Доклады Российской академии наук. Физика, технические науки, 2023, T. 509, № 1, стр. 3-8

ВВЕДЕНИЕ

Волоконные световоды с полой сердцевиной (СПС) позволили существенно расширить возможности волоконных лазеров, обычно создаваемых на основе световодов с твердотельной сердцевиной. Например, следствием бурного развития СПС стало создание газовых волоконных лазеров, генерирующих в УФ- [1] и среднем ИК-диапазонах [1–4], даже несмотря на то, что оболочка СПС изготовлена из кварцевого стекла, имеющего сильное фундаментальное поглощение в этих областях спектра. При заполнении полой сердцевины рамановски-активными газами была продемонстрирована генерация одномодового излучения в среднем ИК-диапазоне [2]. При этом большая величина рамановского сдвига частоты в легких молекулярных газах позволяет преобразовывать излучение из ближнего в средний ИК-диапазон всего лишь за 1–2 каскада (например, 1.56 → 4.4 мкм [2] или 1.03 → 1.49 → 2.68 мкм [3]). Появилась также возможность использовать газы, заполняющие полую сердцевину, в качестве активной среды путем создания в них инверсной заселенности (например, [4]). Но подобные схемы лазеров до настоящего времени удалось реализовать с использованием только оптической накачки. Учитывая многие положительные качества волоконных лазеров, в качестве источников накачки часто используются именно волоконные лазеры, но со стеклянной сердцевиной. Поэтому характеристики газовых волоконных лазеров (ГВЛ) ограничиваются предельными характеристиками лазера накачки. Для того чтобы в полной мере реализовать возможности полых световодов (устойчивость к высокоинтенсивному излучению, широкий спектральный диапазон пропускания и т.д.) в полностью волоконных оптических схемах, необходимо решить задачу генерации лазерного излучения непосредственно в СПС, не используя в качестве источника накачки другие волоконные лазеры на световодах с твердотельной сердцевиной с присущими им ограничениями.

Возможным решением этой задачи является создание газоразрядных волоконных лазеров (ГРВЛ) [5]. Но здесь возникает противоречие: для обеспечения световодных свойств СПС в среднем ИК-диапазоне диаметр их полой сердцевины должен быть порядка 100 мкм, а уменьшение диаметра газоразрядного канала до величин менее примерно 500 мкм приводит к резкому возрастанию потерь электронов из разряда и, как следствие, к значительному увеличению необходимых значений электрического поля для поддержания разряда. Например, для поддержания разряда постоянного тока в световоде с диаметром полой сердцевины d_c = 120 мкм и длиной до 1 м оказалось необходимым использовать напряжение порядка 40 кВ [6]. Первые исследования возбуждения плазмы СВЧ-разряда в СПС продемонстрировали возможность такого подхода [7]. Но с помощью выбранной в работе [7] схемы, основанной на передаче энергии в разряд за счет возбуждения поверхностной электромагнитной волны, распространяющейся вдоль СПС, не удалось возбудить разряд в СПС на длине более 4 см [8]. По-видимому, причиной этого являются потери энергии при распространении поверхностной волны вдоль плазменного столба в СПС. Наконец, совсем недавно было предложено использовать схему, подобную щелевой антенне в СВЧ-волноводе, для возбуждения разряда в СПС. С помощью этой схемы была продемонстрирована возможность поддерживать СВЧ-разряд длиной 25 см при средней мощности СВЧ-накачки менее 20 Вт и указана очевидная возможность кратного увеличения длины разряда в СПС с использованием той же схемы [9].

Для дальнейших работ по реализации схемы ГРВЛ необходимо определить диапазон параметров (давление, напряженность электрического поля), при которых возможно поддержание СВЧ-разряда в СПС для различных газов, перспективных с точки зрения использования в качестве активной среды ГРВЛ.

Основы теории СВЧ-разрядов хорошо известны (см., например, [10]). Условия электрического пробоя и поддержания разряда определяются равновесием между процессами рождения и ухода свободных электронов из разрядного объема. При сравнительно высоких давлениях и малых диаметрах цилиндрического разрядного объема потери электронов из разряда обусловлены, главным образом, процессом диффузии электронов. Этот процесс характеризуется коэффициентом диффузии электронов, определяемым свойствами газа, и диффузионной длиной Λ, определяемой геометрией разрядного объема. Для длинных цилиндрических объемов (к которым близки рассматриваемые СПС) диффузионная длина пропорциональна радиусу цилиндра R: Λ = R/2.405 [10]. В случае СПС в качестве начального приближения можно считать, что диаметр полой сердцевины d_c и является диаметром соответствующего цилиндрического объема (d_c = 2R). Уменьшение величины Λ ведет к повышению потерь электронов из разряда и, соответственно, к повышению минимальной величины напряженности (Е) электрического поля, достаточного как для пробоя газа (E_BD), так и для поддержания уже инициированного СВЧ-разряда (E_M). Как правило, для поддержания разряда требуется меньшая напряженность поля, чем для пробоя (E_M < E_BD) [11].

