alternativeАльтернативная энергетика и экология (ISJAEE)Alternative Energy and Ecology (ISJAEE)1608-8298Международный издательский дом научной периодики "Спейс10.15518/isjaee.2018.16-18.098-112alternative-1420Research ArticleОПТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ И УСТРОЙСТВАOPTICAL PHENOMENA AND FACILITIESИндукционная накачка лазеров коаксиальной конструкции на самоограниченных переходахThe induction pumping of Coaxial Lasers on Self-Terminating TransitionsБатенинВ. М.BateninV. M.

Вячеслав Михайлович Батенин - доктор технических наук, профессор, чл.-корр. РАН, Советник РАН, ОИВТ РАН, 300. h-index 8, Scopus 10, РИНЦ 11.

Д. 13/2, ул. Ижорская, Москва, 125412, тел.: +7(916) 735-61-66

Vyacheslav Batenin - D.Sc. in Engineering, Professor, Corresponding Member of RAS, Advisor of RAS; JIHT RAS.

13/2 Izhorskaya St., Moscow, 125412, tel.: +7(916) 735-61-66

КарпухинВ. Т.KarpukhinV. T.

Вячеслав Тимофеевич  Карпухин - доктор технических наук, главный научный сотрудник, ОИВТ РАН,  РИНЦ – 5, Scopus – 5, WoS  –  6.

Д. 13/2, ул. Ижорская, Москва, 125412, тел.: +7(916) 735-61-66

D Vyacheslav Karpukhin - Sc. in Engineering, Chief Researcher JIHT RAS.

13/2 Izhorskaya St., Moscow, 125412, tel.: +7(916) 735-61-66

МаликовМ. М.MalikovM. M.

Михаил Максимович  Маликов - доктор тфизико-математических наук, ведущий научный сотрудник, ОИВТ РАН, h-index: РИНЦ – 5, Scopus – 4, WoS – 6.

Д. 13/2, ул. Ижорская, Москва, 125412, тел.: +7(916) 735-61-66

Mikhail Malikov - D.Sc. in Physics and Mathematics, Leading Researcher, Joint Institute of High Temperatures of the Russian Academy of Sciences (JIHT RAS).

13/2 Izhorskaya St., Moscow, 125412, tel.: +7(916) 735-61-66

АверюшкинА. С.AveryushkinA. S.

Анатолий Сергеевич  Аверюшкин - доктор тфизико-математических наук, ведущий инженер, Физический институт имени П.Н. Лебедева РАН, h-index 4 , Scopus 3, РИНЦ 5.

Д. 53, Ленинский пр-т, Москва, 119991, тел.: +7(499)132-61-47

Anatoly Averyushkin - D.Sc. in Physics and Mathematics, Leading Engineer, P.N. Lebedev Physical Institute of the Russian Academy of Sciences (LPI RAS).

53 Leninskiy Av., Moscow, 119991, tel.: +7(499)132 61 47

kazar@sci.lebedev.ruКазарянМ. А.KazaryanM. A.

Мишик Айразатович  Казарян - доктор тфизико-математических наук, ведущий научный сотрудник, Физический институт имени П.Н. Лебедева РАН, h-index 9; Scopus 9;  РИНЦ 10; WoS 9.

Д. 53, Ленинский пр-т, Москва, 119991, тел.: +7(499)132-61-47

Mishik Kazaryan - D.Sc. in Physics and Mathematics, Leading Researcher, Physical Institute named after P. N. Lebedev RAS.

53 Leninskiy Av., Moscow, 119991, tel.: +7(499)132 61 47

kazar@sci.lebedev.ruЛябинН. А.LyabinN. A.

Николай Александрович Лябин - доктор технических наук, начальник лаборатории АО «НПП “ИСТОК” им. Шокина», h-index 8.

Д. 2а, ул. Вокзальная, Фрязино, Московская обл., 141190, тел.: +7(495)465-86-90

Nikolay Lyabin - D.Sc. in Engineering, Head of Laboratory, JointStock Company Research & Production Corporation “ISTOK” named after A.I. Shokin.

2A Vokzalnaya St., Fryazino, Moscow Region, 141190, tel.: +7 (495) 465 86 90

ЗахарянР. А.ZakharyanR. A.

