Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна

Шевченко Валерій Вікторович

УДК 621.373.826:535.37

Імпульсно-періодичні джерела потужного випромінювання субмікронного діапазону

01.04.01 - фізика приладів, елементів і систем

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора фізико-математичних наук

Харків – 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті радіофізики та електроніки ім. О.Я.Усикова

Національної академії наук України.

Офіційні опоненти: | доктор фізико-математичних наук, професор

Тихонов Євген Олександрович,

Інститут фізики Національної академії наук України,

головний науковий співробітник, м. Київ;

доктор фізико-математичних наук, професор

Рожицький Микола Миколайович,

Харківський національний університет радіоелектроніки,
професор кафедри біомедичних електронних пристроїв та систем, м. Харків;

доктор фізико-математичних наук, професор

Кокодій Микола Григорович,

Національний фармацевтичний університет МОЗ України, професор кафедри фізики, м. Харків.

Провідна установа: | Київський національний університет ім. Тараса Шевченка, кафедра квантової радіофізики, м. Київ.

Захист відбудеться “ 11 ” березня 2005 року о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.051.02 Харківського національного університету ім. В.Н. Каразіна за адресою:

61077, м. Харків-77, площа Свободи, 4, ауд. 3-9.

З дисертацією можна ознайомитись у Центральній науковій бібліотеці Харківського національного університету ім. В.Н. Каразіна за адресою:

61077, м. Харків-77, площа Свободи, 4.

Автореферат розісланий “ 25 ” січня 2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Ляховський А.Ф.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Субмікронний діапазон електромагнітних хвиль відіграє важливу роль у багатьох областях діяльності людини, тому розробці та створенню джерел цього випромінювання, призначених для чисельних галузей науки, техніки, технології і медицини, завжди приділялася належна увага. Створення лазерів дозволило розширити можливості традиційних методів і приладів та створити принципово нові системи, що значно розширило коло їхнього застосування. Цьому сприяли унікальні параметри лазерного випромінювання, такі як високий ступінь когерентності і спрямованості, великі рівні потужності й енергії, можливість спектрально-селективної взаємодії з об'єктами, тощо.

Багато прикладних задач потребує, щоб потужність випромінювання джерел субмікронного випромінювання була досить високою. При цьому ефективне вирішення більшості з них може бути забезпечене в імпульсно-періодичному (І-П) режимі, який дозволяє досить легко досягати пікової потужності випромінювання порядку 102106 Вт при відносно невисокому енергоспоживанні, що складно, а в багатьох випадках і неможливо отримати в неперервному режимі.

Для вирішення численних задач, у яких використовується спектрально-селективна взаємодія електромагнітних хвиль з речовиною, потрібні джерела субмікронного випромінювання з перестроюванням частоти в оптичному діапазоні, включаючи видиму та прилеглі інфрачервону (ІЧ) й ультрафіолетову (УФ) ділянки, де розташовані характерні смуги поглинання атомних, іонних і молекулярних систем, а також конденсованих середовищ. При цьому вимоги до спектрального складу випромінювання в різних задачах різні, що залежить від властивостей об'єкта досліджень.

До теперішнього часу різні ділянки субмікронного діапазону освоєні неоднаково. Найбільш сприятлива ситуація складається в ближньому ІЧ діапазоні, де когерентне випромінювання з перестроюванням частоти забезпечують твердотільні лазери, напівпровідникові лазерні системи, а також лазери на барвниках (ЛБ). У видимій області спектра неперервне перестроювання довжини хвилі випромінювання можна реалізувати за допомогою лазерів на барвниках (ЛБ). Гірше освоєна УФ ділянка спектра: якщо виключити з розгляду лазери на вільних електронах, для роботи яких необхідні прискорювачі заряджених частинок, безпосередня генерація випромінювання з перестроюванням частоти в УФ діапазоні отримана в основному з ЛБ. Для освоєння ультрафіолетового діапазону спектра можна залучати нелінійно-оптичні методи, зокрема, генерацію гармонік випромінюванням твердотільних лазерів та лазерів на барвниках з перестроюванням частоти.

Вже перші роботи, присвячені даному питанню, показали, що найбільш повне вирішення проблеми створення джерел випромінювання, які повністю перекривають оптичний діапазон, може бути отримане на базі ЛБ, що працюють у різних режимах. Це стимулювало дослідження багатьох наукових колективів, що були направлені на вивчення основних фізичних процесів, які протікають в основних елементах лазерів цього класу, і на створення ЛБ, придатних для практичного застосування. Проте лазери на барвниках, на відміну від інших лазерів, мають велику розмаїтість режимів роботи, які відрізняються умовами накачки і часовими параметрами випромінювання. Найкраще вивчені ЛБ, які використовують когерентну накачку і генерують в імпульсному або в неперервному режимах. У той же час І-П ЛБ із ламповою накачкою (ЛН) досліджені менш докладно, що обумовлене більш високими рівнями енергії та складними умовами збудження активного середовища, великим її об’ємом, тощо.

