ИМПУЛЬСНО-ПЕРИОДИЧЕСКИЙ CO -ЛАЗЕР Российский патент 1994 года по МПК H01S3/223 

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при создании электроразрядных импульсно-периодических СО₂-лазеров.

Известен импульсно-периодический СО₂-лазер с электродной системой, образованной металлическими анодом и катодом, через которую прокачивается газовая среда, состоящая из смеси: СО₂-Н₂-Не-Н₂-СО [1].

Недостатком такого лазера является изменение химического состава газовой среды вследствие диссоциации активных молекул СО₂ в начальный период работы под действием возбуждающего разряда, что приводит к уменьшению средней мощности излучения.

Известен также импульсно-периодический СО₂ - лазер с электродной системой, образованной металлическими анодом и катодом из перовскитоподобного материала, через которую прокачивается газовая среда, состоящая в начальный момент из смеси: СО₂-Н₂-Не. Под действием возбуждающего разряда в лазере также происходит изменение химического состава газовой среды и появления новых компонент: СО, СО₂, NO, что, в конечном итоге, приводит к установлению равновесного химического состава и стабилизации средней мощности излучения [2].

Недостатком данного лазера является диссоциация активных молекул СО₂ в начальный период работы, что приводит к уменьшению средней мощности и стабильности излучения лазера.

Целью изобретения является увеличение средней мощности и стабильности излучения лазера.

Указанная цель достигается тем, что в импульсно-периодическом СО₂-лазере, содержащем источник возбуждения, оптический резонатор и разрядную камеру, заполненную рабочей смесью, состоящей из углекислого газа, азота и гелия, а также расположенную в разрядной камере электродную систему, в которой, по крайней мере, катод выполнен из перовскитоподобного материала, рабочая смесь дополнительно содержит водород и/или дейтерий, а также окись углерода, окись азота и кислород, при этом, концентрации компонент рабочей смеси удовлетворяют следующим соотношениям: [H₂] + [D₂] ≅ 10% [H₂] ≅ 10% [D₂] ≅10%, [CO] + [O₂] = A ˙ ω [CO₂]; 0,4% ≅ [O₂] ≅1,8; [NO] = 0,03%.

Добавление водорода, дейтерия или их смеси в газовую среду необходимо в качестве катализатора реакции восстановления активных молекул СО₂, диссоциирующих под действием разряда, что приводит к увеличению средней мощности и стабильности излучения лазера. При увеличении концентрации водорода или дейтерия до 10% растет скорость восстановления молекул СО₂, при этом, возрастает стабильность излучения, а средняя мощность, практически, не изменяется. Дальнейшее увеличение концентрации водорода или дейтерия приводит к увеличению скорости восстановления СО₂, а также к увеличению стабильности излучения лазера, но отрицательно сказывается на средней мощности излучения.

На фиг. 1 продемонстрирована каталитическая способность водорода. На кривой 1 приведена доля восстановленного СО₂ в смеси, СО:О₂:H₂ : He = 12:6: 20:62 при атмосферном давлении под действием разряда с удельным энерговкладом 0,3 Дж/см³ в зависимости от числа разрядных импульсов. На кривых 2, 3 и 4 аналогичные зависимости с добавлением в исходную смесь 5% и 10% водорода и смеси водорода и дейтерия в соотношении 1:1, соответственно.

Присутствие окиси азота в газовой среде, необходимо с целью осуществляется объемного характера разряда в смесях с высоким содержанием окиси углерода и кислорода, а также для поддержания высокой концентрации активных молекул углекислого газа. Если концентрация окиси азота [NO] < 0,02%, то состав рабочей среды стабилизуется на более низком уровне (с точки зрения концентрации СО₂), чем первоначальный. Это приводит к уменьшению средней мощности излучения лазера. Если концентрация окиси азота [NO] > 0,04%, то нарушается объемный характер разряда и средняя мощность излучения уменьшается до нуля.

Добавление в рабочую смесь кислорода и окиси углерода необходимо для создания условия квазиравновесия реакции диссоциации молекул СО₂, что приводит к увеличению и стабилизации средней мощности излучения лазера. Концентрация молекул кислорода должна составлять 0,4% < [O₂] < 1,8%. При концентрации кислорода меньше 0,4% скорость реакции восстановления будет меньше скорости реакции диссоциации, что приведет к уменьшению количества молекул СО₂ и соответственно, уменьшению средней мощности и стабильности излучения лазера. При концентрации кислорода больше 1,8% ухудшается устойчивость объемного разряда, что приводит также к уменьшению средней мощности и стабильности излучения лазера.