Роберт Артушевич  Захарян - и.о. директора Тарусского филиала института общей физики им. Прохорова РАН, 25. h-index 1; Scopus – 3, РИНЦ – 4,  ResIDK3382-2018.

Д. 6, ул. Энгельса, Таруса, Калужская обл., 249100

Robert Zakharyan - Acting Director Tarusskii branch of A.M. Prokhorov General Physics Institute of RAS.

6 Engels St., Tarusa, Kaluga Region, 249100

ФГБУН «Объединенный институт высоких температур» РАН (ОИВТ РАН)РоссияJoint Institute for High Temperatures of the Russian Academy of Sciences (JIHT RAS)Russian FederationФизический институт им. П.Н. Лебедева РАН (ФИ РАН)РоссияP.N. Lebedev Physical Institute of the Russian Academy of Sciences (LPI RAS)Russian FederationНаучно-производственная корпорация «Исток»РоссияResearch and Production Corporation “Istok”Russian FederationТарусский филиал института общей физики (ИОФ РАН)РоссияTarusa Department of Prokhorov General Physics Institute of the Russian Academy of Sciences (GPI RAS)Russian Federation201812092018016-1898112Copyright © Международный издательский дом научной периодики "Спейс, 20182018Международный издательский дом научной периодики "СпейсМеждународный издательский дом научной периодики "Спейсhttps://www.isjaee.com/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.isjaee.com/jour/article/view/1420

Представлены результаты численного моделирования возбуждения лазера на парах меди импульснопериодическим индукционным (безэлектродным) разрядом. Исследован вариант лазера с кольцевым рабочим объёмом разрядной камеры, образуемым двумя коаксиальными цилиндрами. Показано, что такая  коаксиальная камера в большей степени удовлетворяет особенностям индукционного способа накачки, чем обычная цилиндрическая камера. В этом случае достигаются более высокие коэффициенты связи в трансформаторной схеме индукционного лазера и достаточно большие значения вихревого электрического поля. Кроме того, коаксиальная камера с экологической точки зрения представляется наиболее безопасной для окружающего персонала, в смысле излучения электромагнитных волн.

The paper presents the results of the numerical simulations of pumping a copper vapour laser by a repetitively pulsed induction (electrodeless) discharge. We have investigated the version of the laser with an annular discharge volume formed by two coaxial cylinders. Such coaxial chamber is shown to be more appropriate for the induction pumping than the conventional cylindrical chamber. In the first case, higher coupling factors in the transformercoupled circuit of the induction discharge as well as rather high curl electric field are achieved. Moreover, from the ecological point of view, the coaxial chamber appears to be safer for the surrounding personnel in terms of their exposure to electromagnetic radiation. The present work briefly presents the physical model of the laser which describes the dynamics of the plasma parameters, the kinetics of the inverse population of the working levels for the laser on self terminating transitions as well as the development of the induction radiation. The paper also presents the electrical equations describing the simplest source of electrical pump pulses. The thermal characteristics of the working medium are estimated and the design calculations of the chamber are performed. The numerical experiments have found that, in contrast to the case of a conventional copper vapour laser with aperiodic discharge, in the regarded versions of the copper vapour laser the pump pulse is realized as a train of high-frequency damped oscillations. The analysis of the physical processes occurring in the plasma of the high-frequency discharge is carried out. The pulsed behaviour of the Joule heat power is shown to release results in pronounced pulsations of the electron temperature. This fact, however, does not significantly affect the operation of the laser on self-terminating transitions. In the optimal pumping regimes, subtle oscillations are merely observed for the inverse population of the copper atom working levels and for the intensity in the radiation pulse. High output laser characteristics achieved in the numerical simulations demonstrate the potential for efficient pumping of the copper vapour laser using the inductive method which is new for such lasers. 

