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Doctoral Thesis
DOI
10.11606/T.43.1996.tde-24022014-104827
Document
Author
Full name
Claudio Costa Motta
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 1996
Supervisor
Committee
Vieira Junior, Nilson Dias (President)
Galvao, Ricardo Magnus Osorio
Maciel, Homero Santiago
Mirage, Armando
Viana, Ricardo Luiz
Title in Portuguese
Modelo auto-consistente para a cinética da descarga do laser a vapor de cobre
Keywords in Portuguese
Cinética física
Descarga elétrica em baixa pressão
Laser
Plasma
Abstract in Portuguese
Um modelo computacional autoconsistente para a cinética da descarga em um plasma frio, fracamente ionizado, do tipo produzido em tubos de descarga, foi desenvolvido. Ele foi utilizado para investigar a dinâmica das várias propriedades do plasma, tais como temperaturas, densidades e fluxos das espécies que o compõe. Em particular, o modelo desenvolvido considera explicitamente a composição do plasma contendo várias espécies em vários estados de excitação eletrônica. Pode-se determinar a dinâmica das populações envolvidas nas transições laser do átomo de cobre, num modelo autoconsistente para lasers operando em altas taxas de repetição (-5KHz). O modelo mais completo construido considera cinco níveis para o gás tampão (Ne) e nove níveis para o átomo de cobre. O laser de cobre apresenta duas transições, uma no verde e outra no amarelo (5106 A e 5782 A), ambas terminando em estados metaestáveis de longa duração ( -270 J.LS), no átomo livre. No caso mais geral foram considerados trinta processos para determinar a dinâmica do plasma. O tratamento considera, primeiramente, somente a variação temporal e foi utilizado para estudar o plasma formado por três combinações diferentes de espécies: o gás de He puro; a mistura de He:Cu e por último a mistura Ne:Cu, correntemente utillizada em lasers a vapor de cobre. A evolução temporal da temperatura de elétrons, temperatura dos átomos e densidades das espécies, em particular a das espécies excitadas nos niveis de transição laser, pode ser determinada e os resultados comparados com resultados experimentais e de simulação reportados na literatura, mostrando boa concordância no comportamento geral. Verificou-se neste modelo que o principal mecanismo de desexcitação do nível metaestável inferior da transição laser são as colisões superelásticas e não a desativação via interação com as paredes (difusão). Após este primeiro tratamento o modelo passou a considerar também a dependência radial do plasma numa simetria cilíndrica (modelo radial). Neste caso, o efeito de penetração do campo elétrico é explicitamente considerado e o modelo pode ser aplicado tanto a tubos de pequeno como de grande diâmetro, uma vez que o diâmetro é uma grandeza fundamental para a obtenção de lasers de alta potência. Demonstrou-se que esse efeito produz uma distribuição de população dos níveis envolvidos nas duas transições laser (verde e amarela) do cobre, temporalmente distintas e crescentes da borda para o centro, o que concorda com resultados da literatura. Assim, o pulso do laser irá se iniciar com a emissão verde na borda do tubo, conforme predições de nosso modelo. Determinou-se também que existe um limite máximo para o comprimento do tubo do laser, decorrente da existência de uma janela temporal de ganho (-100 ns).
Title in English
Model self-consistent discharge kinetics copper vapor laser.
Keywords in English
Electrical discharge at low pressure
Kinetic physics
Laser
Plasma
Abstract in English
A self-consistent computational model was developed to describe the electrical discharge in a cold plasma, weakly ionized, of the kind usually produced in discharge tubes. The various properties of the species of the plasma as temperature of the electrons, its densities and fluxes could then be obtained. In particular, the model explicitly considers the plasma containing different species in different state of electronic excitation. From these quantities, one can determine the dynamics of the populations involved in the copper atomic laser transition, in a self-consistent model for lasers operation in high repetition rates (-5KHz). The most complete model developed takes into account five level for the buffer gas and nine levels for the copper atom. The copper laser shows two transitions, one in the green and other in the yellow, (5106 Å e 5782 Å), both ending in metaestable states of long duration (~270 µs), in the free atom. In the most complete case studied, thirty processes were considered in the calculations of the plasma dynamics. The formalism first considers solely the temporal dependence and it was used to study the plasma formed by three species: pure He; He and Cu; and Ne and Cu, the last one been currently used in copper vapor lasers. The time dependent populations of the electrons temperature, atoms temperature and densities, in particular the excited levels involved in the laser transitions, could be determined and the results were compared with experimental and simulated results of literature, showing a general good agreement. It was verified, in this model, that the main deexcitation mechanism of the lower metastable laser level is superelastic collisions and not deexcitation via interactions with the walls (diffusion). Therefore, the model was extended to take into account the radial dependence of the plasma in a cylindrical symmetry (radial model). In this case, the skin penetration effect of the electrical field was explicitly considered and the model can then be applied to either small and large diameters, as the diameter is a fundamental parameter for obtaining high power lasers. It is shown that this effect produces a temporally distinct population distribution in the levels of the laser transitions (yellow and green) of the copper atoms, that start in the border and goes to the center, in agreement with the literature. Therefore, the laser pulse starts with the green emission in the border, according to the prediction of our model. It was also found that there is a limit for the maximum length of the laser tube due to the existence of a time window for the positive gain of the laser (~100 ns).
 
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RE40065MottaCC.pdf (9.80 Mbytes)
Publishing Date
2014-02-24
 
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