EFFECT OF THE EXCITATION PULSE DURATION ON ENERGY CHARACTERISTICS OF BARRIER DISCHARGE XECL-EXCILAMPS
Authors:
1.
Institut sil'notochnoy elektroniki SO RAN
2.
Institut sil'notochnoy elektroniki SO RAN
3.
Institut sil'notochnoy elektroniki SO RAN
Nacional'nyy issledovatel'skiy Tomskiy gosudarstvennyy universitet
Nacional'nyy issledovatel'skiy Tomskiy gosudarstvennyy universitet
Type:
Сonference article
Pages:
from 90
to 93
Published:
13.09.2025
Subject area:
VAK Russia 2.2.7
UDC 535.31
UDC 621.387
CSCSTI 29.33
Russian Classification of Professions by Education 03.03.02
Russian Library and Bibliographic Classification 223
Russian Trade and Bibliographic Classification 6135
BISAC TEC019000 Lasers & Photonics
UDC 535.31
UDC 621.387
CSCSTI 29.33
Russian Classification of Professions by Education 03.03.02
Russian Library and Bibliographic Classification 223
Russian Trade and Bibliographic Classification 6135
BISAC TEC019000 Lasers & Photonics
Language:
Russian
Keywords:
excilamp, KrBr, KrCl, radiation pulse duration, XeBr, XeCl
Funding:
The work was supported in the framework of the State Task for IHCE SB RAS, project # FWRM-2021-0014.
Abstract (English):
Excilamps are gas–discharge sources of spontaneous ultraviolet radiation based on exciplex and excimer molecules. One of their most important parameters determining the power and efficiency of the excilamp radiation, along with the composition and partial pressure of the working mixture, the size of the gas discharge gap, are the characteristics of the excilamp excitation pulse: shape and amplitude. It was previously shown that the optimal form of the excitation pulse for excilamps of a barrier discharge on exciplex molecules is a unipolar voltage pulse, similar in shape to a meander, with a front and fall duration of tens to hundreds of ns. However, the effect of the excitation pulse duration on the energy characteristics of the excilamps has not been specifically investigated. In this study of barrier discharge XeCl-excilamp, it is shown that reducing the excitation pulse duration of the XeCl-excilamp from 1.5 to 0.7 microseconds increases the radiant exitance of the excilamp by 14%. At the same time, the power consumption of the excilamp increases to 7%. During each time step the luminescence pulses occurs at the leading and trailing edges of the voltage pulses. The delay between the first and second pulses of radiation can be varied. Possible applications of this effect are discussed.
Excilamps are gas–discharge sources of spontaneous ultraviolet radiation based on exciplex and excimer molecules. One of their most important parameters determining the power and efficiency of the excilamp radiation, along with the composition and partial pressure of the working mixture, the size of the gas discharge gap, are the characteristics of the excilamp excitation pulse: shape and amplitude. It was previously shown that the optimal form of the excitation pulse for excilamps of a barrier discharge on exciplex molecules is a unipolar voltage pulse, similar in shape to a meander, with a front and fall duration of tens to hundreds of ns. However, the effect of the excitation pulse duration on the energy characteristics of the excilamps has not been specifically investigated. In this study of barrier discharge XeCl-excilamp, it is shown that reducing the excitation pulse duration of the XeCl-excilamp from 1.5 to 0.7 microseconds increases the radiant exitance of the excilamp by 14%. At the same time, the power consumption of the excilamp increases to 7%. During each time step the luminescence pulses occurs at the leading and trailing edges of the voltage pulses. The delay between the first and second pulses of radiation can be varied. Possible applications of this effect are discussed.