лазер на парах медииндуктортрансформаториндукционный разрядкоаксиальная камерачисленное моделированиелазерная кинетикаcopper vapor laserinductortransformerinductive dischargenumerical simulationlaser kinetics.РФФИ в рамках научного проекта № 17-08-00410 аRussian Foundation for Basic Research, project No. 17-08-00410 aReferencesBatenin, V.M. Brightness Metal Vapor Lasers: Physical Fundamentals and Mathematical Models / V.M. Batenin [et al.] ‒ forthcoming by CRC Press, November 15, 2016. ‒ Р. 600. ISBN 9781482250046Batenin V.M., Buchanov V.V., Boichenko A.M., Kazaryan M.I., Klimovskii I.I., Molodykh E.I. High Brightness Metal Vapor Lasers: Physical Fundamentals and Mathematical Models. November 15, 2016, forthcoming by CRC Press, 600 P. ISBN 9781482250046.Мхитарян, В.М. Лазеры и источники излучения на основе индукционного разряда в среде / В.М. Мхитарян // Лазер-Информ. – 2004. ‒ № 15–16. ‒ С. 18.Mkhitaryan V.M. Lasers and radiation sources based on induction discharge in the medium (Lazery i istochniki izlucheniya na osnove induktsionnogo razryada v srede). Lazer – Inform, 2004;(15–16):18−19 (in Russ.).Razhev, A.M. 703- to 731-nm FI Laser Excited by a Transverse Inductive Discharge / A.M. Razhev, V.M. Mkhitaryanb, D.S. Churkin // JETP Letters. – 2005. – Vol. 82. ‒ No. 5. – Р. 259–262. [4] Razhev, A.M. Inductive Ultraviolet Nitrogen Laser / A.M. Razhev, D.S. Churkin // JETP Letters. – 2007. – Vol. 86. − No. 6. – Р. 420–423.Razhev A.M., Mkhitaryan V.M., Churkin D.S. 703- to 731-nm FI Laser Excited by a Transverse Inductive Discharge. JETP Letters, 2005;82(5):259–262.Razhev, A.M Laser action on the F, He, Ne, Ar atoms and XeC1 and XeF molecules excited by an inductive transverse discharge / A.M. Razhev [et al.] // Proc. SPIE. – 2006. − Vol. 6263. – No. 8. − P. 6263021‒626302-10; doi: 10.1117/12.677386.Razhev A.M., Churkin D.S. Inductive Ultraviolet Nitrogen Laser. JETP Letters, 2007;86(6):420–423.Razhev, A.M. Study of the uv emission of an inductive nitrogen laser / A.M. Razhev, S.S. Churkin, A.A. Zhupikov // Quantum Electronics. ‒ 2009. ‒ Vol. 39. ‒ No. 10. ‒ Р. 901‒905.Razhev A.M., Mekhitarian V.M., Zhupikov A.A., Churkin D.S. Laser action on the F, He, Ne, Ar atoms and XeC1 and XeF molecules excited by an inductive transverse discharge. Proc. SPIE, 2006;6263; doi: 10.1117/12.677386.Razhev, A.M. Pulsed IR inductive lasers / A.M. Razhev, D.S. Churkin, E.S. Kargapol’tsev // Laser Phys. ‒ 2014. – Vol. 24. ‒ 074004. ‒ (5pp.); doi:10.1088/1054-660X/24/7/074004.Razhev A.M., Churkin S.S., Zhupikov A.A. Study of the UV emission of an inductive nitrogen laser. Quantum Electronics, 2009;39(10):901−905.Манучарян, Р.Возбуждение атомов меди импульсно-периодическим индукционным разрядом в парах CuBr / Р.Манучарян [и др.] // Сб. тезисов симпозиума «Лазеры на парах металлов (ЛПМ2006)». − Ростов-на-Дону, 2006. – С. 14.Razhev A.M., Churkin D.S., Kargapol’tsev E.S. Pulsed IR inductive lasers. Laser Phys, 2014;24:074004.Маликов, М.М. Численное моделирование возбуждения мощных лазеров на парах меди импульсно-периодическим индукционным разрядом / М.М. Маликов, В.Т. Карпухин, М.