СПОСОБ ВОЗБУЖДЕНИЯ ИМПУЛЬСНЫХ ЛАЗЕРОВ НА САМООГРАНИЧЕННЫХ ПЕРЕХОДАХ Российский патент 1997 года по МПК H01S3/97 

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано при создании импульсных лазеров на парах химических элементов.

Известен способ возбуждения импульсных лазеров на самоограниченных переходах паров химических элементов, заключающийся в том, что возбуждение активной среды и разогрев активного вещества до рабочей температуры осуществляется периодически повторяющимися импульсами высокой частоты, которые, во-первых, за счет выделяемой при разряде в газовой смеси энергии, производят нагрев активной среды до рабочей температуры, и во-вторых, создают инверсную населенность в активной среде [1]
Данный способ возбуждения является наиболее простым способом получения паров активного вещества и их возбуждения. Однако, при этом способе реализуется стационарный режим работы лазера и невозможно производить управление энергетическими характеристиками лазерной генерации (частота следования импульсов генерации, средняя и импульсная мощность лазерного излучения), поскольку изменение параметров импульса возбуждение, необходимое для осуществления управления энергетическими характеристиками генерации, приводит к нарушению теплового режима работы лазера.

Известен способ возбуждения импульсных лазеров на самоограниченных переходах, заключающийся в формировании импульсов возбуждения и дополнительных импульсов, не вызывающих генерации [2]
Данный способ позволяет осуществлять стабилизацию выходных характеристик лазерного излучения на заданном уровне, но не позволяет управлять энергетическими характеристиками генерации лазера.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ возбуждения импульсных лазеров на самоограниченных переходах, работающий в режиме саморазогрева [3] заключающийся в формировании с каждым импульсом возбуждения дополнительного импульса с регулируемой задержкой между импульсами.

Данный способ широко применялся для исследования предельных энергетических характеристик лазерного излучения, однако он также не позволяет осуществлять управление энергетическими характеристиками генерации лазера. Для обеспечения теплового режима работы лазера, при наложении двух импульсов на активную среду, необходимо выполнение следующего условия:
(E₁ + E₂)f P,
где E₁ энергия импульса возбуждения;
E₂ энергия дополнительного импульса;
f частота следования импульсов возбуждения;
P мощность, необходимая для разогрева рабочего объема лазера и поддержания его при рабочей температуре.

Технической задачей настоящего изобретения является управление энергетическими характеристиками генерации.

Решение поставленной технической задачи достигается тем, что, как и известный способ возбуждения импульсных лазеров на самоограниченных переходах, работающих в режиме саморазогрева, предлагаемый способ заключается в формировании с каждым импульсом возбуждения одного дополнительного импульса с регулируемой задержкой между импульсами при соблюдении условия:
(E₁ + E₂)f P,
где E₁ энергия импульса возбуждения;
E₂ энергия дополнительного импульса;
f частота следования импульсов возбуждения;
P мощность, необходимая для разогрева рабочего объема лазера и поддержания его при рабочей температуре.

В отличие от известного, в предлагаемом способе изменяют временное расположение дополнительного импульса относительно импульса возбуждения от момента начала импульса генерации в сторону предыдущего импульса возбуждения, при этом амплитуду напряжения дополнительного импульса выбирают постоянной в пределах 15 50% амплитуды напряжения импульса возбуждения.

Авторам известны способы возбуждения лазеров на самоограниченных переходах за счет формирования импульса возбуждения и дополнительного импульса [2, 3] Известен также способ управления энергетическими характеристиками генерации (энергия импульса генерации и средняя мощность генерации) за счет изменения амплитуды импульса возбуждения при двухимпульсном возбуждении [4] Авторам не известен способ возбуждения, позволяющий управлять в широких пределах от нуля до максимального значения энергетическими характеристиками генерации, такими как энергия импульса генерации, средняя мощность генерации, энергетическое распределение между линиями генерации и частота следования импульсов генерации.

