Известия РАН. Серия физическая, 2020, T. 84, № 7, стр. 944-947

ВВЕДЕНИЕ

На сегодняшний день лазеры на переходах инертных газов являются одними из наиболее востребованных источников лазерного излучения в ближней и средней ИК области. Среди подобных лазеров широкое распространение получили XeI-лазеры. Впервые генерация на ИК переходах ксенона была получена при накачке активной среды объемным самостоятельным электрическим разрядом [1, 2]. Также позднее стала использоваться накачка электрическим разрядом, стабилизированным пучком электронов [3–5], накачка электронным пучком с наносекундной [4] и микросекундной [6, 7] длительностью импульса, накачка двухкомпонентных ксеноновых смесей осколками деления ядерных реакций [8, 9], накачка импульсной плазменной струей [10] и оптическим пробоем смеси газов [11].

Несмотря на широкий спектр способов накачки XeI-лазеров, сегодня самыми часто используемыми методами являются накачка электронным пучком и ВЧ разрядом. В случае накачки активной смеси электронным пучком, оптимальными являются двух или трехкомпонентные смеси ксенона с аргоном и гелием в соотношении He/Ar : : Xe – 100 : 1 и давлении до нескольких атмосфер. Спектр генерации чаще всего содержит излучение на длинах волн 1.73, 2.03, 2.63, 2.65 и 3.37 мкм, а энергия генерации может достигать 650 Дж [12] при кпд – до нескольких % (в электроионизационных лазерах почти 10% [13]). Длительность импульсов генерации, как правило, соответствует длительности импульсов накачки и может достигать от величины нескольких мкс до нескольких мс [14]. Во втором случае лазерная генерация может осуществляться в непрерывном режиме, при этом, мощность может достигать 3.5 Вт [15]. Лазерное излучение чаще всего состоит из нескольких (до десятка) линий в области 1.7–3.7 мкм [16].

Многообразие работ, посвященных исследованию почти всех известных методов накачки ксеноновых смесей (кроме химического), обусловлено широкими возможностями применения ксеноновых лазеров. На данный момент ксеноновые лазеры используются для создания различных сканирующих и атмосферных лидаров [17], поскольку лазерная генерация происходит на длинах волн, находящихся в окнах прозрачности земной атмосферы. Также, ксеноновый лазер может использоваться в волоконных оптических линиях связи для передачи излучения в ближней ИК области с малыми потерями на значительные расстояния. Более того, ксеноновые лазеры широко используются в науке благодаря тому, что данная активная среда позволяет генерировать лазерное излучение на различных длинах волн в достаточно широком диапазоне (0.9–29 мкм [18‒20]) и имеет самый низкий порог генерации среди газовых лазеров [21]. Следовательно, это открывает большие возможности без смены активной среды и принципиальных изменений конструкции лазерного излучателя или электрической схемы накачки, а только заменой элементов резонатора выделять определенные спектральные линии на заданной длине волны.

