СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ ИМПУЛЬСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ЛАЗЕРЕ БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК H01S3/09 

Изобретение относится к квантовой электронике, а именно к генерации импульсного излучения наносекундного диапазона с большой энергией, и может быть использовано в лазерной технологии и научном эксперименте, в частности в решении проблемы лазерного термоядерного синтеза (ЛТС).

Известен способ генерации импульсного излучения и устройство для его осуществления, включающие возбуждение активной среды бегущей волной накачки, формирование поля вынужденного излучения путем исключения из области усиления неаксиальных лучей и вывод излучения из активной среды. Этот способ реализуется в устройстве, содержащем передающую линию, в одной из пластин которой наклонно относительно волнового фронта помещен баллон с газом. Вдоль боковых сторон баллона с газом расположены два параллельных продолговатых электрода, соседние грани которых образуют две стороны продолговатого лазера. Разряд, первоначально возникший вблизи одного из концов канала, распространяется со скоростью, близкой к скорости света к другому концу, создавая бегущую область возбуждения (волну накачки), в которой может усиливаться световой поток. Концы соседних граней каждого из электродов имеют закругленную форму поперечного сечения в плоскости, перпендикулярной каналу. При этом световой поток, распространяющийся наклонно вдоль канала и отраженный от какого-либо электрода, выходит из канала и не усиливается во время работы лазера. Боковые стороны закругленных концов выполнены плоскими и соединены между собой дугообразной пластиной, причем дуга равна 120-170^о. Световой луч выходит из баллона с газом через соответствующее окно на втором конце баллона с газом. На пути светового луча, выходящего из второго конца, помещена собирающая оптическая система, фокус которой совпадает с первым концом канала [1]
В этом способе поле вынужденного излучения начинает формироваться из спонтанного шума на конце, где появляется бегущая волна накачки, и, распространяясь к другому концу активной среды, усиливается по мере прохождения через возбужденный газ. При формировании поля вынужденного излучения, с целью уменьшения расходимости, внеосевое излучение выводится из канала усиления за счет отражения от поверхности электродов и в дальнейшем не усиливается. Собирающая оптическая система на выходе осуществляет перехват всего излучения, распространяющегося вблизи оси. При последующей фокусировке этого излучения с помощью еще одной собирающей системы в ее фокусе получается изображение области возбуждения на первом конце объема. Это изображение создается лишь излучением, распространяющимся вблизи оси. Расходимость вынужденного излучения при таком способе формирования не лучше, чем отношение поперечных размеров сечения активной области на первом конце баллона к фокусу собирающей оптической системы, расположенной со стороны второго конца баллона. При учете длины, на которой достигается мощность насыщения, расходимость излучения станет еще хуже.

Недостатком такого способа и устройства для генерации излучения в лазере бегущей волны является большая расходимость излучения. При возрастании поперечных размеров (объемов) области возбуждения расходимость излучения еще более увеличивается. Формирование поля вынужденного излучения в этом способе сводится к исключению из условия лишь лучей, касающихся поверхностей ограничивающих область возбуждения и при неизменном поперечном сечении, что характерно для всех известных устройств на этом принципе, такой пассивный формирователь дает расходимость большую (или близкую) к значению отношения размеров поперечного сечения к его длине (к фокусу оптической системы на его конце).

Целью изобретения является уменьшение расходимости излучения в лазере с накачкой бегущей волны.

В предлагаемом способе улучшения расходимости поле вынужденного излучения, выходящее из лазера, будет сформировано только расходящимся пучком лучей. Все лучи в этом пучке проходят через небольшую по размерам область вблизи вершины конуса излучения, образованного этим расходящимся пучком лучей, т.е. этот пучок лучей является близким к гомоцентрическому пучку, который может быть сфокусирован в пятно малых размеров или преобразован в пучок излучения малой расходимости. Указанный режим достигается тем, что из-за близости фронта бегущей волны накачки к фронту вынужденного излучения и мощности излучения в расходящемся пучке, превышающей мощность насыщения, спонтанное и рассеянное излучение, возникшие в объеме активной среды, где распространяется расходящийся пучок, усиливаются незначительно и вся возникающая инверсия сбрасывается расходящимся пучком лучей вынужденного излучения.

