авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 6 |

Экспериментальное и расчётно-теоретическое исследование физических процессов в лазерных системах на парах меди с целью улучшения удельных выходных характеристик

-- [ Страница 2 ] --
  1. Развитая в работе физическая модель ЛПМ позволяет учесть специфику коаксиальной геометрии и корректно решить тепловую задачу, полнее и детальнее описывает спонтанное излучение. Полученные формулы для вероятностей вылета фотона имеют самостоятельное научное значение для широкого круга задач низкотемпературной плазмы, в частности, в одномерных задачах. Модель и программу расчёта можно использовать для численных исследований процессов, протекающих в рабочей среде лазеров на парах других металлов (Pb, Au и т.п).
  2. Результаты численных исследований кинетических и тепловых процессов в плазме ЛПМ с коаксиальной камерой большого объёма показали возможность реализации физических условий и удельных энергосъёмов, характерных для лазера с трубкой небольшого диаметра и объёма. Они могут быть использованы при создании и исследовании опытных образцов коаксиальных ЛПМ с выходными мощностями на уровне в 1 кВт.
  3. Результаты численных исследований, обосновывающих возможность предложенной магнитогазодинамической самопрокачки рабочего тела, представляют интерес для разработок мощных прокачных ЛПМ с большим удельным энергосъёмом ~(50100) мкДж/см3.
  4. Результаты экспериментального исследования явлений в двух- и четырёхпроходных схемах усилителей важны для понимания и анализа физических процессов усиления на самоограниченных переходах, протекающих в рабочих средах МУПМ, ЛПМ и других r-m лазерах с большим коэффициентом усиления.
  5. Рассматриваемые МУПМ могут быть востребованы в различных технологических применениях, где требуется высокая пиковая мощность импульсов излучения (при сохранении средней мощности на прежнем уровне), например, в системах нелинейного преобразования частоты света и в других устройствах.
  6. Результаты цикла экспериментальных исследование нелинейного преобразования частот излучения ЛПМ с неустойчивым оптическим резонатором были использованы в ООО “НПП “ВЭЛИТ” при разработке и создании опытного образца промышленного лазера “KULON-10Cu-UV”, генерирующего излучение в видимом и ультрафиолетовом диапазоне.
  7. Результаты экспериментальных исследований по нелинейному преобразованию излучения двухпроходного усилителя на парах меди с повышенной пиковой мощностью подтверждают возможность создания эффективных промышленных источников УФ излучения на уровне 3-5 Вт с использованием маломощных (и сравнительно недорогих) серийных активных элементов типа LT-10Cu, LT-30Cu и др.