Слід зазначити, що ЛБ із ЛН звичайно мають велику спектральну ширину смуги і меншу стабільність довжини хвилі випромінювання, ніж ЛБ із когерентним збудженням, але їм притаманна незаперечна перевага: завдяки великому об’єму активного середовища вони можуть генерувати імпульси випромінювання мікросекундної тривалості з енергією, що досягає 0,1100 Дж, а в І-П режимі середня потужність цих систем може сягати 0,1100 Вт і більше. Тому лазери такого класу вигідно відрізняються від інших джерел світла в тих прикладних задачах, які потребують високої енергії або високої середньої потужності: дистанційне зондування, спектроскопія, фотохімія, медицина, тощо.

Перспективи використання І-П джерел потужного випромінювання субмікронного діапазону в різних областях діяльності людини і потенційні можливості його одержання від ЛБ із ЛН були зрозумілі на момент постановки даної роботи в 1983 р. Проте на шляху практичної реалізації цього стояв ряд невирішених наукових і науково-технічних питань, у тому числі:

1)

2)

3)

4)

5)

В І-П режимі виникають додаткові проблеми, пов'язані з нестаціонарними періодичними тепловими процесами, які відбуваються безпосередньо в активному середовищі та в інших елементах лазера, і визначають нестаціонарний характер аберацій резонатора. В результаті цього просторово-кутовий розподіл випромінювання ЛБ із ЛН має складний і нестаціонарний характер. Це призводить до помітних втрат енергії в оптичних елементах, які використовуються для узгодження випромінювання з об’єктами досліджень, і часто є основною причиною їхнього пошкодження.

Таким чином, на момент постановки даної роботи (1983 р.) комплексне вирішення перелічених проблем було надзвичайно актуальним як власне для фізики приладів, елементів і систем, так і для багатьох прикладних задач. У зв'язку із цим було заплановано цикл досліджень, направлених на розробку і створення потужних ефективних І-П джерел випромінювання, які можуть перестроюватися у субмікронному діапазоні спектра.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота являється узагальненням результатів досліджень, виконаних автором в Інституті радіофізики та електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України, які увійшли в наукові звіти державних науково-дослідних тем: “Фарос”, держ. реєстр. № .085.235; “Фокус”, держ. реєстр. № 01.86.0093654; “Фотон”, держ. реєстр. № 01.92.U027982; “Факел”, держ. реєстр. № 01.96.U006112; “Орт”, держ. реєстр. № 01.00.U006440.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи було вирішення наукової і науково-технічної проблеми “Імпульсно-періодичні джерела потужного випромінювання субмікронного діапазону”, що передбачало вивчення нестаціонарних фізичних процесів мікросекундної тривалості, які протікають в основних елементах лазерів на барвниках із ламповою накачкою і в системах на їхній основі, та створення імпульсно-періодичних джерел потужного випромінювання, які мають неперервне перестроювання у субмікронному діапазоні спектра.

Для досягнення мети був проведений цикл досліджень, спрямований на вирішення наступних задач:

1.

2.

3.

4.

5.

Об’єкт дослідження: фізика джерел потужного випромінювання субмікронного діапазону.

Предмет дослідження: нестаціонарні фізичні процеси мікросекундної тривалості, що протікають в основних елементах лазерів на барвниках із ламповою накачкою та в системах на їх основі.

Методи дослідження: стандартні й нові експериментальні методи та прилади вимірювання електричних та світлових характеристик газорозрядної плазми, часових, просторово-кутових та спектрально-енергетичних характеристик випромінювання лазерів на барвниках із ламповою накачкою; статистичний аналіз експериментальних результатів; аналітичні й числові методи розв’язання нестаціонарних задач геометричної оптики активного середовища та швидкісних рівнянь лазерів на барвниках з урахуванням найбільш істотних чинників.

Наукова новизна одержаних результатів. У роботі були проведені комплексні дослідження основних фізичних процесів мікросекундної тривалості, які визначають генерацію випромінювання І-П ЛБ із ЛН з перестроюванням частоти та системами на їхній основі, і вперше отримано ряд нових результатів.

1. При дослідженні впливу нестаціонарних процесів, які відбуваються у збудженому стані активних молекул, вперше показано, що неоднорідний спектральний розподіл перетинів поглинання і випромінювання може призводити до істотної зміни спектральних та часових характеристик мікросекундних імпульсів випромінювання ЛБ. Встановлено, що донорно-акцепторні пари барвників “родамін 6Ж” + “ЛК-678”, “родамін 6Ж” + “ЛК_” та інші дозволяють суттєво розширити діапазон неперервного перестроювання довжини хвилі і поліпшити енергетичні характеристики лазерів цього типу.