В литературе имеется большой объем данных о величинах напряженности электрического СВЧ-поля, достаточного для формирования плазмы (иначе говоря, для пробоя) в зависимости от давления для различных газов (см., например, [10]). Но все они получены для геометрии разряда, характеризуемой величиной диффузионной длины не менее 0.5 мм. В случае же СПС с диаметром полой сердцевины порядка 100 мкм диффузионная длина значительно меньше – Λ ~ 20 мкм, что существенно ужесточает требования к величине электрического поля для поддержания разряда по сравнению с раннее полученными данными.

Поэтому целью настоящей работы явилось экспериментальное исследование условий поддержания СВЧ-разряда в схеме, реализованной в работе [9], в различных благородных газах (аргон, неон, гелий) при различном давлении и в СПС с различными величинами d_c.

ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА

В наших экспериментах СПС, заполненный чистым инертным газом (гелий, неон или аргон, количество примесей в которых не превышало 10^–3%), размещался в щели на короткой стороне прямоугольного СВЧ-волновода (см. рис. 1a, б).

Рис. 1.

a – Схема эксперимента. 1 – секция прямоугольного СВЧ-волновода, а = 9 см, b = 4.5 см, 2 – СПС, 3 – продольная щель в узкой стороне волновода длиной 30 см, 4 – запаянный конец СПС, 5 – подсоединение СПС к вакуумной системе и к системе заполнения газами, 6 – направление распространения H₁₀ волны по волноводу от магнетрона, 7 – закорачивающий поршень для отражения излучения и формирования стоячей волны в волноводе; б – частичное сечение СВЧ-волновода по A–A, показывающее закругленную форму краев щели и положение СПС в щели во время эксперимента; в – изображение поперечного сечения СПС, полученное на сканирующем электронном микроскопе, d_c = 125 мкм.

В качестве источника СВЧ-излучения, направляемого в волновод со щелью, использовался магнетрон, работающий на частоте ν = 2.45 ГГц в импульсном режиме. Частота следования импульсов составляла 400 Гц, длительность импульса 20 мкс. Максимальная пиковая мощность в данных экспериментах не превышала 6 кВт. Более подробное описание источника СВЧ-излучения можно найти в [12].

СВЧ-волновод с размерами 90 × 45 мм являлся одномодовым для излучения магнетрона, и по нему распространялась только волна типа H₁₀. Поперечные размеры волновода слишком велики по сравнению с диаметром сердцевины СПС (d_c ≪ a, b), чтобы плазма в сердцевине световода могла эффективно поглощать энергию СВЧ-поля. Поэтому для своеобразной фокусировки СВЧ-излучения на СПС мы использовали структуру типа щелевой антенны: продольную щель в узкой боковой стенке прямоугольного волновода, по которому распространялось СВЧ-излучение от магнетрона. Описание щелевых антенн можно найти, например, в [13]. Электрическое поле в щели направлено перпендикулярно ее длинной стороне, и поэтому необходимая разность потенциалов для поддержания разряда должна быть значительно ниже, чем в случае, если бы поле было направлено вдоль СПС.

В каждом эксперименте измерялась мощность СВЧ-излучения P, распространяющаяся по волноводу 1 (рис. 1а). Затем, в соответствии с выбранным приближением для расчета электрического поля в щели в зависимости от мощности, описанного в [9], определялась величина поля Е(P) в отсутствие СВЧ-разряда. Разумеется, после зажигания разряда из-за электропроводности плазмы разряда поле в щели изменяется. Но в качестве характеристики каждого эксперимента по определению минимального значения электрического поля, необходимого для поддержания разряда в СПС, нами использовалась именно указанная выше величина Е(P). Дополнительную информацию об экспериментальной установке можно найти в [9].

В большинстве работ по изучению формирования плазмы под действием СВЧ-поля рассматривается процесс пробоя газа и определяется минимальное значение напряженности электрического поля, достаточное для достижения пробоя (E_BD) (см., например, [14]). Нашей задачей в данной работе являлось определение минимально необходимых значений электрического поля СВЧ-излучения не для пробоя, а для поддержания плазмы в полой сердцевине световода (E_M), что является необходимым условием для реализации ГРВЛ. Для всех типов разрядов, в том числе и СВЧ, E_M < E_BD [11]. Данное обстоятельство снижает требования к источнику СВЧ, что является благоприятным фактором. Поэтому мы после помещения СПС в СВЧ-поле с интенсивностью, недостаточной для пробоя, для инициирования разряда кратковременно (в течение ~1 c) облучали СПС УФ-излучением ртутной газоразрядной лампы. В результате, если напряженность электрического поля E превышала E_M, то разряд загорался. В противном случае величина поля еще несколько увеличивалась и облучение УФ-лампой повторялось. Величина поля Е в щели регулировалась изменением мощности магнетрона, дополнительно величина Е могла регулироваться за счет изменения ширины щели от 0.5 до 4 мм с помощью специальных накладок. В качестве порогового поля E_M, поддерживающего СВЧ-разряд, фиксировалось минимальное значение из определенных таким образом величин E.