Основные положения, выносимые на защиту

  1. Физическая модель расчёта параметров плазмы и выходных характеристик электроразрядного импульсно-периодического лазера на парах меди с камерами коаксиальной и цилиндрической геометрий, включая:
      • вариант нульмерного приближения уравнений баланса возбуждённых атомов, ионов и баланса энергии электронов;
      • методику учёта реабсорбции спонтанного излучения в неоднородной плазме с применением новых формул для вероятности вылета фотона;
      • результаты численного расчёта вероятностей вылета фотона с использованием модельных зависимостей концентраций возбуждённых атомов и коэффициента поглощения.
  1. Аналитическая модель для комплексного расчёта теплофизических параметров рабочего тела и элементов конструкции ЛПМ с изолированной коаксиальной вставкой с учётом лучистого теплообмена между цилиндрами и выноса части энергии из плазмы спонтанным излучением и амбиполярной диффузией на стенки. Расчёты предельных по перегреву газа погонных и удельных вкладываемых мощностей.
  2. Результаты численного исследования роли различных кинетических процессов, протекающих в плазме коаксиальных и обычных ЛПМ и их влияния на выходные характеристики лазера (большие и средние энерговклады), в том числе:
      • особенности динамики концентраций возбуждённых атомов и спонтанного излучения в период возбуждения и релаксации плазмы;
      • уточнённый расчёт доли энергии спонтанного излучения и амбиполярной диффузии, уносимой на стенки камер. Влияние этих процессов на баланс энергии электронов;
      • влияние рекомбинационного потока на динамику спонтанного излучения, на динамику концентраций высоколежащих и метастабильных уровней меди и на предимпульсные значения концентрации метастабилей;
      • результаты численных расчётов, показавших возможность достижения высоких абсолютных и удельных характеристик генерации ЛПМ с коаксиальными камерами большого объёма.
  1. Расчётное обоснование предложенной концепции создания ЛПМ с быстрой самопрокачкой рабочей смеси по замкнутому контуру путём наложении сильного магнитного поля на ток накачки с целью увеличения удельных выходных характеристик ЛПМ большой мощности. Результаты расчёта достигаемых скоростей потока. Результаты первых экспериментов по вращению рабочей среды пондеромоторной силой в коаксиальном ЛПМ.
  2. Способ увеличения пиковой мощности излучения импульсно-периодических усилителей на парах меди с использованием особых многопроходных схем. Качественная физическая модель их работы и экспериментальное обоснование способа, в том числе:
      • эффект увеличения пиковой мощности излучения (без существенного изменения удельной средней мощности);
      • результаты цикла экспериментальных исследований процессов усиления мощности и энергии импульса излучения в двухпроходной и четырёхпроходной схемах усилителя;
  1. Разработка эффективного двухпроходного усилителя на парах меди с удвоенной пиковой мощностью для практических применений.
  2. Результаты цикла экспериментальных исследований по нелинейному преобразованию частот излучения усилителя на парах меди с повышенной пиковой мощностью:
      • разработка источника УФИ на базе двухпрохного усилителя и нелинейных кристаллов DKDP и ВВО, оптимизация и опробирование различных схем формирования геометрии пучка излучения, направляемого в кристаллы, с применением сферической и цилиндрической оптики;
      • результаты экспериментальных исследований эффективности и мощности генерации вторых гармоник и суммарной частоты излучения в предложенной и реализованной схеме источника УФИ.
  1. Результаты цикла экспериментальных исследований нелинейного преобразования частот многопучкового излучения ЛПМ с неустойчивым резонатором:
        • результаты экспериментальных исследований эффективности и мощности генерации суммарной частоты на кристалле DKDP в параллельных пучках и с острой фокусировкой излучения в кристалл;
        • результаты экспериментальных исследований эффективности и мощности генерации вторых гармоник и суммарной частоты на кристалле ВВО и DKDP с применением промышленного ЛПМ серии “Кулон”.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на: IVй Международной конференции “Лазеры и их применение “, (ГДР, Лейпциг, 1981); Всесоюзном семинаре “Лазеры на парах металлов и их применение”, (РГУ, Ростов-на-Дону, 1985); VIй Всесоюзной конференции “Оптика лазеров”, (ГОИ, Ленинград 1990); Tenth Inter. Symp. on Gas Flow and Chemical Lasers, (Bellinghamp, USA, 1994); IIй Международной конференции Импульсные Лазеры на Переходах Атомов и Молекул (ИЛПАМ’95), (Томск, 1995); IIIй Международной конференции ИЛПАМ’97, (Томск, 1997); Всероссийском симпозиуме “Лазеры на парах металлов и их применение”, (Новороссийск, 1998); IVй международной конференции “AMPL’99”, (Томск, 1999); VIIй Международной конференции «Лазерные и лазерно-информационные технологии: фундаментальные проблемы и приложения» (ILLA-2001), (Шатура- ВлГУ, Владимир, 2001); Всероссийском симпозиуме “ЛПМ-2002”, (п. Лоо, 2002); Всероссийском симпозиуме “ЛПМ -2004”, (п. Лоо, 2004) ; Всероссийском симпозиуме “ЛПМ – 2006”, (п. Лоо, 2006); Всероссийском симпозиуме “ЛПМ – 2008”, (п. Лоо, 2008); XVIII International Conference “Lasers in Science, Technology, Medicine”, (Адлер, 2007); XIX International Conference “Lasers in Science, Technology, Medicine”, (Адлер, 2008); VIй Всероссийской конференции "СИСТЕМЫ ДЗЗ'2009", (Адлер, 2009).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 52 научных работы, в том числе: 23 статьи в рецензируемых журналах из перечня ВАК, 1 монография (в соавторстве), 1 свидетельство и 3 патента на изобретения, 2 препринта и 1 статья в сборнике, 20 докладов, тезисов в трудах симпозиумов и конференций.