2. При дослідженні еволюції просторово-кутових і енергетичних характеристик лазерів на барвниках вперше встановлено, що із зростанням енергії накачки, поглиненої активним розчином, змінюється умова стійкості еквівалентного резонатора, у результаті чого він протягом одного імпульсу може переходити зі стійкого типу в нестійкий, і навпаки.

3. На основі експериментального і теоретичного вивчення просторово-кутових і енергетичних характеристик випромінювання І-П ЛБ із ЛН вперше показано, що діаграма спрямованості їхнього випромінювання визначається насамперед абераціями II і IV порядків. Встановлено, що при надмірному охолодженні поверхні кювети замкнуті промені не проникають у периферійну область, що призводить до зниження ККД лазера. У той же час при недостатньому охолодженні просторовий період замкнутих променевих траєкторій зменшується, що зменшує границі стійкості резонатора лазера.

4. При дослідженні ГДГ випромінюванням І-П ЛБ із ЛН, які можуть перестроювати довжину хвилі, вперше показано, що припустиме променеве навантаження нелінійно-оптичних кристалів при мікросекундних імпульсах визначаються густиною енергії лазерного випромінювання.

5. На основі дослідження електричних характеристик газорозрядної плазми вперше встановлено, що нелінійний опір ксенонових ламп при потужних РМТ задовільно описується емпіричною функцією, яка використовує дві змінні: густину струму та густину заряду. Показано, що ці розряди можуть бути задовільно описані і в квазістаціонарному наближенні при використанні додаткового поправочного множника.

6. При дослідженні світлових, часових і спектрально-енергетичних характеристик випромінювання ксенонових ламп вперше встановлено, що вплив на них теплової інерції розрядного проміжку зростає із зростанням концентрації газу і радіуса лампи, а при збільшенні тривалості і потужності імпульсу розряду зменшується. Встановлено, що тривалість імпульсу випромінювання перевищує тривалість електричного імпульсу через теплову інерцію газорозрядного проміжку, що дає помітний вклад при малих рівнях потужності розряду, і обмеженої смуги прозорості оболонки лампи. У результаті впливу цих факторів для кожної лампової системи існує оптимальний рівень потужності, якому відповідає мінімальна тривалість імпульсу випромінювання.

7. На основі дослідження ефективності лампових систем накачки імпульсних і імпульсно-періодичних ЛБ вперше отримані кількісні співвідношення між параметрами лампи і кола розряду, які одночасно задовольняють умовам електричного узгодження контуру живлення лампи з нелінійним опором її розрядного проміжку, спектрального узгодження її випромінювання зі смугою поглинання активного елемента і забезпечують необхідний ресурс.

8. При вивченні особливостей генерації імпульсів субмілісекундної тривалості лазерами на барвниках вперше показано, що спектральні трансформатори в лампових системах накачки дозволяють істотно підвищити ККД.

Практичне значення одержаних результатів. Основні результати даної роботи можуть знайти застосування при створенні джерел потужного І-П випромінювання, призначених для різноманітних галузей науки, техніки та медицини, і були використані при розробці ряду методів, приладів, елементів та систем.

1. Запропоновані і реалізовані нові методи і прилади для вимірювання електричних величин, які базуються на застосуванні безконтактного електрооптичного перетворювача напруженості електричного поля, що забезпечило високу точність вимірювання імпульсних напруг на різних ділянках високовольтних кіл в умовах сильних електромагнітних завад.

2. Розроблені нові методи розрахунку ефективних джерел випромінювання на базі імпульсних ламп, які застосовні для широкого діапазону енергетичних та часових параметрів імпульсів світла і дозволили одночасно вирішити проблему електричного узгодження контуру живлення лампи з нелінійним опором її розрядного проміжку, забезпечити заданий спектр її випромінювання та необхідний ресурс роботи.

3. Розраховані, виготовлені та випробувані оригінальні імпульсні ксенонові коаксіальні та трубчаті лампи і системи з одноконтурним та двоконтурним живленням, які забезпечують високу ефективність випромінювання в заданому спектральному діапазоні при розрядах мікросекундної тривалості.

4. Запропоновано і досліджено кутовий селектор, реалізований у вигляді прозорого гвинтового виступу на стінці кювети, який запобігає існуванню замкнутих променевих траєкторій із ФВСК у резонаторі лазера, що дозволило забезпечити підвищену спрямованість випромінювання ЛБ із ЛН.

5. Сформульовані вимоги до параметрів резонатора, активного середовища і системи охолодження, необхідні для забезпечення одночасно високої спрямованості випромінювання І-П ЛБ із ЛН та їх високої ефективності.

