3.2 Экспериментальные установки и их характеристики

3.2.1 Исследование электроразрядных импульсно-периодических лазеров на модекуле KrF*

В процессе работы в ИСЭ СО РАН разработано два лазера с возможностью использования их в лазерном лидарном комплексе [40].

На рисунке 13 представлена фотография лазерного макета без крышки.

1. Блок задающего генератора, платы управления и связи с компьютером

2. Блок управления по сетевому питанию и автоматы защиты

3. Корпус высоковольтного источника питания

4. Источники питания тиратрона и генератор запуска

5. Корпус высоковольтного запуска тиратрона

6. Газовый корпус лазера

7. Тиратрон ТПИ1-10k/20

8. Батарея накопительных конденсаторов

9. Батарея разрядных конденсаторов

10. Разрядная лазерная камера

11. Юстируемый фланец окна

12. Холодильник тиратрона

Некоторые характеристики разработанных лазеров:

– Зарядное напряжение на накопительной емкости составляет 18-24 кВ,

– Максимальная энергия генерируемого импульса излучения - 400 мДж,

– Длительность импульса на уровне половины его мощности - 16 нс,

– Размеры лазерного пучка в поперечном сечении 7х21 мм²,

– Частота работы в импульсно периодическом режиме - 100 Гц.

П

L₂

ринципиальная электрическая схема накачки представлена на рисунке 14.

L₃

L₁

C₁

R₁

R₂

R₃

C₂

ТПИ3-10k/20

РП

Рисунок 14 – Принципиальная электрическая схема лазера

C₁= 57,4нФ; C₂=37,4нФ; L1=100 мкГн; L2=150 нГн; L3=4 нГн.

R₃ – токовый шунт, R₁/R₂ – омический делитель

На рисунке 15 представлены вольт-амперные характеристики разряда для смеси F₂/He:Kr:Ne=120:80:3200.

Рисунок 15 – Осциллограммы тока, напряжения на разрядном промежутке и временная форма лазерного импульса для работы лазера на молекуле KrF*

Активный объем : 7 × 2,15 × 450 мм³, Р = 3,7 атм, U₀ = 24 кВ, E = 0,4 Дж для KrF лазера.

КПД лазера (запасенная энергия/энергия излучения) составило 2,42%.

Пучок лазерного излучения регистрировался на выходе из лазера на фотобумаге. Размеры лазерных пучков сопоставимы и равны 7х21 мм². Полученный лазерный пучок представлен на рисунке 16.

Рисунок 16 – пучок, полученный для смеси F₂/He: Kr:Ne-120:80:3200, при давлении P = 3,4 атм

На сегодняшний момент проблема получения объемного разряда без неоднородностей еще не решена, так как, самостоятельный объемный разряд по своей природе неустойчив [11] и спустя определенное время в разряде возникает искровой канал. Процессу контракции разряда способствуют многие факторы это: неоднородное распределение начальных электронов в разрядном объеме, неравномерность распределения электрического поля в межэлектродном промежутке, влияние внешней цепи. Контракция разряда начинается с появления катодных пятен, к которым впоследствии привязываются диффузионные каналы [11]. Катодные пятна, как правило, локализуются в областях с повышенной неоднородностью электрического поля, например возле микроострий, или других микровключений на электродах.

На сегодняшний момент, в литературе, имеются несколько работ, в которых был получен объемный разряд без катодных пятен, в условиях соответствующих лазерному режиму. Например, в работе [41] экспериментальные исследования проводились на специальной установке, в которой зажигался объемный разряд размерами 4х10х18 мм³, предыонизация разрядного промежутка осуществлялась от рентгеновского источника который создавал однородную и высокую плотность начальных электронов 10⁹.

На рисунке 17 показана фотография интегрального во времени свечения разряда.

В этом случае видимые катодные пятна практически отсутствуют. Это препятствует развитию процесса контракции разряда. При этом можно заметить, что объемный разряд не является однородным.

Рисунок 17 – Интегральное во времени свечение разряда для смеси

F₂/He: Kr:Ne-120:80:3200, при давлении P = 3,4 атм

В настоящее время лазерные лидарные системы широко применяют для дистанционного контроля температуры и состава атмосферы. Тем не менее, задачи повышения чувствительности обнаружения и идентификации газовых молекулярных примесей в атмосфере c концентрацией менее 1 ppb, уменьшение шумовой компоненты в регистрирующем сигнале и увеличение пространственного разрешения остаются достаточно сложными и актуальными.

С нашей точки зрения, наиболее перспективным методом обнаружения в атмосфере паров веществ, содержащих оксид азота, является лазерная фотодиссоциация (Pulsed Laser Photodissociation (PLP)) с последующей вынужденной флуоресценцией (Laser Induced Fluorescence (LIF)), (PLP/ LIF) [42–44]. Данный метод является очень чувствительным и весьма перспективным для практических применений в экологии и задач антитеррора.