Keywords:
excilamp, KrBr, KrCl, radiation pulse duration, XeBr, XeCl
excilamp, KrBr, KrCl, radiation pulse duration, XeBr, XeCl
Аннотация
Работа посвящена исследованию энергетических характеристик активных сред на ИК переходах атомов бария (1.5 мкм), европия (1.76 мкм) и марганца (1.29-1.399 мкм) в газоразрядных трубках с объемом активной зоны 88-314 см3. В качестве активной среды на переходах атома марганца были выбраны MnCl2 и MnBr2-лазеры. Достигнуты рекордные на данный момент времени удельные выходные параметры этих сред. В лазерах на переходах атомов бария и европия получена мощность генерации 5 Вт с удельной мощностью 57 и 16 мВт/см3, соответственно. В MnBr2-лазере суммарная мощность излучения для видимой и ИК области спектра также достигла 5 Вт с использованием добавки HBr. Удельная мощность генерации составила 32 мВт/см3. Принимая во внимание к полученным результатам высокие усилительные характеристики таких активных сред, можно заключить, что они могут использоваться в усилителях яркости изображения для визуализации процессов, экранированных фоновой засветкой в ближней ИК области спектра.
Ключевые слова: активные среды, барий, европий, марганец, удельная мощность генерации.
Введение
Развитие методики визуализации быстропротекающих процессов, экранированных фоновой засветкой, на основе узкополосного усиления лазерными средами связано с разработкой и оптимизацией усилителей сигналов. Наиболее пригодны для этих целей - среды на переходах атомов металлов [1-3], обладающих высокими усилительными характеристиками. Важно отметить, что с использованием усилителей яркости на переходах атома меди получены рекордные характеристики лазерных мониторов – степень фильтрации, пространственное и временное разрешение визуализации и определен ряд направлений, связанных с практическим применением [4-12]. С учетом интенсивного развития средств визуализации в ближней ИК области спектра, в первую очередь за счет развития SWIR камер, встает вопрос разработки усилителей яркости, обеспечивающих формирование сигналов и усиленных изображений в диапазоне до 2 мкм. В этой связи перспективными являются среды на самоогранчиенных переходах атомов марганца, бария и европия, поскольку демонстрируют высокие энергетические характеристиками и большие коэффициенты усиления.
Так в лазере на парах бария достигнута мощность генерации 12.5 Вт [13]. Причем основная доля сконцентрирована на переходе с λ = 1.5 мкм. Кроме этого, на этой линии получено высокое усиление, что позволило использовать активный элемент этого лазера в качестве усилителя яркости в ИК-лазерном проекционном микроскопе и реализовать значение эффективного усиления за один проход ~ 2.7×103 [14].
Лазер на парах марганца эффективно излучает на нескольких линиях в видимой (534.1 - 553.8 нм) и ИК области спектра (1.289 - 1.399 мкм.). Максимальная суммарная мощность излучения на данный момент составляет 12 Вт, а коэффициент усиления в видимой области спектра достигает 0.2 см-1 [16, 17]. Это позволило использовать Mn-лазер в качестве усилителя яркости изображений [18-20].
В лазере на парах европия с буферным газом неоном основная доля излучения сосредоточена на линии 1.76 мкм с максимальной на сегодняшний день мощностью генерации 2.5 Вт [21]. К сожалению, в этой среде не исследованы усилительные характеристики.
Цель настоящей работы заключалась в исследовании оптимальных режимов работы и достижении высоких удельных параметров генерации в активных средах на ИК переходах атомов марганца (λ = 1.29-1.33 мкм), бария (λ = 1.5 мкм) и европия (λ = 1.76 мкм) с газоразрядными трубками (ГРТ) объемом 88-314 см3 для создания компактных лазерных мониторов.
Материалы и методы
Для создания компактных лазерных мониторов требуются усилители яркости, отличающиеся простотой конструкции из доступных материалов. Поэтому было принято решение использовать галогениды марганца (MnCl2 и MnBr2) при изготовлении активных элементов на переходах атома Mn. За счет более низкой рабочей температуры MnCl2 и MnBr2-лазеров их кюветы изготавливаются из плавленого кварца. Галогениды бария и европия нецелесообразно использовать, т.к. их температуры плавления выше температуры плавления исходного металла. Длина активной зоны ГРТ лазеров на галогенидах марганца составляла 50 см, диаметр – 2 см. Конструкция этих активных элементов подробно описана в работе [22]. Каждая ГРТ была оснащена реверсивным генератором галогеноводорода (HCl, HBr) для увеличения выходной мощности лазера. Длина и диаметр ГРТ Eu-лазера – 100 см и 2 см, а Ва – 50 и 1.5 см, соответственно. Конструкция этих лазеров была типичной для саморазогревных лазеров с керамическим вкладышем, кварцевой оболочкой и теплоизолятором между ними [2].
