Индукционная накачка лазеров коаксиальной конструкции на самоограниченных переходах

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.

В данной работе кратко представлена физическая модель лазера, описывающая динамику параметров плазмы, кинетику инверсной заселённости рабочих уровней лазера на самоограниченных переходах, развитие индуцированного излучения. Представлены также электротехнические уравнения для описания работы простейшего источника электрических импульсов накачки. Проведён расчёт тепловых параметров рабочего тела и конструкции камеры. С помощью численных экспериментов обнаружено, что в рассмотренных вариантах такого лазера реализуется импульс накачки, представляющий собой цуг высокочастотных затухающих колебаний, в отличие от обычного лазера на парах меди с апериодическим разрядом. Проведён анализ физических процессов, протекающих в плазме ВЧ-разряда. Показано, что пульсирующий характер джоулева тепловыделения приводит к заметным пульсациям электронной температуры, однако это не препятствует работе лазера на самоограниченных переходах. В оптимальных режимах возбуждения наблюдаются только небольшие колебания инверсной заселённости рабочих уровней атома меди и интенсивности в импульсе излучения. Достигнутые в расчётах высокие выходные характеристики лазера свидетельствуют о возможности эффективной накачки лазера на парах меди новым для него индукционным методом.

лазер на парах меди, индуктор, трансформатор, индукционный разряд, коаксиальная камера, численное моделирование, лазерная кинетика

1. Batenin, 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 9781482250046

2. Мхитарян, В.М. Лазеры и источники излучения на основе индукционного разряда в среде / В.М. Мхитарян // Лазер-Информ. – 2004. ‒ № 15–16. ‒ С. 18.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. Калантаров, П.Л. Расчет индуктивностей / П.Л. Калантаров, Л.А. Цейтлин. ‒ Л.: Энергия, 1970.

11. Попов, В.П. Основы теории цепей / В. П. Попов. – М.: Высш. шк., 2007.

12. 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.

13. 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.

14. Direktor, L.B. Thermophysical Model of Metal_Vapor Lasers with Discharge Chambers of Cylindrical and Coaxial Geometry / L.B. Direktor, V.T.

15. Karpukhin, M.M. Malikov // High Temperature. – 2014. – Vol. 52. − No. 3. – Р. 428−435.

16. Райзер, Ю.П. Высокочастотный индукционный разряд высокого давления и безэлектродный плазмотрон / Ю.П. Райзер // Успехи физических наук. – 1969. − Т. 99. – С. 687−712.

17. Установки индукционного нагрева / под ред. А. Е. Слухоцкого. − Л.: ЭНЕРГОИЗДАТ, 1981.

18. Дресвин, С.В. Основы теории и расчёта высокочастотных плазмотронов / С. В. Дресвин. − Л.: Энергоатомиздат, 1991.

19. Григорьянц, А.Лазеры на парах меди: конструкция, характеристики и применения / А.Григорьянц, М.А. Казарян, Н.А. Лябин. ‒ М.: Физматлит, 2005. ‒ 312 с.

20. 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.

21. Батенин, В.М. Лазеры на самоограниченных переходах атомов металлов ‒ 2 / В.М. Батенин [и др.] ‒ М.: Физматлит, 2011. ‒ Т. 2.

22. 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.

23. 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.

24. 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.

25. 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.