Управление энергетическими и временными характеристиками излучения XECL лазеров и эксиламп (стр. 1 )

ГОсударственное научное учреждение

«Институт Физики имени

Национальной академии наук Беларуси»

УДК 621.3+535.8

Володенков

Александр Павлович

Управление энергетическими и временными характеристиками излучения XeCl лазеров и эксиламп

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

по специальности 0.1.04.21 – лазерная физика

Минск, 2017

Работа выполнена в Учреждении образования Гродненский государственный университет им. Я. Купалы

Научный руководитель: Ануфрик Славамир Степанович,

доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой лазерной физики и

спектроскопии Гродненского государственного

университета

Официальные оппоненты: Зажогин Анатолий Павлович,

доктор физико-математических наук, профессор кафедры лазерной физики и спектроскопии

Белорусского государственного университета

кандидат физико-математических наук,

заведующий лабораторией физической оптики

Института физики НАН Беларуси

Оппонирующая организация: Белорусский национальный технический

университет

Защита состоится «16 » мая 2017 г. в 1430 на заседании совета по защите

диссертаций Д 01.05.01 при Государственном научном учреждении «Институт физики имени Национальной академии наук Беларуси» по адресу: 220072 Минск, пр-т Независимости 68, г. Минск, Республика Беларусь; тел/, e-mail: а. *****@***.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физики НАН Беларуси

Автореферат разослан « 29 » марта 2017 г.

Ученый секретарь

совета по защите диссертаций

доктор физико-математических наук

ВВЕДЕНИЕ

Эксимерные лазеры имеют высокие мощности излучения в ультрафиолетовой (УФ) области спектра, что приводит к их широкому использованию в различных областях науки, техники медицины, биологии и современных технологий. Энергетические параметры эксимерных лазеров определяются выбором источника накачки, в качестве которых находят применение электронные пучки, несамостоятельные и самостоятельные объемные разряды.

Наибольшее применение нашли эксимерные лазеры на галогенидах инертных газов с возбуждением самостоятельным объемным разрядом и с предварительной ионизацией активной среды. Основные трудности, возникающие при создании эксимерных лазеров с накачкой самостоятельным разрядом, связаны с получением объемного разряда и сохранением его однородности в течение всего времени ввода электрической энергии.

На практике довольно часто необходимо иметь некогерентный, мощный источник УФ излучения, который обладает большой излучающей поверхностью. Для таких целей в последнее время используют газоразрядные излучатели, которые работают на электронно-колебательных переходах эксимерных молекул – эксилампы. Теоретические и экспериментальные исследования показали, что эти источники могут обладать эмиссионной эффективностью доходящей до 40 %. Существует ряд причин, которые не позволяют получить указанное значение эффективности. В первую очередь это связано с тем, что применение апробированных способов возбуждения эксимерных лазеров, т. е. мощных импульсных электроразрядных воздействий на среду, не всегда перспективны для решения проблемы создания эффективного источника УФ и ВУФ излучения.

В настоящее время имеется довольно много данных по сечениям реакций с участием электронов, полученных как экспериментально, так и теоретически. Это позволяет довольно точно моделировать процессы, происходящие в плазме различного типа разрядов (эксимерные лазеры и эксилампы) и дает возможность проводить теоретические исследования кинетики разрядной плазмы.

Поэтому задача экспериментального и теоретического исследования рабочих характеристик электроразрядных излучателей на основе эксимерных молекул, а также сопоставление этих данных является актуальной и практически важной.

Общая характеристика работы

Связь работы с научными программами (проектами), темами

Тема диссертации включена в утвержденные Советом Гродненского государственного университета имени Я. Купалы научные планы работы.

Тема диссертации соответствует приоритетным направлениям развития, утвержденным Советом Министров РБ на период 2006 -2010, 2011-2015 г.

Исследования проводились в рамках выполнения следующих НИР: ГПНИ «Фотоника 2.10» (Разработка и исследование электроразрядных эксимерных лазеров для технологических и медицинских применений; №ГР 200762, 2006-2010); ГПНИ «Тепловые процессы» (Разработка и исследование источников излучения видимого и ультрафиолетового диапазонов на основе плазмы импульсного газового разряда высокого давления, №ГР 200755, 2006-2010); БРФФИ-РФФИ-2008 Ф08Р-228 (Эффективные источники когерентного излучения в УФ области спектра, №ГР 20083344, 2008-2010); БРФФИ-РФФИ-2010 Ф10Р-217 (Формирование мощных и высококогерентных лазерных импульсов излучения в УФ области спектра, №ГР 20115302, 2010-2012); ГПНИ «Энергоэффективность 2.1.12» (Изучение закономерностей переноса энергии в газовом разряде и многокомпонентных средах и разработка на этой основе высокоэффективных источников излучения, №ГР 20120652, 2011-2013); ГПНИ «Конвергенция 2.6.01» (Физика и химия плазменных образований, индуцируемых лазерным излучением и электрическими разрядами в газах и жидкостях, развитие методов спектрального анализа, контролируемого синтеза наночастиц и плазменной обработки материалов; №ГР 20120670, 2011-2013); «Конвергенция 2.6.04» (Разработка плазменно-лазерных методов синтеза, анализа и модификации наноструктурных материалов; №ГР 20143572, 2014-2015); ГПНИ «Электроника и фотоника 2.3.05» (Разработка методов, аппаратных средств и препаратов для оптической диагностики, абляции и фототерапии патологических состояний организма с использованием лазерных и светодиодных источников, №ГР 20143518, 2014-2015).

