ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР Российский патент 1996 года по МПК H01S3/22 

Изобретение относится к квантовой электронике, а именно к генерации квазинепрерывного (непрерывного) лазерного излучения, и может быть использовано в решении технологических и лазерно-химических задач.

Известны устройства, в которых возбуждение лазерно-активных сред, таких как Не+Хе, Аr+Хе, Nе+Аr и др. производят осколками деления ²³⁵U, ¹⁰В [1]
Известно устройство для получения лазерного излучения [2] Оно включает источник поля тепловых нейтронов, кювету, две противолежащие поверхности которой с внутренней стороны покрыты слоем делящегося материала, а две другие поверхности служат для впуска и выпуска активной газовой среды, и оптические элементы для формирования и вывода излучения. Кювета выполнена составной вдоль направления впуска и выпуска активной газовой среды, причем между частями кюветы установлены теплообменники, а оптические элементы расположены перпендикулярно поверхностям, служащим для впуска и выпуска активной газовой среды. Слои из делящегося материала нанесены на съемные подложки из материала с температуропроводностью выше 0,5 · 10^-4 м²/с толщиной более 1 см.

Выходящие из теплообменника хаотичные струи активной газовой среды имеют различные температуру, величину и направление скорости. В результате этого в лазерном объеме возникает область с большими потерями лазерного излучения за счет рассеяния на флуктуациях плотности. Эксперименты показывают, что зона рассеяния занимает до трети объема кюветы. В итоге яркость лазерного излучения в этой области снижается.

Использование резонаторов с плоскосферическими зеркалами не позволяет снизить расходимость излучения до величины, близкой к дифракционной. При движении газа оптические неоднородности вдоль потока газа носят характер "оптического клина", а поперек потока "параболической линзы" с увеличивающейся оптической силой, что вызывает отклонение и уширение диаграммы направленности лазерного излучения и не позволяет существенно поднять яркость лазерного излучения.

При длительности нейтронного импульса несколько секунд с оптимальной плотностью потока нейтронов подложка с урановым слоем может прогреваться до нескольких сот градусов. Газ на вход первой части кюветы поступает с температурой, близкой к комнатной. По мере работы устройства, особенно при длительных временах, разница в температуре активной газовой среды и подложки увеличивается. Особенно сильно этот эффект проявляется на частях кюветы, близких к месту впуска газа. Разница в температурах газа и подложки вызывает развитие значительных оптических неоднородностей, что приводит к снижению мощности генерации при временах работы более 1-1,5 с.

Целью изобретения является повышение яркости лазерного излучения. Дополнительной целью изобретения является увеличение длительности лазерного излучения.

Цель достигается тем, что в газовом лазере, содержащем источник тепловых нейтронов, кювету прямоугольного сечения, две противолежащие внутренние поверхности которой покрыты слоем делящегося материала, а две другие служат для прокачки рабочего газа, оптические элементы для формирования и вывода излучения, причем кювета выполнена составной вдоль направления движения рабочего газа и между ее частями установлены теплообменники, а оптические элементы расположены перпендикулярно плоскостям, служащим для прокачки рабочего газа, теплообменники выполнены в виде ряда пластин, установленных перпендикулярно поверхностям кюветы, покрытым слоем делящегося материала, а передняя и задняя кромки пластин, перпендикулярные потоку рабочего газа, заострены, при этом соседние торцы четного количества частей кюветы могут быть оптически связаны посредством оптических элементов, взаимно отображающих плоскости торцов частей кюветы с поворотом их на 180^о вокруг оси, перпендикулярной поверхностям кюветы, покрытым слоем делящегося материала, а оптические элементы для формирования и вывода излучения установлены на оптически не связанных торцах частей кюветы и выполнены в виде неустойчивого телескопического резонатора с осью, расположенной вблизи середины грани теплообменников, с поверхностями, полученными вращением параболы или окружности вокруг оси, перпендикулярной поверхностям кюветы, покрытым слоем делящегося материала, причем размер выходного зеркала резонатора вдоль потока рабочего газа в кратность увеличения резонатора меньше размера части кюветы в этом же направлении, на входе в кювету может быть установлен дополнительный теплообменник, причем в материал каждого теплообменника введен делящийся материал.

На фиг. 1 и 4 схематически изображены два варианта газового лазера; на фиг.2,3,5,6,7 разрезы А-А, Б-Б, В-В, Г-Г, Д-Д соответственно.