В наших предыдущих экспериментах по созданию газовых лазеров, накачиваемых импульсным индукционным разрядом, была показана возможность накачки активных газовых лазерных сред, работающих как на передаче возбуждения от атомов буферного газа [22], так и при прямом возбуждении молекул (в данном случае азота и водорода) электронным ударом [23, 24]. Кроме того, используемый в выше описанных исследованиях индукционный разряд формируется в отсутствие каких-либо электродов в активной среде, что позволяет избежать формирования процессов загрязнения активной среды, протекающих в электроразрядных лазерах и приводящих к нестабильности работы лазера и ухудшению его электротехнических характеристик. Следовательно, отсутствие электродов в индукционном разряде и химическая инертность газовых компонент активной среды позволяет создавать ХеI-лазеры с очень большим ресурсом работы. В связи с вышеперечисленными преимуществами были проведены пробные эксперименты по накачке XeI-лазера импульсным индукционным продольным разрядом. В результате чего в разрядной трубке с активной длиной 500 мм была зарегистрирована лазерная генерация в области 900–1000 нм [25]. Таким образом, мы считаем, что импульсный индукционный разряд может быть предложен в качестве альтернативного метода накачки ИК XeI-лазера. Соответственно, целью данной работы является исследование спектральных и временных характеристик излучения XeI-лазера на электронных переходах нейтральных атомов ксенона в импульсном продольном индукционном разряде.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Для проведения исследований была разработана экспериментальная установка, электрическая схема которой выполнена по типу схемы Блюмляйна, аналогичная описанной в [26]. Данная система накачки включала в себя две накопительные емкости C₁ = 30 нФ и C₂ = 55 нФ, заряжаемые от импульсного источника ALE-152 LambdaEMI до зарядного напряжения U_ch = 27 кВ, и высоковольтный коммутатор – тиратрон серии ТПИ1-10/50. В качестве индукционного лазерного излучателя использовалась стеклянная трубка с капилляром и обводным каналом. Такая конструкция обеспечивала протекание тока по замкнутому контуру, при этом, рабочая область была образована капилляром диаметром 7 мм и длиной 300 мм – для достижения высокой плотности тока, – а диаметр обводного канала был значительно больше (20 мм) для снижения полного сопротивления контура. Торцы трубки герметизировались плоскопараллельными пластинами из CaF₂, размещенными в юстировочных узлах. В качестве индуктора использовался набор из 8 рамок, выполненных из медных изолированных проводов сечением 2.5 мм², установленных вдоль разрядного контура. В литературе такой тип безферритного индуктора называется антенной [27]. Резонатор был образован задним плоскопараллельным алюминиевым зеркалом и передней подложкой из CaF₂. Осуществлялась продольная прокачка газовых смесей с небольшой (около 1 л · мин^–1) скоростью.

Спектральные характеристики излучения ксенонового лазера в импульсном продольном индукционном разряде исследовались при помощи монохроматора ЛОМО МДР-204 с дифракционной решеткой 300 штр/мм (рабочая спектральная область 800–5000 нм). Исследование длительности оптических импульсов производилось при помощи охлаждаемого фотодиода ФД-511-2 и осциллографа Tektronix 2024В с полосой 100 МГц.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Впервые ИК лазерное излучение при накачке ксенона импульсным продольным индукционным разрядом было получено в спектральной области 900–1000 нм в предшествующих этой работе экспериментах при использовании похожей разрядной трубки с активной длиной около 500 мм [25]. Спектр излучения был представлен двумя линиями с длинами волн 904.5 и 979.9 нм соответственно. В данной работе с целью исследования возможности создания компактных индукционных XeI-лазеров, эксперименты проводились с разрядной трубкой такого же диаметра, но с меньшей активной длиной (300 мм). Эксперименты проводились при одном зарядном напряжении, равном 27 кВ, с частотой следования импульсов 1 Гц.

Исследования спектрального состава лазерного излучения индукционного XeI-лазера проводились в области 800–5000 нм. В данных условиях накачки, излучения на вышеупомянутых длинах волн 904.5 и 979.9 нм обнаружено не было, однако в спектре генерации были зарегистрированы две линии с длинами волн λ₁ = 1733 нм и λ₂ = 2026 нм, которые мы отнесли к переходам нейтральных атомов ксенона $5d\left[ {{3 \mathord{\left/ {\vphantom {3 2}} \right. \kern-0em} 2}} \right]_{1}^{0} \to 6p{{\left[ {{5 \mathord{\left/ {\vphantom {5 2}} \right. \kern-0em} 2}} \right]}_{2}}$ и $5d\left[ {{3 \mathord{\left/ {\vphantom {3 2}} \right. \kern-0em} 2}} \right]_{1}^{0} \to 6p{{\left[ {{3 \mathord{\left/ {\vphantom {3 2}} \right. \kern-0em} 2}} \right]}_{1}}$ соответственно [28]. При этом рабочее давление не превышало нескольких торр. Максимальная интенсивность лазерного излучения достигалась при давлениях около 0.3–0.4 торр. Спектр генерации в чистом ксеноне при давлении ~0.3 торр представлен на рис. 1. По нашему мнению, отсутствие в спектре генерации линий с длинами волн 904.5 и 980 нм связано с тем, что они имеют меньший коэффициент усиления, поэтому при уменьшении активной длины режим лазерной генерации для них не достигается.