Основным механизмом создания инверсной населенности в лазерах на самоограниченных переходах атомов химических элементов является более высокая скорость возбуждения верхнего лазерного уровня по сравнению с нижним во время протекания импульса возбуждения. Важную роль при создании инверсной населенности играют такие параметры плазмы, как концентрация атомов рабочего вещества n_a, концентрация электронов n_e и электронная температура T_e. Концентрация атомов рабочего вещества в саморазогревных лазерах задается термическим нагревом рабочего объема лазерной трубки при диссипации энергии газового разряда. Согласно теории Джерри мощность генерации [5]
P_ген= [n_an_e<σ₁₃ν_e>-n_an_e<σ₁₂ν_e>]/2, (1)
где <σ₁₃ν_e>,<σ₁₂ν_e> скорости возбуждения верхнего и нижнего лазерного уровней электронным ударом из основного состояния. Скорости возбуждения непосредственно связаны с электронной температурой, которая определяется напряжением, приложенным к лазерной трубке. Максимальная мощность генерации реализуется при максимальном значении первого члена и минимальном значении второго члена приведенного выражения (1). На практике этого добиваются за счет оптимизации параметров импульса возбуждения. В импульснопериодических лазерах, работающих с высокой частотой следования импульсов, плазма не успевает полностью прорекомбинировать. Поэтому перед импульсом возбуждения существует относительно высокая остаточная концентрация электронов, порядка 10¹² 10¹³/см³. Если перед импульсом возбуждения ввести дополнительный импульс, который наоборот оптимизировать так, что максимальным будет второй член и минимальным первый член выражения (1), то не будет возникать инверсия в активной среде при прохождении дополнительного импульса. Поскольку в лазерах на самоограниченных переходах нижний лазерный уровень является метастабильным, со временем жизни порядка 10^-5 с, то при наложении импульса возбуждения непосредственно после дополнительного импульса, не будет возникать инверсия в активной среде и при наложении импульса возбуждения. Если дополнительный импульс расположить перед импульсом возбуждения с задержкой равной времени расселения нижнего лазерного уровня, то это равнозначно первоначальному условию (в отсутствии дополнительного импульса или он помещен за импульсом генерации). В этом случае реализуется максимальная энергия импульса генерации. Изменяя задержку между дополнительными и возбуждающими импульсами можно осуществлять управление энергетическими характеристиками генерации от нуля до максимального значения. Экспериментально установлено, что дополнительный импульс удовлетворяет вышеописанным требованиям при амплитуде напряжения выбираемой постоянной в пределах 15 50% амплитуды напряжения импульса возбуждения. При плавном изменении временного расположения дополнительного импульса от момента импульса генерации в сторону предыдущего импульса возбуждения, средняя мощность генерации изменяется от максимального значения до нуля и затем возрастает от нуля до максимального значения. При этом спад средней мощности от максимального значения до нуля происходит более резко чем увеличение от нуля до максимального значения.

Это объясняется тем, что в первом случае изменение средней мощности происходит за счет заселения нижнего уровня при прохождении дополнительного импульса, а во втором случае релаксацией населенности нижнего рабочего уровня после прохождения дополнительного импульса.

Способ можно реализовать следующим образом.

На фиг. 1 приведена блок-схема устройства, реализующего данный способ, где изображены регулируемые высоковольтные источники питания 1, 2, генератор запускающих импульсов 3, коммутаторы 4, 5, линии задержки 6, 7(в качестве которых можно использовать, например, ждущие мультивибраторы), резонатор 8, лазерная трубка 9, зарядная индуктивность 10, рабочие емкости 11, 12.

Лазер работает следующим образом.

От регулируемого высоковольтного источника питания 1 заряжается рабочая емкость 11, а от регулируемого высоковольтного источника питания 2 заряжается рабочая емкость 12. Емкости заряжаются через зарядную индуктивность 10. Генератор запускающих импульсов 3 через линию задержки 6 запускает коммутатор 4, который формирует импульсы возбуждения на лазерной трубке 9, помещенной в резонатор 8. Параллельно генератор запускающих импульсов 3 через линию задержки 7 (регулируемая линия задержки) запускает коммутатор 5, который формирует на лазерной трубке 9 дополнительный импульс.

Настройка лазера производится следующим образом.

Включают оба источника питания 1, 2, разогревают рабочий объем лазерной трубки 9 до рабочей температуры, с помощью регистрирующей аппаратуры регистрируют импульсы напряжения, тока, генерации, рабочую температуру. С помощью линии задержки 7 начало дополнительного импульса совмещают с моментом появления генерации. Затем проводят настройку лазера по возбуждению, подбирая оптимальные параметры возбуждающего импульса. После настройки лазера по возбуждению, получив максимальный энергосъем с лазерной трубки, с помощью регулируемого источника 2 устанавливают амплитуду напряжения дополнительного импульса в пределах 15 50% амплитуды напряжения импульса возбуждения. При этом должно выполняться условие: (E₁ + E₂)f P, где E₁ и E₂ соответственно энергии дополнительного и возбуждающего импульсов, f частота следования импульсов, P мощность, ч необходиммая для разогрева и поддержания рабочего объема лазерной трубки при рабочей температуре. Выполнение этого условия необходимо, чтобы сохранялся тепловой режим работы лазера. Изменением задержки (линия задержки 7) можно осуществлять управление энергетическими характеристиками генерации от максимального значения до нуля.