6. Визначені вимоги, які пред'являються до спектральних селекторів, і асортимент активних середовищ, що забезпечують неперервне перестроювання довжини хвилі випромінювання у видимому діапазоні спектра.

7. Розраховані, розроблені і створені ефективні імпульсні та імпульсно-періодичні джерела оптичного випромінювання, які призначені для спектроскопічних та біологічних досліджень, і можуть знайти застосування в медицині, техніці, фотографії, фотохімії, тощо, у тому числі:

7.1. Широкосмугові лазери на барвниках, які випромінюють мікросекундні імпульси в діапазоні 450720 нм з енергією 0,140 Дж при ККД ~1% та частоті повторювання до 10 Гц.

7.2. Лазерна установка “зОНД-1”, яка призначена для роздрібнення каменів у внутрішніх органах людини методом інтракорпоральної літотрипсії.

7.3. Вузькосмугові І-П лазери на барвниках, які можуть безперервно перестроюватися у спектральному діапазоні 450720 нм і забезпечують спектральну ширину лінії випромінювання 0,011 нм, кутове розходження менше ніж 5 мрад, середню потужність 0,510 Вт і частоту 0,110Гц.

7.4. Імпульсно-періодичне джерело ультрафіолетового випромінювання, яке може перестроюватися у діапазоні 260360 нм і забезпечує пікову потужність 1 кВт, а середню потужність 10100 мВт при частоті 10 Гц.

Особистий внесок здобувача. Автору належить постановка наукової проблеми і вибір напрямків досліджень. Всі алгоритми і методи, що застосовувалися при проведенні чисельних досліджень, були реалізовані автором у виді комп'ютерних програм, і складали оригінальне програмне забезпечення, яке використовувалося в даній роботі.

В усіх сумісних роботах, які містять основні результати дисертації, автору належать: постановка задач, розробка методів їхнього розв'язання, аналіз і інтерпретація отриманих даних, узагальнення результатів, усі теоретичні і чисельні розрахунки, підготовка і написання наукових статей за результатами досліджень. Крім того, автору належать:

-

-

-

-

-

-

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації були представлені на таких наукових конференціях та семінарах: Всесоюзна школа – семінар “Лазерное оптическое и спектральное приборостроение” (Мінськ - 1983, 1986); Всесоюзна конференція “Инверсная заселенность и генерация на переходах в атомах и молекулах” (Томськ - 1986); Всесоюзна конференція “Органические люминофоры и их применение в народном хозяйстве” (Харків - 1987); 3-я Всесоюзна науково-технічна конференція “Метрология в дальнометрии” (Харків - 1988); Науково-технічна конференція “Источники и системы накачки лазеров на органических соединениях. Состояние разработок производства и перспективы их применения” (Москва - 1989); Міжнародний симпозіум “Physics in Ukraine” (Київ - 1993); Республіканська конференція “Науковомісткі технології подвійного призначення” (Київ - 1994); 3-я, 10-я, 12-я, 17-я Міжна-родні науково-практичні конференції “Применение лазеров в медицине и биологии” (Ялта – 1994, Харків - 1998, 1999, 2002); 3-я, 4-а, 5-а Міжна-родні конференції “Импульсные лазеры на переходах атомов и молекул” (Томськ - 1995, 1997, 1999); Міжна-родна конференція “Физика и химия органических люминофоров-95” (Харків - 1995); 3-я конференція по лазерній фізиці та спектроскопії (Гродно - 1997 г.); International Technology Transfer Conference (Iowa - 1998); 1st, 3d, 4d International Workshop on Laser and Fiber-Optical Networks Modeling (Kharkiv - 1999, 2001, 2002); Конференція “Лазеры. Измерения. Информация” (С.-Петербург – 2001, 2002); Конференція “Лазеры для медицины, биологии и экологии” (С.-Петербург - 2001 г.); International conference on physics of laser crystals (Kharkiv-Stary Saltov - 2002); 1-й Міжна-родний Радіоелектронний форум “Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития” (Харків - 2002); 1st International Conference on Advanced Optoelectronics and Lasers (Alushta - 2003); International Conference on the Noise Radar Technology (Kharkov - 2003). Крім того, результати досліджень були частково опубліковані у 5-и препринтах.

Публікації. Дисертація написана на базі 79 наукових робіт та авторських свідоцтв. Основні результати були опубліковані в 49 друкованих роботах, у тому числі: статті в фахових наукових виданнях – 26, з них одноособових – 6; авторських свідоцтв на винаходи – 4, з них одноособових – 1; матеріали конференцій та тези доповідей – 19, з них одноособових – 5.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, п’яти розділів, висновків, списку використаних джерел і двох додатків. Повний обсяг роботи складає 346 сторінок та містить у собі 304 сторінки основного тексту, 84 рисунки і 26 таблиць (з них 2 рисунки і 3 таблиці займають всю площу сторінки). Список використаних літературних джерел на 34 сторінках нараховує 310 найменувань. Загальний обсяг 2-х додатків складає 8 сторінок.