Лазер по фиг.1 содержит источник 1 тепловых нейтронов, кювету, две противоположные поверхности которой покрыты с внутренней стороны слоем 2 делящегося материала, а две другие поверхности 3 и 4 служат для впуска и выпуска активной газовой среды, оптические элементы 5 и 6 для формирования и вывода излучения, теплообменники 7, установленные между частями кюветы. Теплообменники 7 выполнены в виде ряда пластин 8, установленных перпендикулярно поверхностям кюветы, покрытым слоем 2 делящегося материала, причем расстояние между соседними пластинами 8 равно их толщине, а передняя 9 и задняя 10 кромки пластин 8, перпендикулярные потоку активной газовой среды, заострены. Соседние торцы 11 четного количества частей кюветы оптически связаны посредством оптических элементов 12, взаимно отображающих плоскости торцов частей кюветы с поворотом их на 180^о вокруг оси, перпендикулярной поверхностям кюветы, покрытым слоем 2 делящегося материала. Оптические элементы 5 и 6 для формирования и вывода излучения, являющиеся зеркалами неустойчивого телескопического резонатора с осью 13, расположенной вблизи середины грани 14 теплообменника 7, установлены на оптически не связанных торцах 15 частей кюветы и выполнены с отражающей поверхностью, полученной вращением параболы 16 или окружности 16 вокруг оси, перпендикулярной поверхностям кюветы, покрытым слоем 2 делящегося материала. Размер а выходного зеркала 5 резонатора вдоль потока активной газовой среды в кратность увеличения резонатора меньше размера А в этом же направлении части кюветы. На входе 3 кюветы установлен дополнительный теплообменник 17, причем в материал каждого теплообменника 7 и 17 введен делящийся материал.

Лазер работает следующим образом.

После установления стационарного потока активной среды создается поле тепловых нейтронов с помощью источника 1. Активная среда возбуждается, проходя мимо слоев 2 делящегося материала, и одновременно с этим в объемах, ограниченных слоями 2 и гранями 14 теплообменников 7 (17), возникает лазерное излучение, которое с помощью оптических элементов 5 и 6 формируется и выводится из объема. Активная среда проходит теплообменник 7 и охлаждается. Таким образом, происходит чередование возбуждения и охлаждения потока газовой среды.

В процессе работы слои 2 делящегося материала нагреваются. Делящийся материал, введенный в материал теплообменников 7 и 17, нагревает дополнительно пластины 8 теплообменников 7 и 17 до температуры, сравнимой с температурой слоя 2 делящегося материала. В результате активная газовая среда охлаждается в теплообменниках 7 и нагревается в теплообменнике 17 до температуры, сравнимой с температурой слоев 2 делящегося материала, в течение всего импульса лазерного излучения. Таким образом, можно значительно удлинить импульс лазерного излучения или перейти в стационарный режим.

Благодаря эффективному охлаждению ламинизированного потока газа, движущегося между пластинами, температура газа на выходе из теплообменника отличается от температуры пластин при выбранных зазорах и размере вдоль потока менее чем на 0,001 К и 0,5 К на смеси с гелиевой и аргоновой основой.

Расположение пластин 8 теплообменников 7 и 17 перпендикулярно поверхностям кюветы, покрытым слоем 2 делящегося материала, позволяет за счет температуро-проводности в этом направлении получить практически постоянное по величине распределение показателя преломления газа после выхода из теплообменников 7 и 17.

Уменьшение перепада скорости газа, выходящего из щелей между пластинами, вдвое при наличии острых кромок позволяет, как показывают расчеты и эксперименты, примерно на порядок уменьшить величину рассеяния лазерного излучения и в 2-3 раза размер зоны рассеяния вдоль потока газа. Таким образом, становится возможным получать высокую яркость лазерного излучения.

По экспериментальным и расчетным данным распределение показателя преломления в активной смеси на основе гелия при давлении 2 атм в лазерном объеме можно описать выражением: n(х,y)=7 · 10^-5-0,14 · 10^-5y-0,042 · 10^-5yх², где ось х перпендикулярна слоям 2 с делящимся материалом, а ось y совпадает с направлением потока газа и проходит по середине между слоями. Таким образом, оптические неоднородности вдоль потока активной смеси носят характер "оптического клина", а поперек потока "параболической линзы".

Использование оптических элементов 12 плоских зеркал, установленных под прямым углом друг к другу, позволяет получить для любой пары проходов светового луча по резонатору постоянную длину оптического пути, равную 2 · l · 7 · 10^-5-l · А · 0,14 · 10^-5-l · А · 0,042 · 10^-5 y², где l геометрическая длина резонатора; А размер части кюветы вдоль потока. В результате оптические неоднородности носят характер "параболической линзы" с постоянной вдоль потока оптической силой.