Личный вклад автора состоит в постановке задач исследований и непосредственном участии в проведении (вместе с соавторами) всех перечисленных в диссертации экспериментальных и расчётно-теоретических работ; в анализе, обобщении и объяснении полученных результатов. Автором разработана физическая модель коаксиального ЛПМ, развита методика учёта реабсорбции излучения в неоднородной плазме и получены расчётные формулы. Сформулирована концепция самопрокачного ЛПМ. Предложен и реализован в экспериментах способ увеличения пиковой мощности усилителей на парах меди. Совместно с соавторами предложены, созданы и исследованы эффективные источники ультрафиолета.

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из ведения, шести глав, заключения, приложения. Общий объём – 332 страницы, включая 22 таблицы, 122 рисунка, 24 страницы приложений и список литературы из 312 наименований, из них 52 работы автора.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во ведении перечислен ряд важных научно-технических проблем, связанных с развитием лазерных систем на парах меди и их практическим применением, обоснована актуальность темы, изложены цели и задачи физических исследований, сформулированы научная новизна, практическая значимость, основные положения и результаты, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена разработке физической модели лазера на парах меди с коаксиальными разрядными камерами, созданию методик расчёта его параметров и численных программ. Рабочим объёмом такого ЛПМ является зазор между двумя соосными цилиндрами, причём внутренний цилиндр практически изолирован и сбрасывает тепло за счёт радиационного теплообмена с наружным цилиндром. Основу модели коаксиального ЛПМ составляли уравнения кинетики заселенностей уровней атомов, баланса энергии электронов, уравнения развития индуцированного излучения в оптическом резонаторе, уравнения элек­трической цепи и созданная нами аналитическая методика (гл. 2) расчёта тепловых параметров рабочего тела и температуры центрального цилиндра. Особенности протекания физических процессов в рабочем объёме коаксиальной геометрии учитывались (в нульмерном приближении) при усреднении членов дифференциальных уравнения по объёму разрядной камеры с привлечением тех или иных модельных представлений о происходящих явлениях. Уточнению подверглись выражения, описывающие диффузию возбужденных атомов nk, амбиполярную диффузию заряженных частиц (ионов меди , ионов неона и электронов ne), диффузионное охлаждение электронов, реабсорбцию спонтанного излучения (по созданной нами новой методике - гл. 1, п. 3). Все отмеченные уточнения были проведены и для классической разрядной камеры ЛПМ в виде цилиндрической трубки.

В численных расчётах находятся не только самосогласованные значения кинетических параметров, но и согласованные с ними значения функции тепловыделения и температуры газа в установившемся режиме работы. Мощность, идущая на нагрев газа, заранее не известна (не равна электрической энергии, вложенной в рабочее тело импульсом накачки) и находится в процессе расчёта упругих потерь энергии электронов, энергии уносимой непосредственно на стенки камеры спонтанным излучением, амбиполярной диффузией и т.п. Для ЛПМ коаксиальной конструкции появляется дополнительный неизвестный параметр температура поверхности внутреннего цилиндра, которая также зависит от функции тепловыделения и находится из решения тепловой задачи в последовательных итерациях с решением системы кинетических уравнений.

Кроме того, усовершенствованная физическая модель работы ЛПМ имеет ряд следующих особенностей:





  • учитывается, по возможности, наибольшее количество возбужденных уровней и спектральных линий с известными вероятностями переходов (124 уров­ня и 231 линия для меди, 23 уровня и 55 линий для неона).
  • при расчёте развития индуцированного излучения в оптическом резонаторе используются реальные (из экспериментов) профили спектральных линий поглощения и линий лазерной генерации;
  • большой набор основных кинетических процессов: джоулев нагрев электронов, ионизация и тройная рекомбинация на все рассматриваемые уровни меди и неона, фоторекомбинация, конверсия и диссоциативная рекомбинация молекулярных ионов неона, спонтанное излучение, возбуждение и тушение электронным ударом различных состояний атома меди и неона, упругие потери энергии электронов при столкновениях с атомами меди и неона и их ионами, процесс типа ионизации Пеннинга при столкновении возбужденного неона с атомами меди в основном состоянии, перезарядка между ионами неона и атомами меди, диффузия возбуждённых атомов, амбиполярная диффузия электронов и двух сортов ионов.
  • Учитывается приближенно эффект снижения констант скоростей возбуждения и ионизации неона, связанный с отклонением функции распределения энергии электронов от максвелловской функции.
  • В расчёте ширины спектральных линий учитывалось доплеровское и штарковское уширение, резонансное уширение при столкновении возбужденных атомов, ушире­ние линий посторонним газом и ударное уширение собственным газом.