Основний зміст роботи

У вступі обгрунтовується актуальність роботи, показано її зв’язок з науковими програмами, сформульовано мету і визначені проблеми та задачі досліджень, приведені нові наукові та практичні результати, наведені дані щодо їх апробації, а також описані структура та обсяг дисертації.

Розділ 1 присвячений дослідженню імпульсно-періодичних джерел оптичного випромінювання на основі імпульсних ксенонових ламп і вирішенню питань електричного та спектрального узгодження в ЛСН лазерів.

Спочатку, виходячи з типових характеристик активного середовища ЛБ, сформульовані вимоги, які пред'являються до ЛСН для ЛБ. Для задоволення цим вимогам імпульсні лампи необхідно експлуатувати в маловивчених умовах жорстких РМТ, які характеризуються високою густиною струму і високою напругою, коли газорозрядна плазма, як правило, непрозора у видимій області спектра, а її температура може змінюватися в широких границях. Експериментальні результати в цих умовах погано узгоджуються з відомими методами опису і розрахунку ЛСН, які базуються на емпіричних результатах, що були отримані для квазістаціонарних розрядів. Це обумовлено тим, що спектрально-енергетичні і часові характеристики випромінювання імпульсних ламп складним чином залежать від параметрів розрядного кола, геометрії розрядного проміжку, режиму роботи, енергії і тривалості імпульсів розряду, технології виготовлення лампи та її елементів, матеріалу електродів та оболонки, тощо. Тому на даний час немає єдиної теорії газового розряду, а питання оптимізації лампових джерел світла були вирішені не для усіх режимів їхньої роботи. Перелічені чинники потребували проведення серії експериментальних досліджень РМТ, створення унікальних приладів для вимірювання електричних характеристик розрядного проміжку ламп і розробки методів розрахунку ЛСН.

У наших експериментах для вимірювання миттєвого струму розряду використовувався пояс Роговського, а для вимірювання миттєвої напруги на розрядному проміжку лампи застосовувалися два види перетворювачів високої напруги: резистивний подільник та безконтактний перетворювач напруги (БПН), який складався з електрооптичного кристала та поляризаторів, що розміщалися між електродами. Останні були приєднаними до розрядного проміжку лампи. Оскільки резистивний подільник був погано захищений від впливу потужних імпульсних завад, основна серія вимірів проводилася з БПН, який забезпечував більш високу точність вимірювання завдяки передачі сигналу по оптичному волокну і відсутності гальванічного контакту з елементами вимірювальної схеми.

Об'єктами досліджень служили коаксіальні та трубчаті імпульсні лампи (ТІЛ) розбірної конструкції, що дозволяло змінювати геометричні розміри розрядного проміжку в широких межах. Експерименти проводилися для кількох систем, які відрізнялися параметрами кола та енергією розряду. Системи на базі коаксіальних імпульсних ламп (КІЛ) охоплювали діапазон енергій 50600 Дж при тривалостях імпульсів 13 мкс, а системи на базі ТІЛ охоплювали діапазон енергій 100600 Дж при тривалостях імпульсів 120 мкс. Типові вольтамперні характеристики (ВАХ), отримані в цих дослідженнях, подані на рис. 1, звідки видно, що опір розрядного проміжку ламп істотно нелінійний: він складним чином залежить від параметрів системи та умов розряду. На рис. 1 для порівняння приведені також результати розрахунків, які були виконані по відомим з літератури емпіричним формулам для питомої провідності як функції густини струму j виду (k та n – сталі), що були отримані різними авторами в наближенні квазістаціонарних розрядів (див. криві А, Б та В). Видно, що жоден з них не дозволяє однаково добре описувати результати, отримані при РМТ.

Перед тим, як приступити до обробки результатів, аналогічних показаним на рис. 1, ми дослідили динаміку РМТ. Для цього за допомогою приладу СФР-2 реєструвалися миттєві зображення світної поверхні ламп. Аналіз цих результатів показав, що в умовах, типових для РМТ, світна плазма заповнює розрядний канал по перерізу практично рівномірно зі швидкістю, що у кілька разів перевищує швидкість звука у ксеноні. Це дозволило надалі обчислювати як середнє по каналу РМТ значення і нехтувати процесами його розширення.

Якісно еволюція провідності при РМТ протікала однаково для всіх досліджених систем: протягом переднього фронту світлового імпульсу монотонно зростала, потім, після досягнення максимуму, ця величина деякий час залишалася практично сталою, а наприкінці імпульсу, коли в колі виділилося більш ніж 90% повної енергії, вона починала зменшуватися.