Резонатор лазеров состоял из глухого зеркала с алюминиевым покрытием и выходного зеркала, представляющего собой кварцевую пластинку. Суммарная мощность генерации регистрировалась измерителем мощности Ophir 20C-SH. С помощью фильтров СЗС-25 и ИКС-1 выделялись видимые и ИК компоненты спектра излучения Mn-лазера. Для обнаружения и идентификации линий генерации использовался монохроматор МДР-23. Решетка монохроматора 600 линий/мм позволяла определять линии излучения до 2 мкм, а с помощью фотоэлементов ФК-19 и фотодиодного приемника DET05D2 регистрировалась форма импульсов генерации в зеленой и ближней ИК области спектра.
Измерение электрических характеристик разряда осуществлялось с помощью датчика тока Pearson Current Monitor 8450, датчика напряжения Tektronics P6015A и осциллографа LeCroy WJ-324.
Для накачки лазеров использовалась схема с диодно-резонансным зарядом рабочей емкости [1-3], а также полумостовая схема с импульсным зарядом [23]. В качестве коммутатора использовался тиратрон ТГИ1-1000/25. Для увеличения напряжения на электродах ГРТ в схему включался импульсный кабельный автотрансформатор (АТ) с коэффициентом трансформации 1:2. Для увеличения мощности накачки использовалась двухкаскадная схема по аналогии с [24]. В качестве основного буферного газа использовался неон и гелий.
Результаты эксперимента
Несмотря на то, что изучению Ba-лазера уделялось много внимания, до сих пор нет ясности в вопросах, связанных с определением оптимальных условий возбуждения: сорта буферного газа и его давления (в разных источниках приводятся разные данные), частоты следования импульсов (ЧСИ), удельных мощностей накачки и т.д.
При уровне накачки ~900 Вт с ЧСИ 10 кГц и рабочей емкостью Сраб=750 пФ без АТ исследовалось влияние сорта буферного газа (Ne и He) и его давления. Результаты показали, что оно составило 20 торр и оказалось, что с гелием достигаются более высокие выходные параметры (Рис. 1а). Поэтому в дальнейшем исследование энергетических характеристик лазера производилось с буферным газом гелием.
|
|
|
|
а |
б |
|
Рисунок 1 – а) зависимость мощности генерации Ва-лазера от давления буферного газа неона и гелия; б) зависимость мощности генерации лазера от мощности накачки при частотах следования импульсов от 12.5 до 17 кГц, давление гелия 20 торр. |
|
На Рис. 1б приведены зависимости мощности генерации от мощности накачки для разных ЧСИ. Результаты показали линейный рост выходной мощности до 1500 Вт без ее насыщения с увеличением частоты. При ЧСИ 14 кГц, давлении гелия 20 торр и рабочей емкости 680 пФ максимальная мощность генерации достигла 5 Вт с использованием воздушного охлаждения ГРТ. В максимуме выходной мощности достигнуты удельные значения мощности и энергии генерации – 57 мВт/см3 и 4 мкДж/см3. Эти значения превосходят параметры, полученные ранее в мощном лазере [13] – 30 мВт/см3 и 2.2 мкДж/см3.
Лазер на переходе атома европия с λ = 1.76 мкм, работающий в среде буферного газа неона, демонстрирует высокие параметры генерации и ресурсные характеристики в отличие от других буферных газов [21, 25]. Для накачки нашего лазера использовалась двухкаскадная система с поочередным запуском тиратронов (Рнак до 3 кВт) с импульсным кабельным АТ и обострительным конденсатором, что позволяло увеличить напряжение на ГРТ.