Цель и задачи исследования

Целью диссертационной работы являлась разработка методов и аппаратуры управления временными и энергетическими характеристиками источников УФ излучения, основанных на электроразрядных эксимерных лазерах и эксилампах, и оптимизация режимов абляционного воздействия концентрированных световых потоков на биологические объекты.

Для выполнения поставленной цели исследования требовалось решить следующие задачи.

§  Выяснить механизм формирования энергетических и временных характеристик электроразрядных XeCl-лазеров в зависимости от параметров системы возбуждения и активной среды.

§  Исследовать особенности формирования энергетических и временных характеристик электроразрядных XeCl-эксиламп тлеющего и емкостного разряда в зависимости от параметров системы возбуждения и активной среды.

§  Разработать электроразрядную XeCl-эксилампу барьерного разряда и исследовать ее излучательные характеристики в зависимости от состава активной среды и параметров системы возбуждения.

§  Разработать и создать эксимерный XeCl лазер и исследовать процесс абляционного воздействия на зубную ткань импульсов УФ излучения различной длительности.

Объектом исследования являлось взаимодействие концентрированных световых потоков с веществом.

Предметом исследования являются электроразрядный XeCl лазер, XeCl-эксилампы тлеющего, емкостного и барьерного разрядов и модификация поверхности зубной ткани, создаваемая при воздействии мощных световых потоков.

Методы исследования. В диссертационной работе использованы методы люминесцентной спектроскопии, физики низкотемпературной плазмы, компьютерного моделирования, лазерного абляционного воздействия.

Научная новизна

Научная новизна работы состоит в следующем: в разработке методики и программы для моделирования электроразрядных XeCl лазеров и эксиламп с учетом процесса регенерации галогеноносителя, что позволяет моделировать импульсно-периодический режим работы; в определении порогов абляции при различных длительностях импульсов.

Практическая значимость разработанной методики в ее применении для оптимизации эмиссионных характеристик XeCl лазеров и эксиламп, Практическая значимость исследований по эксилампам заключается в создании компактных и эффективных XeCl эксиламп. Практическая значимость исследований по абляции заключатся в возможности применения результатов в стоматологии.

Положения, выносимые на защиту

1.  Методика моделирования и программа для расчета энергетических и временных характеристик электроразрядных XeCl лазеров и эксиламп с системой возбуждения на основе LC-контура, отличающиеся тем, что учтен процесс регенерации молекул галогеноносителя, что позволяет моделировать частотный режим работы.

2.  Установление оптимальных параметров активной среды, излучателя и системы возбуждения эксиламп емкостного и тлеющего разряда, обеспечивающих получение с 1 см3 активной среды мощности излучения соответственно 75 и 300 мВт. Определение оптимальных параметров системы возбуждения, излучателя и активной среды для барьерного разряда, позволяющих достичь КПД ~ 12%.

3.  Методика расчета частоты следования импульсов, обеспечивающая максимум выходной мощности излучения XeCl эксиламп. Отличается тем, что учитывается зависимость концентрации галогеноносителя от времени при импульсно-периодическом режиме работы.

4.  Пороговые плотности энергии и мощности излучения XeCl лазера, обеспечивающие абляцию зубного камня и эмали зуба человека, при длительностях лазерных импульсов 7,5 нс [0,15 Дж/cм2 (20 МВт/см2) –зубной камень, 0,3 Дж/cм2 (40 МВт/см2) –эмаль] и 10 нс [0,2 Дж/cм2 (20 МВт/см2) –зубной камень, 0,4 Дж/cм2 (40 МВт/см2)–эмаль].

Личный вклад соискателя ученой степени

Содержание диссертации отражает личный вклад соискателя в постановку задач (совместно с научным руководителем доктором физико-математических наук ), подготовку и выполнение исследований, обработку, анализ и интерпретацию полученных результатов. Основные результаты, представленные в диссертационной работе, получены автором самостоятельно. Другие соавторы (кандидат физико-математических наук ) публикаций по теме диссертации занимались исследованием проблем, не отраженных в настоящей диссертации.