Использование четного количества (2,4,6,) оптически связанных частей кюветы посредством оптических элементов 12 плоско-параллельных зеркал дополнительно позволяет уменьшить количество лазерных пучков соответственно в такое же число раз (2,4,6,), что уменьшает последующие сложности, связанные со сведением их в единое световое поле.

Использование неустойчивого телескопического резонатора, образованного оптическими элементами 5 и 6 зеркалами, отражающая поверхность которых при пересечении с плоскостями, параллельными поверхности, которая с внутренней стороны покрыта слоем 2 делящегося материала, образует систему частей окружностей 18 с центрами, лежащими на одной оси, а при пересечении с плоскостями, параллельными поверхностям впуска и выпуска активной газовой среды, систему частей окружностей 16 с одинаковым радиусом либо частей парабол 16 с одинаковым параметром параболы, позволяет компенсировать оптические неоднородности типа положительной "параболической линзы" и получить высокую яркость лазерного излучения при использовании неустойчивого телескопического резонатора.

Использование неустойчивого телескопического резонатора с осью 13 вблизи грани 14 теплообменника 7 позволяет вдвое снизить количество лазерных пучков и получить расходимость в плоскости, параллельной слоям 2, близкую к дифракционной за счет уменьшения влияния зоны рассеяния вблизи граней 14 теплообменников 7 (17).

Для эффективного охлаждения активной смеси как на основе гелия, так и аргона толщина пластин 8 теплообменников 7 и 17 и расстояние между ними составляет 0,25-0,5 мм. Размер пластин 8 теплообменников 7 вдоль потока активной смеси 20-30 см, теплообменника 17 40-60 мм. Передняя 9 и задняя 10 кромки пластин 8 теплообменников 7 и 17 заострены под углом 5-10^о.

Концентрация делящегося материала ²³⁵U, введенного в теплообменники 7 и 17, составляет ≈(1-2,5) · 10^-3 г/см³ материала теплообменников 7 и 17 в зависимости от скорости нагрева слоя 2 делящегося материала и размера теплообменника в направлении, перпендикулярном потоку активной среды.

Лучшим материалом для пластин 8 теплообменников 7 и 17 является бериллий, покрытый пленкой алюминия толщиной 5-10 мкм, который наряду с хорошими теплофизическими свойствами одновременно является и замедлителем нейтронов. Допустимо выполнение пластин 8 из циркония или алюминиевых сплавов.

Плоские зеркала 12 имеют коэффициент отражения R>0,99 и связывают две части кюветы. Длина кюветы l=2 м. Коэффициенты отражения зеркал 5 и 6 резонатора составляют R>0,99. Кратность увеличения неустойчивого телескопического резонатора в направлении потока активной среды составляет М=1,1. Зеркало 5 выпуклое как в плоскости, параллельной слоям 2, так и в плоскости входа активной среды, и его поверхность образована вращением окружности с радиусом 20 м вокруг оси, перпендикулярной поверхностям кюветы, покрытым слоем 2 делящегося материала, по радиусу ≈88 м. Зеркало 6 вогнутое в плоскости, параллельной слоям 2, и выпуклое в плоскости входа активной среды, и его поверхность образована вращением окружности с радиусом 20 м вокруг оси, перпендикулярной поверхности кюветы, покрытой слоем 2 делящегося материала, по радиусу ≈96,8 м.

На фиг. 4 изображен второй вариант выполнения элементов устройства оптических элементов для формирования и вывода излучения. Оптические элементы 5, 6 и 19 для формирования и вывода излучения, являющиеся элементами неустойчивого телескопического резонатора с осью 13, расположенной вблизи середины грани 14 теплообменника 7, установлены на оптически не связанных торцах 15 частей кюветы. Элементы 5 и 6 зеркала резонатора выполнены с отражающей поверхностью, полученной вращением окружности бесконечного радиуса (прямой линии) вокруг оси, перпендикулярной поверхностям кюветы, покрытым слоем 2 делящегося материала. При пересечении отражающей поверхности оптических зеркал 5 и 6 плоскостями, параллельными слоям 2 делящегося материала, образуется система окружностей 18 с центрами на указанной оси, а при пересечении с плоскостями, параллельными поверхностям впуска и выпуска активной газовой среды, система параллельных линий 16.