Практически реализация данного способа была осуществлена авторами в лазере на парах меди. В качестве активного элемента использовалась промышленная лазерная трубка УЛ-102 "Квант", рабочий канал которой изготовлен из алундовой керамики Al₂O₃ диаметром 20 мм и длиной 400 мм. Давление буферного газа неон-400 Торр. Номинальная средняя мощность по паспорту завода-изготовителя составляет 5 Вт на двух линиях генерации (510,6 и 578,2 нм) при частоте следования импульсов генерации 8 кГц.

В качестве коммутаторов использовались тиратроны ТГИЗ-500/20, в качестве линий задержки два ждущих мультивибратора, которые запускались от одного генератора.

Рабочее напряжение на выпрямителе источника питания, формирующего импульс возбуждения, было 5 кВ, рабочая емкость 3300 пф, частота следования импульсов возбуждения 8 кГц, потребляемая мощность от выпрямителя 1,5 кВт.

Рабочее напряжение на выпрямителе источника питания, формирующего дополнительный импульс, было 750 В, рабочая емкость 3300 пФ, потребляемая мощность от выпрямителя 100 Вт.

При данных параметрах возбуждающего и дополнительного импульсов и помещении дополнительного импульса в момент импульса генерации была получена средняя мощность генерации 5 Вт на двух линиях генерации (510,6 и 578,2 нм). При изменении задержки в указанных выше пределах между дополнительным и возбуждающим импульсами осуществлялось управление средней мощности генерации и энергии генерации в импульсе от максимального значения до нуля. При этом в начале происходит уменьшение энергии генерации на длине волны 510,6 нм, затем на длине волны 578,2 нм.

При управлении лазером от ЭВМ можно осуществлять управление выходными параметрами по заданному заранее закону, например, изменять частоту следования импульсов генерации, осуществлять любую последовательность импульсов генерации, осуществлять переключение по линиям генерации, задавать определенное значение энергии генерации в импульсе, управлять средней мощностью генерации и т.д.

На фиг. 2 приведены полученные при испытаниях зависимости суммарной средней мощности генерации лазера на парах меди, а также в каждой линии генерации (510,6 и 578,2 нм) от величины временного интервала между дополнительным импульсом и импульсом возбуждения. Начало отсчета от момента начала импульса генерации.

Данное техническое решение позволяет значительно расширить функциональные возможности лазеров на самоограниченных переходах.

Представляет интерес практически во всех областях, где нашли применения данные лазеры.

Использование: изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано при создании импульсных лазеров на парах химических элементов, работающих в режиме саморазогрева. Сущность: способ возбуждения заключается в формировании с каждым импульсом возбуждения одного дополнительного импульса при соблюдении определенного условия. Новым является изменение временного расположения дополнительного импульса относительно импульса возбуждения от момента начала импульса генерации в сторону предыдущего импульса возбуждения, при этом амплитуду напряжения дополнительного импульса выбирают постоянной в пределах 15 - 50% амплитуды напряжения импульса возбуждения. 2 ил.

Способ возбуждения импульсных лазеров на самоограниченных переходах, работающих в режиме саморазогрева, заключающийся в формировании с каждым импульсом возбуждения одного дополнительного импульса с регулируемой задержкой между импульсами, соблюдая при этом условие
(E₁ + E₂)_f P,
где E₁ энергия импульса возбуждения;
E₂ энергия дополнительного импульса;
f частота следования импульсов возбуждения;
P мощность, необходимая для разогрева рабочего объема лазера и поддержания его при рабочей температуре,
отличающийся тем, что управление энергетическими характеристиками генерации осуществляется за счет изменения временного расположения дополнительного импульса относительно импульса возбуждения от момента начала импульса генерации в сторону предыдущего импульса возбуждения, при этом амплитуду напряжения дополнительного импульса выбирают постоянной в пределах 15 50% амплитуды напряжения импульса возбуждения.