ВЫСОКОИНТЕНСИВНЫЕ ИСТОЧНИКИ СПОНТАННОГО И ИНДУЦИРОВАННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ОПТИЧЕСКОГО ДИАПАЗОНА СПЕКТРА И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ РЕШЕНИЯ НАУЧНЫХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ЗАДАЧ

Отчет 61 с., 1 кн., 33 рис., 1 табл., 4 прил. СПЕКТРАЛЬНО-ОГРАНИЧЕННЫЙ ИМПУЛЬС, СУПЕРКОНТИНУУМ, ФИЛАМЕНТ, KrCl-ЛАЗЕР, ArF(F2)-ЛАЗЕР, УДЕЛЬНАЯ МОЩНОСТЬ НАКАЧКИ, ТРАНЗИЕНТНЫЕ СВЕТОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ, УБЕГАЮЩИЕ ЭЛЕКТРОНЫ, XeCl(KrCl, XeBr)-ЭКСИЛАМПА, АПОКАМПИЧЕСКИЙ РАЗРЯД, КОРОННЫЙ РАЗРЯД, «ХОЛОДНАЯ» ПЛАЗМА, ДИФФУЗНЫЙ РАЗРЯД В АТМОСФЕРНОМ ВОЗДУХЕ В качестве объекта исследования в настоящем проекте выступают импульсные источники вынужденного и спонтанного излучения. Кроме того, изучаются принципы создания таких источников и систем для их возбуждения. Целью работы является получение новых фундаментальных знаний в области создания импульсных источников вынужденного и спонтанного излучения, условий их накачки, а также их применений. Методы исследований: физический эксперимент, численное моделирование, создание лабораторных образцов, проверка экспериментальных результатов с помощью численного моделирования. В рамках реализации проекта в настоящем отчетном периоде были получены следующие наиболее важные результаты по двум основным направлениям: Разработана 1D модель электроразрядного KrCl-лазера, которая включает в себя систему уравнений для электрической схемы возбуждения, систему скоростных уравнений для концентраций компонент плазмы, стационарное уравнение Больцмана для функции распределения электронов по энергии и волновые уравнения, описывающие развитие фотонной лавины в плоскопараллельном резонаторе. Модель позволяет проводить численное моделирование работы лазера при возбуждении смесей, содержащих газы: He, Ne, HCl и Kr в разных пропорциях при давлениях порядка атмосферного. Сравнение результатов расчета с результатами эксперимента показали согласие ~3% по токам и напряжениям на элементах схемы возбуждения и ~5% по энергии излучения во всем диапазоне экспериментальных измерений. Проведена оптимизация плотности мощности накачки для разных составов рабочей смеси KrCl-лазера из EL-серии эксимерных лазеров, разрабатываемых в ИСЭ СО РАН. Оптимизация проводилась методом численного моделирования. Найдено приближенное соотношение между плотностью мощности накачки и парциальными давлениями Ne и HCl в газовой смеси при котором достижим теоретический предел по энергии генерации для данной смеси. Получены результаты экспериментальных исследований условий развития генерации ТГц излучения в воздушной лазерной плазме, создаваемой импульсом излучения с длительностью 60 фс, центральной длиной волны 950 нм и энергией 10–15 мДж. Изучено влияние величины и направления внешнего электрического поля, приложенного к плазме, энергии и поляризации излучения накачки для одноцветной (950 нм) и двухцветной (+475 нм) схем на мощность, направленность и поляризацию ТГц излучения. Показано, что без внешнего поля поляризация ТГц излучения совпадает с поляризацией излучения накачки, излучение распространяется в виде конуса с полным углом 20°. Приложение внешнего электрического поля к плазменному каналу приводит к увеличению мощности ТГц импульса излучения, росту мощности с ростом энергии накачки, уменьшению ее расходимости и ориентации поляризации по полю. Также продемонстрировано, что использование двухцветной схемы накачки приводит к увеличению мощности ТГц излучения на порядок. Изучены условия зажигания низкотемпературной плазмы в различных газовых средах при накачке продольным разрядом в переменном магнитном поле. При давлениях газов 0.01–1 атм, плотности тока разряда до 25 кА/см2 и плотности мощности накачки до 30 МВт/см3 получена объемная разрядная плазма с однородным распределением в разрядной трубке. Данные условия обеспечиваются ионизацией газа и созданием начальной концентрации электронов в плазме до ~1010 см-3 за счёт зажигания индукционного разряда соленоидами, размещёнными на секциях разрядной трубки, При зажигании продольного разряда напряжение, приложенное к электродам разрядной трубки, и ЭДС вихревого электрического поля, создаваемого соленоидами, формируют продольно-поперечный разряд, удерживая свойства активной среды в течение временного интервала длительностью до 40 нс с эффективным использованием энергии, вводимой в газ. Получены результаты численных исследований влияния энергии входного пучка из стартового лазерного комплекса на энергию излучения на выходе XeF(C-A) газового усилителя лазерной системы THL-100. Рассчитаны частотно-временные распределения плотности энергии входного лазерного излучения при энергии до 15 мДж и их эволюция в процессе усиления. Показано, что при увеличении Еin maх увеличивается при увеличении длины волны