Рис. 1.

Спектр излучения ИК XeI-лазера с накачкой импульсным продольным индукционным разрядом.

Поскольку из литературы известно [28], что добавление гелия или аргона позволяет значительно повысить энергию генерации ХеI-лазера, мы в своих экспериментах также пробовали использовать эти газы в качестве добавок. При разбавлении ксенона гелием рабочее давление в зависимости от соотношения компонент увеличивалось приблизительно до 1 торр, однако в смеси He–Xe происходило уменьшение интенсивности излучения нейтральных атомов ксенона на двух ранее указанных длинах волн (рис. 2а).

Рис. 2.

Зависимость интенсивности излучения атомов XeI на длинах волн 1733 (1) и 2026 нм (2) при различном содержании гелия в двухкомпонентной смеси He–Xe (а); на длине волны 2026 нм при различном содержании аргона в двухкомпонентной смеси Ar–Xe (б).

Более того, интенсивность генерации на длине волны λ₁ была на порядок меньше, чем интенсивность λ₂, и резко уменьшалась с увеличением парциального давления гелия в двухкомпонентной смеси He–Xe. При этом проведенные исследования спектрального состава в диапазоне 800–5000 нм показали, что других линий, которые можно было бы отнести к лазерному излучению атомов или ионов Xe или Не в спектре не появляется.

При использовании аргона в качестве буферного газа интенсивность излучения на длине волны 2026 нм была в 2 раза меньше, чем в чистом ксеноне (рис. 2б). Генерации на длине волны 1733 нм в смеси Ar–Xe в спектре зарегистрировано не было. Рабочее давление смеси Ar–Xe не превышало 1 торр. Так же, как и при добавлении гелия к ксенону, в смеси Ar–Xe других линий генерации в области 800–5000 нм не появлялось. Сравнивая результаты спектральных исследований однокомпонентной и двухкомпонентных смесей, можно предположить, что при накачке двухкомпонентной смеси значительная доля энергии идет на возбуждение различных состояний атомов и ионов He и Ar, что свидетельствует об изменениях в кинетических процессах, протекающих в плазме импульсного индукционного разряда.

Проводились исследования временных характеристик генерации индукционного XeI-лазера, которые показали, что длительность оптического импульса составляла 60 ± 2 нс на полувысоте (рис. 3). Добавление гелия или аргона к ксенону приводило к уменьшению длительности оптического импульса до ~50 нс на полувысоте.

Рис. 3.

Осциллограмма оптического импульса генерации ИК XeI-лазера с накачкой импульсным продольным индукционным разрядом.

В этой работе исследований энергетических характеристик генерации индукционного XeI-лазера не проводилось, измерялась только энергия, которая в наших экспериментах составляла 0.1 мДж. Поскольку созданный лазер может иметь некоторые применения, например, в медицине, то предполагается его дальнейшее исследование, которое позволит определить энергию, мощность, к. п. д. и другие параметры лазерного излучения, поэтому значение энергии не является окончательным и будет увеличено при оптимизации параметров накачки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Впервые в импульсном индукционном продольном разряде получено лазерное излучение на переходах нейтральных атомов ксенона в области 1700–2050 нм. Спектр генерации состоял из двух линий с длинами волн 1733 и 2026 нм. В результате спектральных исследований однокомпонентной и двухкомпонентных смесей ксенона с гелием и аргоном выявлено, что добавление буферных газов приводит к уменьшению интенсивности излучения на длинах волн 1733 и 2026 нм. Длительность оптического импульса в однокомпонентной смеси из чистого ксенона составляла 60 ± 2 нс на полувысоте. Использование двухкомпонентных смесей с гелием и аргоном приводило к уменьшению длительности оптического импульса.

Результаты исследований, представленные в работе, получены в рамках государственного задания (тема № АААА-А17-117030310293-6).