В предлагаемом устройстве размеры отверстия в месте перехода поверхности усеченного конуса в цилиндрическую поверхность определяют близость пучка к гомоцентрическому, а поверхность усеченного конуса служит для предотвращения развития излучения в областях, где отсутствует излучение расходящегося пучка лучей, т. е. ограничивает его; Эту же функцию могут выполнять и диафрагмы, если в промежутке между ними возникшее излучение не достигает мощности насыщения. В промежутке между основанием цилиндра и первой диафрагмой мощность вынужденного излучения, возникшего из спонтанного при его усилении, должна превышать мощность насыщения.

Соотношения, связывающие размеры цилиндрической и конической частей, необходимы для полного заполнения телесного угла внутри конической поверхности излучения, прошедшим через отверстие, соединяющее указанные части.

Рассеивающая оптическая система, установленная в месте перехода поверхности усеченного конуса в поверхность цилиндра, позволяет эффективно уменьшить размеры области вблизи вершины конуса, через которую проходят все лучи расходящегося пуска излучения, т.е. еще более приблизить пучок к гомоцентрическому.

На фиг. 1 приводится вариант реализации предложенного способа генерации в устройстве; на фиг. 2 выполнение в устройстве ограничительных элементов; на фиг. 3 изображено место перехода конической части поверхности усеченного конуса в цилиндрическую.

Устройство для генерации импульсного излучения, представленное на фиг. 1, содержит объем с активной средой 1, источник 2 накачки и собирающую оптическую систему 3 на выходе объема с активной средой. Объем активной среды ограничен боковой поверхностью усеченного конуса 4, переходящего со стороны меньшего основания в поверхность цилиндра, соосного с конусом. Это место перехода образует отверстие 5. Отношение большего размера d основания цилиндра 6 к его высоте l превышает отношение большего размера D большего основания конуса к его высоте L(d/l> D/L).

Устройство работает следующим образом.

Источник 2 (например, источник полихроматического ионизирующего излучения) создает в активной среде 1 бегущую волну накачки, распространяющуюся со скоростью света, от ближайшего к источнику основания цилиндра 6 в направлении оптической системы 3 на выходе устройства.

