ЛАЗЕР Российский патент 2001 года по МПК H01S3/977 

Изобретение относится к квантовой электронике, а более конкретно к области создания частотно-периодических газовых лазеров с электрической накачкой и рентгеновской предыонизацией, и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства.

Известие устройство [1] для получения когерентного излучения с длиной волны 10,6 мкм, содержащее разрядную камеру, в которой поперечно к оптическому резонатору развивается газовый разряд атмосферного давления, с предыонизацией кратковременным диффузным разрядом, созданным "убегающими электронами". Устройство также содержит инициирующий, основной катодный и общий профилированный анодный электроды. В качестве инициирующего катода используется ряд тонких проволочек, натянутых параллельно оси разрядной камеры.

Применение этого устройства ограничено вследствие следующих недостатков:
1 - невозможность работы в частотно-периодическом режиме ввиду отсутствия системы охлаждения и перемешивания активной среды в рабочем объеме;
2 - отсутствие системы гашения акустических волн, влияющих на динамику работы устройства;
3 - неэффективность использования части активной смеси, находящейся вне объема разрядного промежутка;
4 - отсутствие специального оборудования, необходимого для получения генерации на длинах волн, отличных от длин волн, генерируемых CO₂-лазером;
5 - высокие напряжения (~ 200 кВ), обеспечивающие разряд в основном объеме активной среды, что требует ограничения во времени работы установки.

Известен импульсный CO₂-лазер [2] с объемным самостоятельным разрядом и предыонизацией мягким рентгеновским излучением. Устройство содержит герметичную камеру с вакуумными вводами, анод основного разряда и пушку с многоострийным взрывоэмиссионным катодом, оптический резонатор.

Недостатками этого импульсного лазера являются: невозможность работы на различных активных средах; высокие напряжения на электродах пушки (70 - 80 кВ); невозможность работы в частотно-периодическом режиме ввиду отсутствия эффективной системы охлаждения и газообмена активной среды.

Известен электроразрядный лазер большого объема [3], выбранный за прототип, содержащий разрядную камеру с активной средой, блоки инициирующего разряда с катодами в виде ряда проволочек. Камера имеет систему откачки и напуска активной среды, а охлаждение осуществляется за счет конвективного обмена. Соосно с блоком основного разряда установлен оптический резонатор. Основные параметры лазера: напряжение на электродах основного разряда ~ 500 кВ, предыонизатора ~ 400 кВ. Концентрация электронов в основном промежутке ~ 10¹² см^-3, энерговклад в активный объем 0,35-2,0 Дж/л. Устройство может быть использовано в качестве эксимерного лазера.

Применение этого устройства ограничено вследствие следующих недостатков:
1 - невозможность работы в частотно-периодическом режиме;
2 - невозможность работы на различных активных средах;
3 - неэффективное использование части активной среды, находящейся вне междуэлектродного промежутка;
4 - использование высокого напряжения на электродах устройства;
5 - отсутствие системы охлаждения и газообмена.

С помощью предлагаемого изобретения достигается технический результат, заключающийся в расширении спектра излучения источника как в импульсном, так и частотно-периодическом режимах с одновременным увеличением выходной энергии источника когерентного излучения. В соответствии с предлагаемым изобретением, технический результат достигается тем, что в лазере, содержащем герметичную камеру с вакуумными вводами и активной средой, с окнами для вывода излучения, блок инициирующего разряда с катодом и основного разряда с профилированным анодом и общим для обоих блоков электродом, систему вакуумирования, газообмена и охлаждения, блок формирования и вывода когерентного излучения; блок инициирующего разряда выполнен с автономными системами вакуумирования и газообмена и размещен соосно с камерой и исполнен в виде вакуумной полости со стенами из диэлектрика и крышкой в виде общего электрода, выполненного перфорированным с рядами равноотстоящих отверстий и профилем, аналогичным профилю анода, а катод выполнен из пластины толщиной h₁ < h по форме, подобной поперечному сечению вакуумной полости с слоем диэлектрика толщиной , и металлической квадратной сетки со стороной квадрата l₀ > h•tg(θ/2), размещенной на поверхности диэлектрика, в блок инициирующего разряда введена система торможения электронного пучка, выполненная в виде рамки с отверстиями диаметра D>δσ_т/P, и закрепленной на ее поверхности металлической фольгой, а система охлаждения выполнена в виде совокупности вентиляторов и двух теплообменников, содержащих ряд параллельных металлических пластин, расположенных вертикально и размещенных на расстоянии d₂ < R между собой, и установленных симметрично относительно блоков основного и инициирующего разрядов, при этом система газообмена выполнена в виде емкостей с различными газовыми активными средами, а в блок формирования и вывода когерентного излучения введен комплект сменных оптических элементов с коэффициентом отражения и два металлических полупрозрачных экрана в виде сетки с шагом l₁ < 2v_пл • t_п, установленных по ходу излучения симметрично от оси блока основного разряда на расстоянии I₂ > v_плt_и + I_эл/2, где
h - высота вакуумной полости;
ε - диэлектрическая проницаемость диэлектрика;
d - расстояние между электродами основного разряда;
C₀ - емкость междуэлектродного промежутка:
S, I_эл площадь и длина электродов основного разряда;
θ - угол разлета электронного пучка с элемента сетки, размещенной на поверхности диэлектрика:
δ - толщина фольги;
P - перепад давления в герметичной камере и вакуумной полости;
σ_т - предел прочности материала фольги;
R - радиус поперечного сечения герметичной камеры;
L₀ - длина области, занятая активной средой в междуэлектродном промежутке;
k₀ - коэффициент усиления активной Среды;
η₁ - коэффициент вредных потерь в резонаторе;
v_пл - скорость разлета плазмы;
t_п - длительность переднего фронта импульса излучения лазера:
t_и - длительность импульса излучения лазера.