Выбор оптимальных условий накачки показал, что рабочая частота лазера составляет 7 кГц, а оптимальные емкости составляют 2.76-4.43 нФ на каждом канале. Максимальная мощность генерации составила 4.2 Вт с емкостью 4.43 нФ и мощности накачки ~ 2.6 кВт. Стоит отметить, что дальнейшее повышение уровня накачки приводило к перегреву стенки ГРТ и снижению мощности генерации. Частично перегрев был устранен за счет использования воздушного охлаждения. Таким образом, удалось повысить уровень накачки до 2.8-2.9 кВт и повысить мощность излучения до 5 Вт, что является рекордным значением на сегодняшний день. При этом энергия импульса составила 0.7 мДж, удельная мощность и энергия генерации 16 мВт/см3 и 2.3 мкДж/см3, соответственно. На Рис. 2 показана зависимость мощности излучения от мощности накачки. Без охлаждения ГРТ наблюдается спад выходной мощности при превышении уровня накачки 2.3 кВт. Сверху представлен участок, когда используется воздушное охлаждение ГРТ.
Рисунок 2 – Зависимость мощности генерации лазера от мощности накачки.
При исследовании MnCl2 и MnBr2-лазеров было установлено, что оптимальная рабочая температура стенки ГРТ составляет 780-8000С. Причем изменение температуры на 40-500С приводит к снижению мощности генерации более, чем в 2 раза. Оптимальные частоты в схеме с диодно-резонансной зарядкой составляют 16-21 кГц.
Масштабирование давления буферного газа неона и гелия для MnCl2 и MnBr2-лазеров показало, что оптимальное значение характерно для лазеров на парах галогенидов металлов и составляет порядка 15-25 торр, причем мощности обоих лазеров с этими газами сопоставимы. Было установлено, что добавка хлороводорода и бромоводорода в исследуемые активные среды в количестве 0.15 мм рт. ст. способствует увеличению мощности генерации. На рисунке 3 приведены зависимости суммарной выходной мощности для этих систем с добавками HCl, HBr и без них. При этом рабочая емкость составляла 750 пФ, ЧСИ - 17 кГц, а мощность накачки - 1-1.2 кВт.
|
|
|
|
а |
б |
|
Рисунок 3. Зависимости мощности генерации MnCl2 и MnBr2-лазеров а) с добавками HCl, HBr давлением 0.15 торр и без добавок, б) мощности MnCl2+HCl-лазера суммарной и по компонентам в видимой и ИК области от давления буферного газа. |
|
Для повышения мощности накачки и напряжения использовалась двухкаскадная схема с импульсным зарядом рабочей емкости и импульсным АТ. Суммарная ЧСИ составляла 14 кГц, рабочие емкости от 1.5 до 3.3 нФ. На рисунке 4 на примере MnBr2+HBr-лазера показаны осциллограммы с импульсами напряжения тока и генерации в видимой части спектра без АТ и с подключенным АТ.
|
|
|
|
а |
Б |
|
Рисунок 4 – Импульсы напряжения U, тока I и генерации G в видимой части спектра MnBr2-лазера с добавкой HBr давлением 0.15 торр. Сраб=1.5 нФ, f=14 кГц, PNe=15 мм рт. ст.; а) без кабельного АТ, б) с кабельным АТ. |
|
Как видно, импульсный АТ позволяет не только увеличить напряжение на ГРТ, но и уменьшить длительности импульсов тока и напряжения и тем самым повысить мощность генерации.