Для описування гістерезису ВАХ РМТ ми припустили, що емпірична формула для залежить від двох величин, а не від однієї, як в інших роботах. З урахуванням цього, всі експериментальні результати були піддані статистичній обробці, яка показала, що найменшу дисперсію дає така пара фізичних величин: густина струму j(t) та густина заряду . Аналіз показав, що гістерезис провідності розрядного каналу коаксіальних та трубчатих імпульсних ламп може бути задовільно описаний однаковою формулою:

, ttmax; ; ttmax, (1)

де показники степеня однакові, а коефіцієнти дещо відрізняються: K6,6 для КІЛ, і K7,1 для ТІЛ (в Ом-1см-1(кА/см3)-a(мКл/см3)-b); jmax та qmax відповідають моменту часу tmax, коли струм досягає максимуму.

Емпіричний вираз (1) ми використали для розв'язання нелінійного диференціального рівняння, яке описує миттєвий струм i(t) в імпульсних лампах. Результати цих розрахунків по усьому комплексу характеристик РМТ задовільно (із точністю 1015%) узгодилися з експериментом, у той час як для відомих із літератури розрахунків ця величина звичайно перевищувала 40%, а іноді досягала 100% і навіть більше. Умова електричного узгодження контуру живлення з лампою, яка відповідає критичному розряду і витікає з наших результатів, може бути записана у вигляді:

, (2)

де Ф=5,3 для КІЛ, і Ф=5,7 для ТІЛ; - енергія розряду; р і Sр – довжина і переріз розрядного проміжку; - хвильовий опір.

Зауважимо, що до цього часу при розрахунку електричного узгодження в колі живлення імпульсної лампи широке застосування мав метод, який заснований на квазістаціонарному наближенні (КСН). Це вимагало додаткових досліджень границь його використання при РМТ. З цієї точки зору були проаналізовані основні експериментальні результати, отримані нами при РМТ. Аналіз показав, що ступінь їхньої згоди з відомим виразом монотонно зменшується при зменшенні тривалості імпульсу струму , і при коротких розрядах безпосередньої згоди з розрахунком немає. У той же час виявилося, що ця формула, як і умова електричного узгодження, що випливає з неї, буде справедливої для пікового струму і при РМТ, якщо врахувати залежність коефіцієнта k від часових параметрів імпульсів. Зокрема, обробка експериментальних результатів показала, що така згода досягається, якщо замість k використовувати модифікований коефіцієнт km, адаптований до РМТ: , де 1 - параметр, що залежить tmax. Аналіз показав, що зі збільшенням тривалості імпульсу струму розряду від 1 до 10 мкс величина монотонно зменшується від 1,6 до 1, тому при мкс цю поправку можна не враховувати.

Наступний етап дослідження ЛСН був присвячений вивченню СЕХ випромінювання імпульсних ламп при різних умовах РМТ. Було виявлено, що допоміжний розряд, який підтримувався в лампах для підвищення довговічності та стабільності їхньої роботи, сприяв збільшенню амплітуди світлових імпульсів. Дослідження СЕХ випромінювання ламп показали, що збільшення їх світловіддачі при вмиканні допоміжного розряду в основному пов'язано з короткохвильовим зсувом максимуму цього випромінювання. Це узгоджується з уявленнями про помітний внесок в випромінювання саме теплових процесів.

Зауважимо, що імпульс світла, що випромінюється лампою, при РМТ звичайно запізнюється відносно імпульсу струму, і перевищує його по тривалості, проте фізичні механізми цього не були до кінця зрозумілі. Щоб глибше розібратися в цих питаннях, ми проаналізували основні шляхи витрати енергії в лампах. Проведені при цьому оцінки показали, що при РМТ, яким відповідають температури вище 20000 К, в енергетичному балансі газового розряду досить враховувати зовнішнє випромінювання лампи і нагрівання газу, а впливом процесів іонізації і теплопровідності на енергетичний баланс можна знехтувати.

Розрахунки спектрально-часових характеристик випромінювання ламп проводився шляхом розв'язання рівняння балансу для широкого спектрального діапазону 200-700 нм та для більш вузьких піддіапазонів. Вибір короткохвильової границі визначався смугою прозорості оболонки лампи (кварцу), а довгохвильової - границею спектра, яка звичайно використовується в ЛСН.

Відповідно до отриманих результатів, температура плазми T при РМТ виявилася меншою, ніж при КСР, що особливо помітно при малих величинах параметра , який характеризує густину потужності, та при достатньо великих (=rna; r – радіус розрядного каналу, na – концентрація газу).

З результатів розрахунків випливає, що запізнювання світлового імпульсу відносно імпульсу електричного струму зі збільшенням також буде зростати, проте при великих для усіх ця величина монотонно наближається до нуля, і запізнюванням можна знехтувати. Розрахунки показали також, що тривалість імпульсу світла як функція має мінімум, положення якого із зростанням зміщується у бік більших рівнів потужності. В рамках розглянутої моделі, така поведінка пов'язана із впливом двох чинників: теплової інерції газу та обмеженої смуги прозорості оболонки лампи.