При усреднении по объёму всех членов уравнения баланса концентраций частиц, аналогично [11], полагали, что в центральной области разрядной камеры преобладают объёмные процессы гибели возбуждённого состояния, а диффузионное устранение частиц существенно лишь вблизи границ плазмы. В этом случае принимали радиальное распределение концентраций возбуждённых атомов nk пологим в центральной области, а пристеночном слое толщиной k круто спадающим до нуля. Величина k приближённо определялась, согласно [11], как характерное расстояние от стенки, на ко­тором скорости диффузного ухода возбуждённых атомов сравниваются со скоростью их гибели за счет объемных процессов. Аналогичным образом задавались и радиальные распределения для , , ne с расстояниями от стенок , , , на ко­торых скорости амбиполярного диффузионного устранения ионов меди, ионов неона и электронов, соответственно, уравниваются со скоростью их гибели за счет объемных процессов. Для цилиндрической трубки усреднение диффузионных членов приводит к выражению:

, . (1)

Здесь fk - геометрический фактор, который изменяется от 2 при <<1, до 6 при kR. Последнее значение fk примерно соответствует случаю с диффузионным профилем; выражение (1) приобретает обычно используемый вид.

Для коаксиальной камеры лазера:

, , . (2)

В (2) R2, R1 радиусы внешнего и внутреннего цилиндров, а fk изменяется от 2 при <<1, до 4 при k 0,5R.

Аналогичны выражения для диффузионных членов в балансе заряженных частиц, например, для ионов меди, в коаксиальной камере:

; (для цилиндрической камеры R1=0). (3)

Геометрические факторы вычисляются по формулам (1) или (2), где вместо подставляется . Значения ,,, рассчитываются на каждом шаге интегрирования системы уравнений кинетики по соотношениям, представленным в диссертации, или берутся из экспериментальных работ.

Усреднение всех членов уравнения баланса энергии электронов по объёму разрядной камеры цилиндрической и коаксиальной геометрии проводилось аналогично работе [11, 12]. В пристеночном слое толщиной e изменение концентрации электронов и ионов определяется амбиполярной диффузией. Непосредственно вблизи стенки образуется более узкий слой толщиной порядка дебаевского радиуса, в котором не соблюдается условие квазинейтральности. В [11] усреднение дивергентных членов проводилось для диффузионного радиального профиля концентрации ne в цилиндрической трубке. В нашей работе использованы полученные нами модельные выражения типа (1)-(3) для дивергентных членов. В этом случае диффузионное охлаждение электронов (в уравнении баланса энергии) представляется выражением:

.

Здесь фактор вычисляется с использованием (1) или (2), где вместо , подставляются величины. Коэффициенты амбиполярной диффузии электронов и e рассчитываются с учётом двух сортов ионов.

В главе также дано описание расчёта констант скоростей всех рассматриваемых процессов для отдельных уровней и эффективных констант для блоков уровней. Определены целевые функции. Представлены методики численного расчёта, структура программы и описание её модулей. Обсуждаются результаты тестирования физической модели ЛПМ.

При решении задач о пространственном распределении параметров плазмы, в частности, в лазерах на парах меди, желательно иметь аналитические выражения, описывающие зависимость вероятности вылета фотона [13] (r,koR) от координаты r при любых оптических плотностях 109(kor)0. Для цилиндрической геометрии и однородной плазмы (ko=const) такие формулы, полученные авторами [14], приводятся в гл.1, п.3. В этом же разделе автором рассмотрена задача о бесконечном плоском слое неоднородной плазмы толщиной L и получены новые выражения для (x,koL) с использованием различных модельных зависимостей ko(х); (здесь х=х/(0,5L) безразмерное расстояние от середины слоя). Например, с зависимостью типа вероятность для лоренцевского и доплеровского контура линий представлена в виде:

, (4)

, (5)



Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 6 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.