Элементы 19 линзы выполнены с поверхностями, полученными вращением параболы 16 или окружности 16 вокруг оси, перпендикулярной поверхностям кюветы, покрытым слоем 2 делящегося материала. При пересечении поверхности линз 19 плоскостями, параллельными слоям 2, образуется система параллельных линий, а при пересечении поверхности линз 19 плоскостями, параллельными слоям 2, образуется система параллельных линий, а при пересечении с плоскостями, параллельными поверхностям впуска и выпуска активной газовой среды, система частей окружностей 16 с одинаковым радиусом либо частей парабол 16 с одинаковым параметром параболы. Использование элементов 19 линз позволяет компенсировать оптические неоднородности типа "параболической линзы" и получить в неустойчивом телескопическом резонаторе высокую яркость лазерного излучения.

Кратность увеличения неустойчивого телескопического резонатора в направлении потока активной среды составляет М=1,1. Зеркало 5 выпуклое в плоскости, параллельной слоям 2, и плоское в плоскости входа активной среды, и его отражающая поверхность образована вращением прямой 16 вокруг оси, перпендикулярной поверхности слоем 2, по радиусу 88 м. Зеркало 6 вогнутое в плоскости, параллельной слоям 2, и плоское в плоскости входа активной среды, и его отражающая поверхность образована вращением прямой 16 вокруг оси, перпендикулярной слоям 2, по радиусу 96,8 м. Линзы 19 рассеивающие и одна из поверхностей образована вращением окружности 16 с радиусом 5 м вокруг оси, перпендикулярной слоям 2, по бесконечному радиусу, другая поверхность образована вращением прямой линии 16 вокруг оси, перпендикулярной слоям 2, также по бесконечному радиусу.

По данным опытной проверки теплообменник из пластин с заостренной кромкой позволяет уменьшить зону рассеяния, где генерация отсутствует, до расстояния ≈1 мм от выходной грани теплообменника, что в совокупности с неустойчивым телескопическим резонатором на две оптически связанные кюветы позволило уменьшить расходимость излучения как в направлении вдоль потока, так и в перпендикулярном направлении. Яркость лазерного излучения возросла в 12-15 раз.

Использование: в квантовой электронике, а именно при генерации квазинепрерывного лазерного излучения, в решении технологических и лазерно-химических задач. Сущность изобретения: в газовом лазере теплообменники выполнены в виде ряда пластин, установленных перпендикулярно поверхностям кюветы, покрытым слоем делящегося материала, а передняя и задняя кромки пластин, перпендикулярные потоку рабочего газа, заострены, при этом соседние торцы четного количества частей кюветы могут быть оптически связаны посредством оптических элементов, которые установлены на оптически не связанных торцах кюветы и выполнены в виде неустойчивого телескопического резонатора с осью, расположенной вблизи середины грани теплообменников, на входе в кювету может быть установлен дополнительный теплообменник, причем в материал каждого теплообменника введен делящийся материал. 2 з. п. ф-лы, 7 ил.

1. ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР, содержащий источник тепловых нейтронов, кювету прямоугольного сечения, две противолежащие внутренние поверхности которой покрыты слоем делящегося материала, а две другие служат для прокачки рабочего газа, оптические элементы для формирования и вывода излучения, при этом кювета выполнена составной вдоль направления движения рабочего газа и между ее частями установлены теплообменники, а оптические элементы расположены перпендикулярно плоскостям, служащим для прокачки рабочего газа, отличающийся тем, что, с целью повышения яркости лазерного излучения, теплообменники выполнены в виде ряда пластин, установленных перпендикулярно поверхностям кюветы, покрытым слоем делящего материала, а передняя и задняя кромки пластин, перпендикулярные потоку рабочего газа, заострены. 2. Лазер по п. 1, отличающийся тем, что соседние торцы четного количества частей кюветы оптически связаны посредством оптических элементов, взаимно отображающих плоскости торцов частей кюветы с поворотом их на 180^o вокруг оси, перпендикулярной поверхностям кюветы, покрытым слоем делящегося материала, а оптические элементы для формирования и вывода излучения установлены на оптически не связанных торцах частей кюветы и выполнены в виде неустойчивого телескопического резонатора с осью, расположенной вблизи середины грани теплообменников, с поверхностями, полученными вращением параболы или окружности вокруг оси, перпендикулярной поверхностям кюветы, покрытым слоем делящегося материала, причем размер выходного зеркала резонатора вдоль потока рабочего газа в кратность увеличения резонатора меньше размера части кюветы в этом же направлении. 3. Лазер по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что, с целью увеличения длительности лазерного излучения, на входе в кювету установлен дополнительный теплообменник, причем в материале каждого теплообменника введен делящийся материал.