На чертеже представлено устройство, реализующее предлагаемое изобретение, где
1 - вакуумная полость;
2 - общий перфорированный электрод с отверстиями;
3 - профилированный анод;
4 - катод:
5 - слой диэлектрика;
6 - металлическая сетка:
7 - рамка с отверстиями;
8 - фольга;
9 - вентилятор:
10 - пластины теплообменника;
11 - емкости с газовыми активными средами:
12 - комплект оптических элементов;
13 - глухое зеркало резонатора;
14 - полупрозрачный экран (сетка);
15 - герметичная камера;
16 - вакуумный ввод:
17 - окна для вывода излучения;
18 - блоки управления.

Устройство содержит герметичную камеру 15, выполненную из электроизоляционного материала, с вакуумным вводом 16 и наполненную активной средой, подаваемой в камеру с одной из емкостей 11, содержащих различные газовые активные Среды, окна 17 для вывода излучения, блок инициирующего разряда, выполненный в виде вакуумной полости 1 со стенками из диэлектрика с обособленным вакуумным вводом, и размещенными внутри нее катодного узла с катодом 4, слоем диэлектрика 5 и металлической сетки 6, расположенной на поверхности диэлектрика, и анодного узла, содержащего рамку с отверстиями, 7 и установленную на ее поверхности на стороне противоположной катоду фольгу 8. На поверхности вакуумной полости размещен общий перфорированный электрод 2 с отверстиями, служащий ей крышкой, и электрически связанный с рамкой и расположенной на ней фольгой, блок основного разряда с профилированным анодом 3 и расположенным напротив него общим профилированным и перфорированным электродом. Соосно с окнами 17 и электродами основного разряда расположен комплект сменных оптических элементов 12, глухое зеркало резонатора 13 и полупрозрачные экраны (сетка) 14. Симметрично относительно центра симметрии электродов основного разряда расположены вентиляторы 9, за которыми установлены ряды пластин теплообменника 10 с общим основанием и охлаждаемые проточной водой. На электродную систему устройства подано специально сформированное напряжение с двух раздельных блоков управления 18.

Рассмотрим работу устройства с длиной волны излучения 10,6 км (CO₂-лазер) с длительностью импульса излучения в диапазоне от 100 нсек до 1 мксек.

После юстировки оптического резонатора, состоящего из полупрозрачного зеркала, входящего в комплект сменных оптических элементов 12, и глухого зеркала 13, производится последовательно откачка через обособленные вакуумные вводы 16, герметические камеры 15 и вакуумную полость 1 и запуск через специальное входное отверстие в герметичной камере активной среды (смесь CO₂, N₂, He), содержащейся в одной из емкостей системы газообеспечения 11.

Далее осуществляется подача импульса высокого напряжения на катод 4, общий перфорированный электрод с отверстиями 2 блока инициирующего разряда. В результате под действием электрического поля вблизи катода образуется непрерывно растущее ионизированное облако, состоящее из ионов, нейтралов и медленных электронов. Для случая слабых полей, считая, что основная масса электронов имеет максвелловское распределение, и учитывая быстрое убывание кулоновского сечения с увеличением скорости сталкивающихся частиц, можно показать, что уже в этих полях функция распределения электронов в междуэлектродном промежутке оказывается сильно искаженной. При этом уравнение движения электронов может быть записано в виде
m_eν_eiv_t= E_e; (1)
где E_e - напряженность слабого электрического поля,
e, m_e - заряд и масса электрона соответственно;
v_t - тепловая скорость;

- частота столкновений электронов концентрации n с ионами среды [4];
In Λ - кулоновский логарифм.