Для реализации данного метода требуется узкополосное лазерное излучение в ультрафиолетовой области спектра вблизи линии 247,8 нм. Одним из подходящих для данных целей источником излучения может быть KrF-лазер.

Разработана уникальная ультрафиолетовая лазерная система для лидарного комплекса, предназначенного для обнаружения в атмосфере молекул оксида азота. Электроразрядная KrF-лазерная система позволяет получать высококогерентный лазерный пучок практически с одинаковой энергией в спектральном диапазоне 247,5-249,5 нм. На краю контура усиления в области 247,5-247,8 нм система обеспечивает пучок с энергией 0,3 Дж, длительностью импульса 16 нс и шириной линии 2 пм.

Созданная KrF лазерная система состоит из двух электроразрядных лазеров серии EL, описанных выше. Данные лазеры, в режиме свободной генерации, обеспечивают энергию излучения в импульсе 0,4 Дж и работают с частотой повторения импульсов до 100 Гц. В лазерах использовалась двухконтурная схема накачки (рисунок 18).

Рисунок 18 – Принципиальная электрическая схема накачки лазерной системы C₁ = С₃ = 57,4нФ; C₂ = С₄ = 37,4нФ; L₁ = L₅ = 10 мкГн; L₄ = L₆ = 100 мкГн; L₂ = L₇ = 150нГн; L₃ = L₈ = 4нГн; VL1,2 – псевдоискровой тиратрон ТПИ1-10к/20; R₃ – токовый шунт, R₁/R₂ – омический делитель

Автоматическая предыонизация разрядного промежутка осуществлялась УФ – излучением, которое возникало при срабатывании искровых промежутков, установленных в первом контуре электрической цепи. Емкости накопительного и разрядного конденсаторов составляли 57,4и 37,4 нФ, соответственно. В качестве коммутаторов использовались тиратроны ТПИ1-10k/20.

Величина индуктивности первого и второго разрядного контура соответствовала значениям 150 и 4 нГн, соответственно. Зарядка накопительных конденсаторов до напряжения 24 кВ, осуществлялась от высоковольтного источника питания. Запуск тиратронов осуществлялся с помощью генератора высоковольтных импульсов, обеспечивающего два поджигающих импульса 6 кВ с регулируемой во времени задержкой ±20 нс, разброс срабатывания между двумя тиратронами составлял менее 2 нс. В ходе экспериментов использовалась газовая смесь Ne/Kr/F₂/Нe при полном давлении 3,1 атм. Изменение величин индуктивности и емкостей в цепи накачки двух отдельных KrF лазерных модулей позволяет использовать один коммутатор в объединенной цепи накачки данной лазерной системы и получить запаздывание срабатывания между ними с точностью в 20±0.5 нс.

Энергия, запасенная в первом конденсаторе равна 16,5 Дж, энергия, поступающая в разряд  10,8 Дж. Энергия генерируемого импульса излучения составляет 400 мДж. Эффективность лазера относительно энергии накачки составляет 3,7% и 2,42% относительно энергии первого конденсатора.

Длительность импульса на уровне половины его мощности - 30 нс. Размеры лазерного пучка в поперечном сечении 7х21 мм.

На рисунке 19 представлена фотография опытного образца компактного УФ лазерного излучателя на основе KrF лазерной системы.

Рисунок 19 – Фотография лазерного лидарного комплекса

На рисунке 20 представлена блок-схема запуска лазерной системы.

Рисунок 20 – Блок-схема запуска лазерной системы

На рисунке 21 представлена пневматическая схема управления напуском газа в лазер.

Рисунок 21 – Пневматическая схема управления напуском газа в лазер.

Для управления работой лазера используется персональный компьютер с разработанной и установленной на него программой. На монитор пользователя выводятся окна (Windows) с необходимыми командами (Рисунок 22).

Рисунок 22 – Вид окна управления работой лазерной системы

Управление возможно с каждым лазером отдельно.

На панель выводятся:

• напряжение зарядки накопительной батареи;

• давление в рабочей камере;

• счетчики импульсов;

• кнопки вкл/выкл питания системы;

• кнопки вкл/выкл питания генератора запуска;

• кнопки вкл/выкл запуска работы лазера;

• сигналы неисправностей и блокировок лазера;

• предупредительные сигналы работы лазера и срабатывания блокировок.

Наполнение газами происходит в автоматическом режиме. На рисунке 23 представлен вид окна управления газовой системой.

Рисунок 23 – Вид окна управления работой газовой системы

Управление возможно с каждым лазером отдельно.

На панель выводятся

• Давление в лазерной камере;

• Кнопка переключения режима ручной/автоматический;

• Кнопки управления клапанами для газовых трактов (Ne, He, Kr, F₂, насос, лазерная камера);

• Таблицы установок парциальных давлений в газовой смеси;

• Сигналы аварийных ситуаций.