На рис. 2 представлены фотографии СВЧ-разряда в СПС с d_c = 110 мкм, заполненном неоном при давлении 30 торр. На рис. 2a, сделанном в более мелком масштабе, разряд в СПС отображает распределение поля в щели, обусловленное интерференцией падающей и отраженной волн в волноводе. На рис. 2б, сделанном в более крупном масштабе, видно положение СПС на нижнем крае щели.

Рис. 2.

Фотографии СВЧ-разряда в СПС с диаметром сердцевины 110 мкм, заполненном неоном при давлении 30 торр и расположенном в щели стенки СВЧ-волновода: а – обзорное фото со сравнительно низким пространственным разрешением. Периодическая структура свечения связана с интерференцией распространяющихся СВЧ-волн; б – фотография с улучшенным пространственным разрешением. СПС расположен на нижнем крае щели. В левой части показана ширина щели в этом эксперименте, d = 1.5 мм.

РЕЗУЛЬТАТЫ

В результате выполненных экспериментов были определены значения электрических полей E_M для СПС, заполненных аргоном, неоном и гелием, в зависимости от давления газа p в сердцевине световода. Измерения проведены для СПС, диаметры сердцевины которых составляли d_c = 100 мкм (соответствующий диффузионный параметр Λ = = 21 мкм), 110 мкм (Λ = 23 мкм) и 125 мкм (Λ = = 26 мкм). Полученные данные для Ar, Ne и He приведены на рис. 3–5 соответственно. Кроме того, на каждом из этих рисунков, для сравнения, приведены ранее опубликованные данные по напряженности пробоя E_BD для тех же газов под действием СВЧ-излучения близкой частоты (2.8 ГГц) в экспериментах с геометрией, соответствующей, насколько нам известно, наименьшим имеющимся в литературе значениям диффузионного параметра. Но все эти значения Λ > 500 мкм, и поэтому превышают значения Λ в наших экспериментах не менее чем в 20 раз.

Рис. 3.

Линии 1–3 (относятся к левой вертикальной оси): зависимости E_M(p) для СПС, заполненных аргоном, с указанными параметрами Λ. Линии 4–5 (относятся к правой вертикальной оси): зависимости E_BD(p) для аргона, приведенные в [10], но для геометрии эксперимента со значительно большими величинами Λ.

Рис. 4.

Линии 1–3 (относятся к левой и нижней осям): зависимости E_M(p) для СПС, заполненных неоном, с указанными параметрами Λ. Линии 4–5 (относятся к правой и верхней осям): зависимости E_BD(p) для неона, приведенные в [10], но для геометрии эксперимента со значительно большими величинами Λ.

Рис. 5.

Линии 1–3 (относятся к левой и нижней осям): зависимости E_M(p) для СПС, заполненных гелием, с указанными параметрами Λ. Линии 4–6 (относятся к правой и верхней осям): зависимости E_BD(p) для гелия, приведенные в [10], но для геометрии эксперимента со значительно большими величинами Λ.

Полученные данные, приведенные на рис. 3–5, показывают, что при переходе от больших разрядных объемов (с Λ ≈ 1 мм) к СПС (Λ ≈ 20 мкм) минимально необходимое для поддержания разряда значение электрического поля E_M увеличивается с величин порядка 250 В/см до 2.5–2.8 кВ/см (т.е. примерно на порядок величины) во всех исследованных газах. Отметим, что для оценки величины E_M при бóльших Λ мы используем имеющиеся в литературе данные по E_BD, полагая E_M ≈ E_BD. Кроме того, минимум функции E_M(p) в СПС наблюдается при бóльших давлениях, чем в разрядных объемах с характерным размером порядка сантиметра. Для аргона оптимальное давление возрастает примерно на порядок, от 5 до 50 торр. Для неона и гелия это увеличение еще больше: от примерно 10 до 300 торр (неон) и до 500 торр (гелий).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей работе впервые экспериментально определены области поддержания СВЧ-разряда в СПС с сердцевинами диаметром около 100 мкм, заполненными аргоном, неоном и гелием, в координатах “напряженность электрического поля” – “давление”. Определены оптимальные параметры СВЧ-поля и давления газа в сердцевине полых световодов для реализации накачки ГРВЛ на их основе. Для аргона это примерно 2.5 кВ/см – 50 торр, для неона: 2.5 кВ/см – 300 торр и для гелия: 2.8 кВ/см – 500 торр. Полученные высокие величины необходимых значений напряженности электрического поля однозначно указывают на необходимость использования для возбуждения газового разряда электрического поля, направленного поперек световода, а не вдоль него. В противном случае необходимая разность потенциалов на половине длины волны СВЧ-излучения может составлять 15 кВ и более, что ограничит возможности применения таких ГРВЛ. Если же электрическое поле будет направлено поперек СПС (как в наших экспериментах), то при выборе ширины щели, равной диаметру полимерной оболочки СПС (в нашем случае для d_c = 100 мкм это 360 мкм) разность потенциалов между верхней и нижней краями щели (см. рис. 2) не превысит 100 В.