А. Казарян // Сб. тезисов симпозиума «Лазеры на парах металлов (ЛПМ-2014)». ‒ Ростов-на-Дону, 2014. − С. 64.Manucharyan RG., Mkhitaryan V.M., Isaev A.A., Kazaryan M.A., Lyabin N.A., Azizbekyan G.A., Pogosyan L.A. Copper atoms excitation by pulseperiodic induction discharge in CuBr vapors (Vozbuzhdenie atomov medi impul'sno - periodicheskim induktsionnym razryadom v parakh CuBr). Sbornik tezisov simp. “Lazery na parakh metallov LPM – 2006”, Rostov-na-Donu, 2006, p. 14 (in Russ.).Malikov, M.M. M. A. Kazaryan, V. T. Karpukhin. On the Possibility of Efficient Pumping of Copper Vapor Lasers by a Pulse-Periodic Inductive Discharge / M.M. Malikov, M.A. Kazaryan, V.T. Karpukhin // Bulletin of the Lebedev Physics Institute. – 2015. − Vol. 42. − No. 5. − P. 138–143.Malikov M.M., Karpukhin V.T., Kazaryan M.A. Numerical simulation of excitation of high-power copper vapor lasers by pulse-periodic induction discharge (Chislennoe modelirovanie vozbuzhdeniya moshchnykh lazerov na parakh medi impul'sno–periodicheskim induktsionnym razryadom). V sbornike trudov simp. “Lazery na parakh metallov” (LPM − 2014), Rostov-naDonu, 2014, pp. 64−65 (in Russ.).Калантаров, П.Л. Расчет индуктивностей / П.Л. Калантаров, Л.А. Цейтлин. ‒ Л.: Энергия, 1970.Malikov M.M., Kazaryan M.A., Karpukhin V.T. On the Possibility of Efficient Pumping of Copper Vapor Lasers by a Pulse-Periodic Inductive Discharge. Bulletin of the Lebedev Physics Institute, 2015;42(5):138–143.Попов, В.П. Основы теории цепей / В. П. Попов. – М.: Высш. шк., 2007.Kalantarov P.L., Tseitlin L.A. Calculation of inductance (Raschet induktivnostei). Leningrad: Energiya Publ., 1970 (in Russ.).Директор, Л.Б. Физическая модель и методика расчёта параметров лазера на парах меди / Л.Б. Директор, М.М. Маликов. ‒ Препринт №5-249 ИВТАН. – M., 1988. ‒ 52 с.Popov V.P. Fundamentals of the theory of circuits (Osnovy teorii tsepei). Moscow: Vyssh. Shkola Publ., 2007 (in Russ.).Маликов, М.М. Экспериментальное и расчётно-теоретическое исследование физических процессов в лазерных системах на парах меди с целью улучшения удельных выходных характеристик: Диссертация на соискание учёной степени д-ра физ.-мат. наук. − М., 2011.Direktor L.B., Malikov M.M. Physical model and method of calculation of parameters of copper vapor laser. (Fizicheskaya model' i metodika rascheta parametrov lazera na parakh medi). Preprint №5-249 IVTAN. Moscow, 1988, 52 p. (in Russ.).Direktor, L.B. Thermophysical Model of Metal_Vapor Lasers with Discharge Chambers of Cylindrical and Coaxial Geometry / L.B. Direktor, V.T.Malikov M.M. Experimental and theoretical investigation of physical processes in laser systems, copper-vapor, to improve the specific output characteristics (Eksperimental'noe i raschetno-teoreticheskoe issledovanie fizicheskikh protsessov v lazernykh sistemakh na parakh medi s tsel'yu uluchsheniya udel'nykh vykhodnykh kharakteristik). Dissertation for the degree of doctor of physical and mathematical sciences. Moscow, 2011 (in Russ.).Karpukhin, M.M. Malikov // High Temperature. – 2014. – Vol. 52. − No. 3. – Р. 428−435.Direktor L.B., Karpukhin V.T., Malikov M.M. Thermophysical Model of Metal_Vapor Lasers with Discharge Chambers of Cylindrical and Coaxial Geometry. High Temperature, 2014;52(3):428−435.Райзер, Ю.П. Высокочастотный индукционный разряд высокого давления и безэлектродный плазмотрон / Ю.П. Райзер // Успехи физических наук. – 1969. − Т. 99. – С. 687−712.Raizer Yu.P. High-frequency induction discharge of high pressure and non-electrode plasmatron (Vysokochastotnyi induktsionnyi razryad vysokogo davleniya i bezelektrodnyi plazmotron). Uspekhi fizicheskikh nauk, 1969;99(4):687−712 (in Russ.).