Формирование поля вынужденного излучения происходит в следующей последовательности. Практически одновременно с волной накачки у ближайшего к источнику основания цилиндра возникает инверсная населенность и спонтанное излучение. Это излучение, распространяясь в направлении бегущей волны накачки, одновременно с ней усиливается, и по мере распространения его фронт начинает сближаться с фронтом накачки (задавая для конкретных условий эксперимента длину цилиндрической части, можно добиться практически любого, наперед заданного, совпадения фронтов накачки и вынужденного излучения), а мощность излучения во много раз превышать мощность насыщения. Часть поля вынужденного излучения проходит через отверстие 5 и образует поле излучения в объеме, ограниченном боковой поверхностью конуса. Так как расходимость ϕ излучения в цилиндрической части ϕ > d/l, то прошедшее в отверстие излучение полностью заполняет объем конуса, угол α при вершине которого α< D/L( ϕ > α ). Плотность мощности излучения в плоскости отверстия значительно больше мощности насыщения. Распространяясь далее по конусной части, она не должна нигде становиться менее плотности насыщения (на начальном участке конуса плотность мощности несколько падает, а затем начинает расти). Этот режим достаточно просто обеспечивается мощностью накачки, размерами отверстия, сечением усиления и углом при вершине конуса. При реализации указанного режима подавляющая часть инверсии будет сбрасываться излучением, прошедшим через отверстие. Плотность мощности спонтанного излучения, возникшего в любой точке объема, по мощности во много раз меньше мощности насыщения. Принимая специальные меры к снижению рассеянного излучения стенками конуса, можно существенно снизить и его мощность намного ниже мощности излучения, прошедшего через отверстие. При выводе излучения оптическая система, расположенная на конце объема, изображает это отверстие в любой точке 7 пространства. Так как распространение плотности мощности излучения в отверстии равномерно, то и в его изображении оно также будет равномерно. Для получения изображения определенной формы отверстие 5 необходимо выполнить подобным по форме (например, круг, квадрат и т.д.). Поперечные размеры изображения определяются соотношением расстояний от него и от отверстия до оптической системы. Поперечные размеры могут быть как больше, так и меньше размеров отверстия 5. В случае, когда отверстие 5 располагается в фокусе оптической системы 3, его изображение переносится в "бесконечность", что соответствует классическому определению расходимости, а ее значение соответственно равно отношению диаметра отверстия к фокусу оптической системы. Назначением части объема с активной средой, ограниченной поверхностью цилиндра, является создание в плоскости отверстия 5 поля вынужденного излучения с фронтом, близким по времени и пространству к фронту накачки, и мощностью, в несколько раз превышающей мощность насыщения. Кроме того, угловое распределение излучения должно перекрывать весь телесный угол, ограниченный конусной поверхностью. Этим требованиям могут удовлетворять и другие формы выполнения этой части (например, в виде обратного конуса по отношению к основному, шара и др.), в ней могут быть расположены концентраторы излучения, основанные на отражении или пропускании. Выполнение указанной части в виде цилиндра является простейшим и легко поддается расчету. Форма активной среды, ограниченной поверхностью усеченного конуса, переходящей поверхность цилиндра, может быть получена при использовании только лишь источника накачки, способного создать в активной среде бегущую волну возбуждения по скорости, совпадающей со скоростью света в этой среде, и имеющую указанную выше форму. Эта форма будет образована без использования материальных границ между возбужденной и невозбужденной областями среды. Перегородка с отверстием между конусной и цилиндрической частями может и присутствовать. При таком способе возбуждения заявляемый способ также реализуется.

На фиг. 2 представлено устройство по п. 3. Устройство содержит объем с активной средой 1, источник 2 накачки и собирающую оптическую систему 3. Объем активной среды ограничен боковой поверхностью усеченного конуса, образованного краями отверстий 8 параллельно установленных диафрагм 9, причем расстояние между любыми соседними диафрагмами 9 меньше расстояния от первой диафрагмы 10 до основания 11 цилиндра. В качестве источника 2 накачки применено устройство, создающее бегущую волну накачки в виде распространяющегося вдоль двух электродов 12 со скоростью света быстрого разряда, создающего область возбуждения.

Устройство работает следующим образом.

В цилиндрической части объема активной среды между первой диафрагмой 10, основанием 11 цилиндра формируется поле вынужденного излучения с фронтом, совпадающим или близким к фронту накачки. Часть излучения проходит через отверстие в первой диафрагме 10 и образует поле вынужденного излучения в объеме, ограниченном краями отверстий 8 диафрагм 9. Плотность мощности излучения, распространяющегося в объеме, ограниченном поверхностью конуса, больше мощности насыщения. Так как расстояние между соседними диафрагмами 9 меньше расстояния от первой диафрагмы 10 до основания 11 цилиндра и, соответственно, меньше расстояния, на котором излучение, усиливаясь, достигает мощности насыщения, то в объеме, где установлен ряд диафрагм, не возникает паразитного излучения, по своей мощности сравнимого с мощностью излучения, прошедшего через отверстие в первой диафрагме. Расходимость будет определяться отношением размеров отверстия в первой диафрагме к фокусному расстоянию оптической системы 3.