Стоит отметить, что до настоящего момента времени не проводились активные исследования характеристик лазеров на парах галогенидов марганца. Максимальная мощность излучения 2.3 Вт при мощности накачки 1.9 кВт и ЧСИ 12.5 кГц реализована в работе [26]. При этом удельные выходные параметры составили 23 мВт/см3 и 1.8 мкДж/см3. Увеличение мощности генерации до 2 кВт позволило нам в MnBr2+HBr-лазере, работающего с ЧСИ 14 кГц достичь мощности 5 Вт. При меньшей удельной мощности накачки 12.7 Вт/см3, чем в работе [26] (19.1 Вт/см3) удельные характеристики генерации составили 32 мВт/см3 и 2.2 мкДж/см3, а мощность генерации в ИК области спектра 1-1.5 Вт.
Полученные результаты показали отсутствие насыщения мощности генерации исследуемых Ba, Eu и MnCl2 и MnBr2-ИК лазеров при увеличении мощности накачки, что говорит об их дальнейшем потенциале для использования в качестве усилителей яркости изображения.
Заключение
В активных средах на ИК переходах атомов Ba, Eu и Mn (MnCl2 и MnBr2- лазеры) реализованы рекордные удельные параметры генерации. В Ba и Eu-лазерах мощность генерации была ограничена перегревом активной среды. Поэтому дальнейшее увеличение энергетических характеристик исследуемых ГРТ возможно за счет уменьшения слоя теплоизолятора. В лазерах на переходах атома марганца ограничение по мощности возбуждения было с вязано с возможностью источника накачки. Причем за счет того, что в атоме Mn нижние рабочие уровни для переходов в видимой и ИК области спектра являются общими, появляется возможность варьирования соотношением мощности генерации между ними за счет изменения условий накачки, в первую очередь, напряжения на ГРТ и давления буферного газа.
Финансирование
Работа выполнена при поддержке г/б ИОА СО РАН.
1. Sosnin E.A., Oppenländer T., Tarasenko V.F. Applications of Capacitive and Barrier Discharge Excilamps in Photoscience // Journal Photochemistry and Photobiology C: Reviews. 2006. V.7. iss. 4. P. 145‒163. DOI:https://doi.org/10.1016/j.jphotochemrev.2006.12.002.
2. Boychenko A.M., Lomaev M.I., Panchenko A.N., Sosnin E.A., Tarasenko V.F. Ul'trafioletovye i vakuumno-ul'trafioletovye eksilampy: fizika, tehnika i primeneniya. − Tomsk: STT, 2011. ‒ 512 s.
3. Sosnin E.A., Skakun V.S., Panarin V.A., Avdeev S.M., Sorokin D.A. Korotkovolnovye eksilampy ‒ effektivnye istochniki izlucheniya dlya inaktivacii virusov i bakteriy // Opticheskiy zhurnal. 2021. T. 88. № 10. S. 50‒58. DOIhttps://doi.org/10.17586/1023-5086-2021-88-10-50-58.
4. Lyascheva L.V., Sosnin E.A., Lyaschev A.A., Bayanov E.O., Fadeeva Yu.Yu. Perspektivy primeneniya ul'trafioletovogo izlucheniya XeCl-eksilampy dlya proizvodstva kornesobstvennogo posadochnogo materiala stolovogo vinograda // Izvestiya orenburgskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2022. № 4(96). S. 179‒183.
5. Kalinichenko A.N., Sosnin E.A., Avdeev S.M., Kalinichenko N.P., Istomin K.A. Osobennosti primeneniya eksilamp v lyuminescentnom metode kapillyarnogo kontrolya // Defektoskopiya. 2017. № 1. S. 51‒56.
6. Enciklopediya nizkotemperaturnoy plazmy. Seriya B. Tom XI-4. Gazovye i plazmennye lazery / Otv. red. S.I. Yakovlenko. ‒ M: FIZMATLIT, 2005. ‒ S. 530‒531.
7. Sokolova I.V., Chaykovskaya O.N., Svetlichnyy V.A., Kuznecova R.T., Kopylova T.N., Mayer G.V., Sosnin E.A., Lipatov E.I., Tarasenko V.F. Fotoprevrascheniya fenolov v vodnyh rastvorah pri razlichnom vozbuzhdenii // Himiya vysokih energiy. 2002. T. 36. № 4. S. 307–310.