Тривалість імпульсу випромінювання залежить також від спектрального діапазону, у якому вона визначається. Для світлового потоку, що пропускається оболонкою лампи, варто очікувати таких же якісних висновків, оскільки спектральна область прозорості кварцу обмежена. На рис. 2 подані розрахункові й експериментальні залежності тривалості імпульсу оптичного випромінювання від параметра , звідки видно, що вони мають задовільну згоду.

Розрахунки спектрально-часових характеристик випромінювання імпульсних ламп, що були виконані в рамках розглянутої моделі, дозволили вирішити проблему спектрального узгодження в ЛСН лазерів оптичного діапазону.

Розділ 2 присвячений дослідженню, розробці та створенню широкосмугових джерел випромінювання на базі ЛБ із ЛН.

Спочатку був проведений аналіз впливу параметрів імпульсу накачки, активного середовища і резонатора на енергетичні і часові параметри випромінювання лазерів на барвниках, що дозволило визначити оптимальні умови, які забезпечують ефективну генерацію цих лазерів.

Наступним етапом роботи була розробка методів розрахунку ЛСН імпульсних лазерів на барвниках із заданими ресурсом G та СЕХ випромінювання при виконанні умов електричного і спектрального узгодження. Зокрема, було встановлено, що вимоги до тривалості роботи ламп та до спектра їхнього випромінювання визначаються нерівністю:

, (3)

де W0 та Wmin – номінальна та мінімальна енергії розряду; t – тривалість імпульсу; min – короткохвильовий край поглинання активного середовища; і d - довжина і діаметр розрядного каналу ТІЛ; – стала (1,1108 Джм-2с-Ѕ); B та b – сталі теплового випромінювання Стефана-Больцмана та Віна ; – ККД перетворення електричної потужності у світлову.

Аналіз умов електричного узгодження розрядного проміжку лампи з електричним колом був проведений у рамках кількох моделей, включаючи лінійне наближення, наближення КСР, у тому числі з урахуванням розширення каналу розряду (УРКР), наближення РМТ, а також розглянута можливість адаптації квазістаціонарного наближення (АКСН) до РМТ. В результаті було встановлено, що модель лінійного наближення може застосовуватися лише для грубих оцінок параметрів ЛСН. Крім того, виявилося, що моделі КСР та УРКР дають приблизно однакові результати і мають задовільну згоду з досвідом, якщо енергія розряду перевищує кілька десятків Джоулів, а тривалості імпульсів перевищують десятки мікросекунд. У той же час модель РМТ задовільно описує експериментальні результати, які отримані при енергіях розряду 201000 Дж та тривалостях імпульсів 110 мкс. Модель АКСН дає дещо гірше узгодження з експериментом, ніж модель РМТ, проте вона також може використовуватися для розрахунку ЛСН при мікросекундній тривалості імпульсів. Таким чином, для формування світлових імпульсів, параметри яких помітно відрізняються між собою, можуть знадобитися різні методи їхнього розрахунку.

Розрахунки ЛСН ЛБ, які були проведені описаними методами, показали, що асортимент імпульсних ламп, що випускалися серійно на момент постановки роботи, суперечив вимогами, які пред'являються до них із погляду електричного та спектрального узгодження при РМТ. З цієї причини енергія випромінювання і ККД промислових ЛБ із ЛН серії ЛЖИ були невисокими. Для вирішення цієї проблеми нами були розраховані основні параметри ламп, які забезпечували необхідні енергетичні та спектральні характеристики випромінювання ЛБ, і розроблені на них технічні вимоги. Це дозволило виготовити дослідну партію ТІЛ кількох типорозмірів, які й використовувалися в подальшій роботі.

Описані умови узгодження були використані при розробці і створенні серії високоефективних імпульсних ЛБ на базі КІЛ, у яких номінальна енергія випромінювання складала 0,540,0 Дж при енергії розряду 0,054,0 кДж, відповідно. Задовільне збігання розрахунку й експерименту спостерігалося для всіх ділянок видимого діапазону спектра, а повний ККД лазерів перевищував 1% саме з тим барвником, для якого вони створювалися.

На базі спеціальної коаксіальної лампи – кювети нами була запропонована і реалізована двоконтурна система збудження, яка забезпечувала підвищену енергію накачки при мінімальній тривалості імпульсів, що було необхідно для ефективної роботи багатьох барвників. Лампа мала два однакових симетрично розташованих коаксіальних розрядних проміжки, які були підключені через спільний керований комутатор до однакових кіл розряду. У порівнянні з одноконтурною, ця система дозволила практично в два рази підвищити енергію та пікову потужність лазерного випромінювання при такому ж ККД ~1%.