Установки индукционного нагрева / под ред. А. Е. Слухоцкого. − Л.: ЭНЕРГОИЗДАТ, 1981.Induction heating installations. / Edited by A. E. Slugocki (Ustanovki induktsionnogo nagreva / Ed. A.E. Slukhotskogo.). Leningrad: Energoizdat Publ., 1981 (in Russ.).Дресвин, С.В. Основы теории и расчёта высокочастотных плазмотронов / С. В. Дресвин. − Л.: Энергоатомиздат, 1991.Dresvin S.V. Fundamentals of the theory and calculation of high-frequency plasmatrons (Osnovy teorii i rascheta vysokochastotnykh plazmotronov). Leningrad: Energoatomizdat Publ., 1991 (in Russ.).Григорьянц, А.Лазеры на парах меди: конструкция, характеристики и применения / А.Григорьянц, М.А. Казарян, Н.А. Лябин. ‒ М.: Физматлит, 2005. ‒ 312 с.Grigor'yants A.G., Kazaryan M.A., Lyabin N.A. Copper vapor lasers: design, characteristics and applications (Lazery na parakh medi: konstruktsiya, kharakteristiki i primeneniya). Moscow: Fizmatlit Publ., 2005, 312 p. (in Russ.).Borovich, B.L. Transverse-discharge coppervapor laser. In Metal Vapor Lasers and Their Applications. CIS Selected Papers. G. Petrash Editor / B.L. Borovich // Proc. SPIE. ‒ 1993. ‒ Vol. 22110. ‒ P. 46−63.Borovich B.L. Transverse-discharge coppervapor laser. In Metal Vapor Lasers and Their Applications. CIS Selected Papers. G. Petrash Editor. Proc. SPIE, 1993;22110:46−63.Батенин, В.М. Лазеры на самоограниченных переходах атомов металлов ‒ 2 / В.М. Батенин [и др.] ‒ М.: Физматлит, 2011. ‒ Т. 2.Batenin V.M., Bokhan P.A., Buchanov V.V., Evtushenko G.S., Kazaryan M.A., Karpukhin V.T., Klimovskii I.I., Malikov M.M. Self-terminating Lasers the transitions of atoms of metals − 2 (Lazery na samoogranichennykh perekhodakh atomov metallov – 2). Moscow: Fizmatlit Publ., 2011; vol. 2 (in Russ).Батенин, В.М. Спектрально-временные характеристики индуцированного излучения лазера на парах меди / В.М. Батенин [и др.] // Тр. V Всес. Симпозиума по распространению лазерного излучения в атмосфере. – Томск. 1979. ‒ C. 121‒125.Batenin V.M., Klimovskii I.I., Morozov A.V, Selezneva L.A. Spectral and temporal characteristics of induced copper vapor laser radiation (Spektral'novremennye kharakteristiki indutsirovannogo izlucheniya lazera na parakh medi). Tomsk: Trudy V Vses. Simpoziuma po rasprostraneniyu lazernogo izlucheniya v atmosphere, 1979, pp. 121−125 (in Russ.).Васильев, Л.А. Лазер на парах меди с магнитным полем / Л.А. Васильев [и др.] // Теплофизика высоких температур. ‒ 1982. ‒ T. 20. ‒ № 5. ‒ C. 995−997.Vasil'ev L.A., Gerts V.E., Direktor L.B., Kachalov V.V., Malikov M.M., Mendeleev V.Ya., Ratnikov G.E., Ryazanskii V.M., Sokol G.F., Sokolov A.V., Tatarintsev L.V., Fomin V.A., Shpil'rain E.E. Copper vapor laser with a magnetic field (Lazer na parakh medi s magnitnym polem). Teplofizika vysokikh temperature, 1982;20(5):995−997 (in Russ.).Varaksin, A.Yu. About choice of particle parameters for visualization and diagnostics of free concentrated air vortices / A.Yu. Varaksin, M.V. Protasov, Yu.S. Teplitskii // High Temperature. ‒ 2014. ‒ Vol. 52. − No 4. – Р. 554–559.Varaksin A.Yu., Protasov M.V., Teplitskii Yu.S. About choice of particle parameters for visualization and diagnostics of free concentrated air vortices. High Temperature, 2014;52(4);554−559.Varaksin, A.Yu. Clusterization of particles in turbulent and vortex two-phase flows / A.Yu. Varaksin // High Temperature. – 2014. ‒ Vol. 52. − No 5. – Р. 752–769.Varaksin A.Yu. Clusterization of particles in turbulent and vortex two-phase flows. High Temperature, 2014;52(5):752–769.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.