В экспериментальных исследованиях наносекундных газовых разрядов, в сильно перенапряженных промежутках было зарегистрировано тормозное излучение рентгеновского диапазона [5] . Оценки энергии электронов, выполненные на основании данных об энергии рентгеновского излучения, приводят к заключению о существовании в разряде электронов с энергией eU₀ (U₀ - приложенное напряжение). Вследствие этого полная кинетическая энергия при некотором U_пор будет полностью определяться направленной скоростью, определяемой приложенным напряжением. Поэтому левый член в уравнении (1) совместно с уравнением (2) определяют силу трения со стороны ионного облака, которая будет обратно пропорциональна квадрату скорости, таким образом, электрон на длине свободного пробега будет неограниченно ускоряться, а вследствие этого происходит рассеивание первичного электронного облака вблизи катода, высокоэнергетические электроны будут ионизировать среду на значительных расстояниях от их первичной локализации, поэтому электрический разряд теряет свою компактную форму приобретает диффузионный характер.

Как показано в работе [4], в случае максвелловского распределения вблизи катода для концентрации убегающих электронов справедливо соотношение

где α - константа;
E - напряженность приложенного поля.

Это составляет лишь очень малую долю всех электронов, поэтому для создания эффективной предыонизации необходимо прикладывать значительные напряжения к электродам. В работе [6] в качестве критерия перехода от стримерного механизма газового разряда к непрерывному ускорению электронов выбрано следующее условие перенапряжения:

где - изменение энергии электрона на длине свободного пробега;
E₀ - напряженность электрического поля в межэлектродном промежутке.

Для обеспечения эффективности предыонизации рентгеновским излучением междуэлектродного промежутка основного разряда необходимо увеличение разрядного тока в предыонизаторе за счет увеличения концентрации убегающих электронов и их подвижности с целью выполнения критерия (4). Поэтому в вакуумную полость вблизи катода 4 установлена металлическая сетка 6, которая позволяет при заданном напряжении между электродами системы предыонизации перераспределить электрическое поле вблизи катода в соответствии с уравнением [7]:
E(r)=E₀ • (1+R²/r²) (6)
где r - расстояние от сетки;
R - радиус провода сетки.

Убегающие электроны возбуждают частицы среды, находящейся в вакуумной полости, и, тормозясь в поле ионов и нейтралов, образуют дипольное излучение. Часть электронов, ускоряясь в поле, определенном по формуле (6), бомбардируют фольгу 8, установленную на рамке с отверстиями 7. Для получения более равномерного потока электронов по сечению пучка, а следовательно, и для обеспечения равномерной предыонизации металлическая сетка выполнена с квадратными ячейками.

Определим количество групп таких электронов исходя из геометрии электродов. Пусть S, I_эл, L - соответственно площадь, длина и ширина электрода (катода), h - расстояние между катодом и профилированным электродом 2 (высота вакуумной полости). Из экспериментальных данных [8] известно, что расходимость электронного пучка в широких пределах приложенных напряжений постоянна и составляет ~ 20^o. Для оценки примем, что оптимальным условием для перекрытия электронных пучков на аноде предыонизатора будет их касание, отсюда получаем шаг сетки:
l₀ > h tg ( θ /2), (7)
где h - высота вакуумной полости;
θ ~ 20^o - угол разлета пучков.

Если площадь электродов S, то количество групп электронов n будет равно числу элементов квадратной сетки:

Опорой сетки является слой диэлектрика 5, расположенный по периферии катода, который связывает при своей поляризации часть свободных зарядов в междуэлектродном промежутке и тем самым уменьшает неоднородность разрядного тока, определяемую наличием краевых эффектов на краях электродов. Как известно [9] , основные параметры несамостоятельного разряда, поддерживаемого электронным пучком, разрядный ток i, напряженность поля E и энергия W, введенная в разряд, зависят от безындуктивной емкости, разряжающейся на газовый промежуток. Поэтому введение дополнительной емкости, определяемой слоем диэлектрика, не должно изменить значения основных параметров i, E, W.

Пусть с₀ - междуэлектродная емкость той области, куда установлен слой диэлектрика с сечением S₁ < S; при введении диэлектрика последовательно соединяются емкость с₁, определяемая слоем диэлектрика, и с₂ - емкость воздушного зазора. Условие компенсации может быть записано в виде:

где
где ε - диэлектрическая проницаемость диэлектрика;
ε₀ - электрическая постоянная;
d₁ - толщина диэлектрика.

