Ин-т физики АН Литовск.ССР, Вильнюс, с. 115-116, 1988.

3. Дембовецкий В.В., Завалов Ю.Н. Характеристики СОг-лазера с быстрой продольной прокачкой в режиме модуляции тока накачки. /Тезисы докладов III-й Всесоюзной конфер. «Применение лазеров в народном хозяйстве» 4-8 декабря 1989, Шатура, НИЦТЛ, стр.32, 1989.

4. Дембовецкий В.В., Завалов Ю.Н., Сурдутовнч Г.И. Гистерезис и пассивная модуляция добротности СОг -лазера с большим усилением. //Препринт НИЦТЛ, N67, Шатура. (рус./аигл.), 1989.

5. Дембовецкий В.В., Завалов Ю.Н., Фролов П.В. Устройство для контроля проводимости.(МКИ G01B7/06) а.с. N 1555656 гос. per. от

08.12.89, приоритет от 25.03.88, заяв. НИЦТЛ N4444465.

6. Дембовецкий В.В., Завалов Ю.Н., Тарасов М.Н. и др. Газоразрядный лазер.(МКИ H01S3/22) а.с. N 1575886 гос. per. от

01.03.90, приоритет от 25.03.88, заяв. НИЦТЛ N4410137.

7. Дембовецкий В.В., Завалов Ю.Н., Колпаков А.А. Исследование СС>2-лазера с быстрой продольной прокачкой газа. //Сб. препринтов НИЦ ТЛ, стр 70-90, 1991.

8. Averbuch В.В., Dembovetsky V.V., Zavalov Yu.N. High repetition rate regimes of CO2 laser with fast-axial gas flowing. /In: Russia National Conf. "Industrial Lasers and Laser Material Processing" //Proc. of SPIE, vol. 2257, p. 112-118, 1993

9. Авербух Б.Б., Дембовецкий B.B., Завалов Ю.Н. Режимы генерации СОг -лазера с быстрой аксиальной прокачкой газа. -Известия РАН, сер. физ., т.57, N12, стр. 195-202, 1993.

10. Galuslikin M.G., Golubev V.S., Dembovetsky V.V., Zavalov Yu.N., Zavalova V.Ye. Amplification and nonlinear losses in relaxing laser mixture of cw fast-axial-flow CO2 lasers. /In: 5-th Intern. Conf. ILLA'95, Shatura//Proc. of SPIE, v.2713, p. 17-24., 1995.

11. Galuslikin M.G., Golubev V.S., Dembovetsky V.V., Zavalov Yu.N., Zavalova V.Ye. Influence of turbulent diffusion of excited molecules upon energy parameters of fast-axial-flow CO2 laser. /In: 5-th Intem.Conf.ILLA'95, Shatura//Proc.of SPIE, v.2713, p.25, 1995.

12. Галушкин М.Г., Голубев B.C., Дембовеций B.B., Завалов Ю.Н., Завалова В.Е., Панченко В .Я. Усиление и нелинейные потери в непрерывном СОг-лазере с быстрой аксиальной прокачкой. Квантовая электроника, т.23, N6, с.544-548, 1996.

13. Dembovetski V.V., Zavalov Yu.N. Industrial fast-axial flow carbon dioxide lasers in Russia, In: -R. Kossowsky e.a. (eds) "High Power Lasers: Science and Engineering". (NATO Science Committee ASI, 3;High Technology). Kluwer Academic Press, Netlierland, Dordrecht, p.603-618

14. Dembovetski V.Y., Zavalov Yu.N., Zavalova V.Ye. Fast-axial turbulize flow CO2 laser output characteristics and scaling parameters /VIII-th Internat. Conf. on Laser Optics, St.-Peterburg //SPIE, v.2773, p. 125, 1996.

15. Голубев B.C., Завалов Ю.Н. Измерения проводимости плазмы газового разряда в аксиальном потоке газа электромагнитным пробником. Тезисы VIII-й Международ. Конфер. по физике газового разряда, Рязань, нюнь 1996.

16. Галушкин М.Г., Голубев B.C., Дембовецкий В.В., Завалов Ю.Н., Завалова В.Е. Влияние радиальной неоднородности активной среды на мощность излучения непрерывных С02 -лазеров с быстрой аксиальной прокачкой. Квантовая электроника, т.23, N8, с.695-698, 1996.

17. Galushkin M.G., Golubev V.S., Zavalov Yu.N., Zavalova V.Ye., Panchenko V.Ya. Large-Scale Optical Nonuniformities in Active Medium of Axial-Flow Industrial CO2 Lasers. //In: Digest Paper of "XI Int.Symp. on Gas Flow and Chemical Laser Conf.", Edinburg, UK, Aug 25-30, 1996, p.38

18. Galushkin M.G., Golubev V.S., Dembovetsky V.V., Zavalov Yu.N., Zavalova V.Ye. Influence of Discharge Radial Nonuniformity on Beam Power of CW Fast-Axial-Flow CO2 Lasers. /In: IX Intern. School 011 Quantum Electronics: Lasers-Physics and Applications, Varna //Proc.of SPIE, v.3052, p. 147-150, 1996.

19. Галушкин М.Г., Голубев B.C., Завалов Ю.Н., Завалова B.E., Панченко В.Я. Оптические неоднородности активной среды СОг -лазеров с быстрой аксиальной прокачкой. Квантовая электроника, т.24, N3, с. 223-226, 1997.

1996.