Предложенный импульсно-периодический газовый лазер реализован в виде СО₂-лазера, состоящем, из разрядной камеры с полным объемом 3,5 литра. В камере размещен промежуток с возбуждаемым объемом 5 см³, катод которого выполнен из перовскитоподобного материала La_0,7 Sr_0,3 CoO₃. Через промежуток прокачивается приготовленная в смесителе, газовая смесь, состоящая из: CO₂: N₂:He = 50:33:17, к которой добавлялись:
а) CO:O₂:H₂:NO = 22,1%:0,4%:5,0%:0,03%
б) СО:O₂:H₂:NO = 21,5%:1,0%:5,0%:0,03%
в) CO:O₂:H₂:D₂:NO = 20,7%:1,8%:8,0%:2%:0,03%
г) CO:O₂:H₂:NO = 20,7%:1,8%:13,0%:0,03% соответственно, общее давление в лазерной камере поддерживалось атмосферным.

На фиг. 2 приведены графики изменения средней мощности излучения, кривые 5, 6, 7, 8 соответственно. Резонатор лазера образован медным зеркалом с коэффициентом отражения 98% , радиусом кривизны Р = 5 м и плоско-параллельной пластинкой их из Zn Se с коэффициентом отражения 85%. Энергия, вводимая в газовую смесь за один импульс, составляла 1,5 Дж (0,3 Дж/см³). Энергия излучения в импульсе составляла:
для смеси а) 53 мДж (10,6 мДж/см³), средняя мощность 2,65 Вт;
для смеси б) 50 мДж (10 мДж/см³), средняя мощность 2,50 Вт;
для смеси в) 45 мДж (9 мДж/см³), средняя мощность 2,25 Вт;
для смеси г) 36 мДж (7,2 мДж/см³), средняя мощность 1,80 Вт.

Средняя мощность излучения лазера изменялась не более, чем на:
для смеси а) ±4%, для смеси б) ±2,5%, для смеси в) ±1,5%, для смеси г) ±1,5%, при числе включений N = 8 ˙ 10⁵.

Импульсно-периодический лазер обладает следующими преимуществами по сравнению с прототипом:
-обеспечивает более высокую среднюю мощность и стабильность излучения, так как на начальном этапе работы позволяет исключить период времени, в течение которого средняя мощность лазера уменьшается до нуля, отсутствует, а затем, возрастает до стационарного значения.

Сущность изобретения: в лазере, в котором, по крайней мере, катод выполнен из перовскитоподобной керамики, в газовую смесь разрядной камеры, состоящую из углекислого газа, азота, гелия, добавляют окись углерода, окись азота и кислород, а также смесь водорода и дейтерия. Суммарное содержание водорода и дейтерия не превышает 10%. Содержание кислорода в смеси находится в пределах 0,4 % ≅ [O₂]≅ 1,8 % . Количество окиси углерода определяется по формуле [CO]+[O₂]= A·W·[CO₂] , где А(1,5 +- 0,08) - коэффициент пропорциональности, см³/Дж ; W - удельная энергия, вводимая в газовую среду, Дж/см³ . Содержание окиси азота составляет 0,03%. 2 ил.

ИМПУЛЬСНО-ПЕРИОДИЧЕСКИЙ CO₂ -ЛАЗЕР, содержащий источник возбуждения, оптический резонатор и разрядную камеру, заполненную рабочей смесью, состоящей из углекислого газа, азота и гелия, а также расположенную в разрядной камере электродную систему, в которой по крайней мере катод выполнен из перовскитоподобного материала, отличающийся тем, что, с целью увеличения средней мощности и стабильности излучения, рабочая смесь дополнительно содержит водород и/или дейтерий, а также оксиды углерода и азота и кислород, при этом концентрации компонент рабочей смеси удовлетворяют следующим соотношениям:
[H₂] + [D₂] ≅ 10%; [H₂] ≅ 10%; [D₂] ≅ 10%; [CO] + [O₂] = A˙W[CO₂]; 0,4% ≅ [O₂] ≅ 1,8%; [NO] = 0,03%,
где A = 1,5 - 0,08 - коэффициент пропорциональности, см³/Дж, W - удельная энергия, вводимая в рабочую смесь, см³/Дж.