Наступні експериментальні дослідження показали, що розробку І-П ЛБ доцільно проводити на базі однолампової системи накачки з ТІЛ і освітлювача еліптичного перерізу. Ресурс роботи таких систем виявився більш високий, ніж у системи накачки на базі триаксіальної КІЛ, а при наявності допоміжного розряду ці системи мають подібні енергетичні характеристики. Використання ж двох і більш ламп виправдано лише тоді, коли однолампові системи накачки не забезпечують заданий рівень середньої потужності лазера.

Описані результати і методи розрахунків були використані нами при розробці і створенні основних елементів базового варіанта І-П ЛБ із ЛН.

У табл. 1 приведені характеристики типового лазера, який був розрахований для ефективної генерації в зеленій області спектра. Видно, що цей лазер забезпечував ефективну генерацію не лише в зеленій області спектра, але й у широкому діапазоні - від 455 нм до 665 нм.

Таблиця 1

Активне середовище 1) | Режим роботи

імпульсний 2) | імпульсно-періодичний 3)

Тип
барвника | н, нм | г, нм | С104, моль/л | k, см-1 | Wг,
мДж | ККД,
% | PCP,
Вт | ККД,
%

Оксазин-17 | 560 | 665 | 1,0 | 3,5 | 720 | 0,44 | 3,4 | 0,26

Родамін 6Ж | 530 | 590 | 1,0 | 6,8 | 1200 | 0,74 | 5,6 | 0,44

G-283 | 470 | 530 | 1,6 | 7,65 | 1300 | 0,80 | 5,5 | 0,43

4МУ | 360 | 455 | 5,0 | 7,2 | 820 | 0,50 | 3,0 | 0,24

Примітки.

1) н – довжина хвилі в максимумі поглинання; г – довжина хвилі в максимумі генерації; c – концентрація; k – коефіцієнт поглинання розчину.

2) Електрична енергія накачки 162 Дж.

3) Електрична енергія накачки 128 Дж, частота 10 Гц.

Імпульсно-періодичні ЛБ із ЛН серії “ПРОМІНЬ-2”були розроблені і створені як універсальні системи, що придатні для широкого кола застосувань у різних областях науки, техніки і медицини. Ефективна робота в різних ділянках спектра забезпечується шляхом застосування відповідного асортименту барвників. Основні технічні характеристики цих систем наведені в табл. 2.

На базі І-П ЛБ із ЛН цієї серії була розроблена і створена медична лазерна установка для роздрібнення каменів у внутрішніх органах людини “ЗОНД-1”, яка працювала на довжині хвилі г530 нм. Установка має блок контролю та управління і забезпечена волоконно-оптичним трактом для доставки випромінювання в зону операції. Середня потужність на виході світловода складала близько 2 Вт при частоті ~10 Гц та тривалості імпульсів 1,5 мкс.

Таблиця 2

Найменування параметра | Модель 1 | Модель 2 | Модель 3 | Модель 4 | Модель 5

Довжина хвилі, нм | 440 720 | 440 720 | 440 720 | 440 720 | 440 720

Плавне перестроювання | - | + | - | + | -

Спектральна ширина смуги, нм | 1 10 | 0,01 0,1 | 4 10 | 0,01 0,1 | 1 10

Енергія випромінювання, мДж | 50 | 25 | 200 | 100 | 800

Тривалість імпульсу, мкс | 1 2 | 1 2 | 1,5 2,5 | 1,5 2,5 | 1,5 3

Середня потужність, Вт | 0,5 | 0,25 | 2,0 | 1,0 | 8,0

Кутове розходження, мрад | 5,0 | 1,0 | 5,0 | 2,0 | 7,0

Габарити випромінювача, мм | 450700760 | 450960760 | 450700760 | 450960760 | 450700760

Маса, кг (не більше) | 100 | 100 | 100 | 100 | 100

Неперервна робота, г | 1 | 1 | 0,5 | 0,5 | 0,25

У розділі 2 також була досліджена специфіка генерації імпульсів субмілісекундної тривалості лазерами на барвниках із ламповою накачкою. Було встановлено, що для реалізації прямокутної форми цих імпульсів необхідно сформувати наростаючу вершину імпульсу накачки. Крім того, показано, що спектральні трансформатори в ЛСН можуть помітно збільшити ефективність лазера.

Розділ 3 присвячений дослідженню фізичних процесів, що визначають кутове розходження випромінювання лазерів на барвниках із ламповою накачкою, і пошуку шляхів формування заданої діаграми спрямованості.

Спочатку в рамках геометричної оптики та спрощеної моделі аксіально-симетричного неоднорідного середовища були розглянуті основні фактори, які впливають на формування ПКХ випромінювання ЛБ із