от 475 до 480 нм, а полуширина спектра уменьшается от 5 до 4.15 нм, также отмечается, что при энергии стартового комплекса 15 мДж выходная энергия достигает Eout  4.7 Дж, что соответствует мощности после компрессии импульса ~ 70 ТВт. Исследовано влияние частоты следования импульсов напряжения и их количества в пачке на генерацию убегающих электронов (УЭ) в наносекундном разряде в воздухе в резко неоднородном электрическом поле. Выявлено влияния остаточной ионизации и нагрева газа от предыдущих импульсов на параметры убегающих электронов. На разрядный промежуток «остриё-плоскость» длиной 8.5 см, заполненный воздухом при атмосферном давлении, подавались пачки из 10, 20, 50, 100, 200, 500 и 1000 импульсов с частотой следования 10, 100 и 1000 Гц. Измерялись напряжение на промежутке и ток убегающих электронов (УЭ) за сетчатым анодом с помощью измерительной аппаратуры с полосой пропускания до 8 ГГц. Полученные данные сравнивались с результатами измерений, полученных в режиме однократных импульсов. Обнаружено, что при частоте следования импульсов напряжение 10 и 100 Гц амплитуда тока УЭ монотонно убывает в 3–4 раза и стабилизируется к десятому пробою. При частоте следования импульсов напряжения 1000 Гц амплитуда тока УЭ снижается более чем на порядок величины, а разряд при этом переходит в контрагированную фазу. Представлена двумерная гидродинамическая модель отрицательного коронного разряда в воздухе атмосферного давления. Численные результаты показывают, что эволюция коронного разряда при постоянном приложенном напряжении включает переход от неустойчивого режима к стационарному тлеющему разряду. Обнаружено хорошее совпадение результатов нашего моделирования с имеющимися экспериментальными данными. Результаты показывают, что неустойчивый режим со временем создает плазменный фон, приводящий к формированию стационарного разряда. Рассчитана детальная пространственная структура стационарного разряда типа тлеющего в геометрии острие-плоскость. Показано, что параметры этой формы разряда заметно отличаются от характеристик классического тлеющего разряда: плотность тока почти на порядок ниже плотности тока нормального тлеющего разряда, а ширина прикатодного слоя и падение напряжения на нем практически такие же как у нормального тлеющего разряда. В воздухе при давлениях от 30 до 150 Торр получены управляемые стримеры (линейный и разветвлённый). Формирование стримеров происходило с высоковольтного острийного электрода в разрядной камере в случае, когда направление их распространения контролируется внешним потенциалом, а сам стример распространяется по внутренней поверхности диэлектрической трубки. Получены как линейные траектории распространения, так и с контролируемым разветвлением на три части. Методом высокоскоростной съёмки определены скорости и структура свечения волн ионизации на старте, при торможении и в точке ветвления. Было показано, что при старте волна ионизации примерно за 20 нс разгоняется до скорости ~105 м/с, а при торможении сбрасывает скорость на порядок за время порядка 20 нс. Обнаружено явление тонкой структуры головки стримера. В условиях экспериментов было найдено, что головка стримера состоит из двух светящихся областей, которые были названы – основной волной и её предвестником. Совместно с Государственным аграрным университетом Северного Зауралья (Тюмень, Россия) закончен двухлетний цикл исследований, в которых показано, что обработка имитатором солнечного коротковолнового УФ-излучения (XeCl-эксилампа) черенков винограда ускоряет развитие растений. Совместно с НИ ТГУ в полевых условиях подтверждено положительное влияние предпосевной обработки УФБ-излучением XeCl-эксилампы на морфометрические параметры растений пшеницы (сорт «Ирень») и урожайность зерна. Реализован F2-лазер на длине волны 157 нм с накачкой высоковольтным наносекундным разрядом с предыонизацией убегающими электронами. Максимальная энергия генерации при давлении гелия 10 атм достигала Q157 = 3.7 мДж. Данная энергия Q157 соответствует электрическому КПД F2-лазера 0.18%, что является максимальной эффективностью F2-лазера при накачке поперечным самостоятельным разрядом. Проведено моделирование режимов работы и выходных параметров излучения лазеров на фторидах инертных газов (XeF*, KrF*, ArF*) и молекулярном фторе в результате зажигания в них диффузных разрядов при использовании генераторов с индуктивными накопителями энергии. Результаты моделирования подтверждаются результатами экспериментальных исследований. Проведены исследования, направленные на получение данных об усиление фототока в алмазном образце при возбуждении KrCl-лазером. В условиях существования ЭДЖ в алмазном образце C5 толщиной 0.5 мм при возбуждении KrCl-лазером фототок увеличивался более чем в 3 раза по сравнению с комнатной температурой при таком уже уровне возбуждения.