Фиг. 3 иллюстрирует изменения в месте перехода поверхности усеченного конуса в поверхность цилиндра, согласно п. 4 формулы изобретения. В устройстве для генерации в отверстии 5 установлена рассеивающая оптическая система 13, причем мнимый фокус 14 этой системы находится внутри объема, ограниченного поверхностью цилиндра 6. В этом случае выигрыш к размерам пятна концентрации энергии в точке 7 или в расходимости составляет К ≥ L/DN, где L и D длина и больший диаметр большего основания конуса; N отношение фокусного расстояния рассеивающей оптической системы к ее диаметру, обычно N ≈1-3. Выигрыш в размерах пятна концентрации энергии или расходимости достигается за счет уменьшения размеров пятна в мнимом фокусе 14 по сравнению с размерами отверстия 5, в котором размещена оптическая система 13. Оптическая система 3 в этом случае изображает пятно в этом мнимом фокусе 14 в нужной точке 7 пространства.

Предлагаемый способ и устройство для его реализации могут найти применение в лазерах с бегущей волной накачки, где резонаторные методы формирования поля вынужденного излучения с малой угловой расходимостью затруднены, а системы задающий генератор усилитель приводят к возрастанию технических сложностей при своей реализации. В качестве источника накачки можно рассматривать электронные и протонные ускорители, обеспечивающие бегущую волну накачки, источники, создающие световую или токовую волну накачки. В качестве активных сред должны применяться среды с большим коэффициентом усиления. К ним относятся газовые среды на эксимерах, парах металлов, на основе НF, DF, а также активные среды на основе полупроводников.

В данном устройстве уменьшение расходимости можно получить более, чем на порядок, так как размеры отверстия, определяющего расходимость, могут составлять менее 0,3 мм, а фокусное расстояние оптической системы более 1 м.

Использование: при решении проблем лазерного термоядерного синтеза. Сущность изобретения: в способе генерации импульсного излучения в лазере бегущей волны формируют поле вынужденного излучения с фронтом, совпадающим или близким к фронту бегущей волны накачки, формируют из этого излучения расходящийся пучок излучения, причем плотность мощности усиливаемого излучения на всей длине расходящегося пучка выбирают не менее плотности мощности насыщения, при этом объем активной среды, в котором формируется поле вынужденного излучения, ограничен поверхностью, выполненной в виде боковой поверхности усеченного конуса, переходящей со стороны меньшего основания, в поверхность цилиндра, соосного с конусом. Отношение большего размера основания цилиндра к его высоте превышает отношение большего размера большего основания конуса, являющегося выходом устройства, к его высоте, а боковая поверхность усеченного конуса образована краями отверстий параллельно установленных диафрагм с расстоянием между любыми соседними диафрагмами меньше расстояния от первой диафрагмы до основания цилиндра. В месте перехода поверхности усеченного конуса в поверхность цилиндра установлена рассеивающая оптическая система, мнимый фокус которой находится внутри объема, ограниченного поверхностью цилиндра. 2 с. и 2 з. п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ генерации импульсного излучения в лазере бегущей волны, включающий возбуждение активной среды бегущей волны накачки, формирование поля вынужденного излучения, вывод излучения из активной среды, отличающийся тем, что, с целью уменьшения расходимости лазера, поле вынужденного излучения формируют с фронтом, совпадающим или близким к фронту накачки, затем из этого излучения формируют расходящийся пучок излучения, параметры которого и параметры активной среды устанавливают такими, чтобы интенсивность расходящегося пучка в активной среде превышала интенсивность насыщения активной среды. 2. Устройство для генерации импульсного излучения в лазере бегущей волны, содержащее камеру с лазерной средой, источник накачки и собирающую оптическую систему на выходе камеры, отличающееся тем, что в камере установлены ограничительные элементы, ограничивающие лазерную среду поверхностью в виде боковой поверхности усеченного конуса, переходящей со стороны меньшего основания в поверхность соосного с конусом цилиндра, при этом отношение большего размера основания цилиндра к его высоте превышает отношение большего размера большего основания конуса к его высоте. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что ограничительные элементы выполнены в виде диафрагм с отверстиями, установленных параллельно, при этом расстояние между соседними диафрагмами меньше расстояния от основания цилиндрической части до ближайшей к нему диафрагмы. 4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что в месте перехода конической части, ограничивающей лазерную среду поверхности, в цилиндрическую установлена рассеивающая оптическая система, причем фокус этой системы расположен в цилиндрической части лазерной среды.