Из (9) и (10) имеем

Упростив (11), получаем

Толщина катода сверху ограничена высотой вакуумной полости, а нижняя граница может быть определена из следующих соображений, определяющих функциональное назначение катода.

При действии импульса тока за счет испарения поверхности катода его высота уменьшается. Как показано в работе [9], получение больших электронных токов в сильноточных электронных ускорителях не связано с чисто автоэлектронной эмиссией, а основано на явлении взрывной эмиссии электронов из металлических острий. Рассмотрим катод с поперечным сечением, равным площади электродов основного разряда и с высотой h₁, тогда уменьшение высоты катода вследствие уноса части вещества с его поверхности при действии частотно-периодических импульсов тока может быть определено по формуле

где m - первоначальная масса катода;
m₀ - масса катода, уносимая в одном импульсе;
f - частота следования импульсов;
S - площадь катода;
ρ - плотность материала катода.

Для оценки примем, что во время прохождения частотно-периодического сигнала взрывается лишь один эмиссионный центр (острие) и эти центры распределены равномерно по поверхности катода и угол разлета массы вещества совпадает с углом разлета электронов из острия, формула (7). Уравнения теплового баланса запишем в виде

где c, λ, К'₀ - соответственно удельная теплоемкость, коэффициент теплопроводности, удельное электрическое сопротивление материала катода;
j(t) - плотность тока в сечении острия;
Q - затраты на излучение с факела при взрыве острия.

Как показали оценки [10], затраты на теплоотвод и излучение малы по сравнению со вторым членом правой части уравнения (14). С учетом этого замечания уравнение (14) может быть представлено в сферической системе координат следующим образом:

где θ - угол разлета материала острия;
b - радиус поверхности шарового сектора с центром в острие.

Масса материала, заключенная в шаровом секторе, будет
m₀ = V_cρ = 2/3 π b²ρ, (16)
где V_c - объем шарового сектора,
n_c = 2 b sin²(θ/4) - высота шарового сектора.

Следовательно, уносимая масса будет равна
m₀ = 4/3πb³sin² (θ/4) (17)
Из (15) следует, что


Подставив значение b в уравнение (17), получим

Таким образом, после n серий высота катода уменьшится на величину

Отсюда следует, что, если необходимо работать n-сериями, толщина катода должна быть выбрана больше, чем h₂.

После того как будет сформирован газовый разряд в вакуумной полости 1 и реализован механизм убегания электронов, электронный пучок тормозится в фольге 8, размещенной на несущей рамке с отверстиями 7. Диаметры отверстий и их количество выбираются так, чтобы обеспечить максимальную площадь для бомбардировки электронным пучком. Ограничения, накладываемые на размеры отверстий, определяются пределом текучести материала фольги σ_т.

Рассмотрим сферическую оболочку с закрепленными концами. Модель сферической оболочки оправдана, так как в общем случае давления в герметичной камере 15 и вакуумной полости различны. Условия равновесия для оболочки запишем в виде:
F₁ = F₂ (22)
где F₁ = P•S - сила, определяемая перепадом давлений по обе стороны оболочки;
S = π R² - площадь поперечного сечения (R - радиус отверстия),
F₂= σ•2π•δ - сила, уравновешивающая внутренние напряжения;
σ - внутреннее напряжение;
δ - толщина фольги.

Подставив (23) и (24) в (22), получим

Следовательно, необходимое условие для определения R будет σ>σ_т или

где σ_т - предел прочности материала фольги.

Газовый тракт лазера представляет собой одномерный акустический резонатор с закрытыми концами, на который оказывается внешнее периодическое воздействие, и содержит ряд параллельных металлических пластин, расположенных вертикально. Такой акустический резонатор имеет спектр собственных частот
ν_n= nc/2L_ак, (27)
где с - скорость звука;
L_ак - длина акустического резонатора: (длина герметичной камеры);
n = 1, 2, 3...

Так как электродная система основного разряда расположена в середине акустического резонатора, то можно считать, что колебания, соответствующие четным n, не будут влиять на процессы, происходящие в газовом разряде (на него приходится узел стоячей волны), поэтому следует ограничиться рассмотрением колебания ν₁ [11], так как эффективность возбуждения колебаний более высокого порядка значительно меньше [12]. Коэффициент отражения акустических волн для мод высокого порядка, выражается формулой

где n - номер моды;
d₂ - расстояние между пластинами.

Поэтому частота следования импульсов выбирается исходя из условия
f₀<ν_i, (29)
причем
f₀ = v/b_эф,
где v - скорость прокачки газа в междуэлектродном промежутке;
b_эф - размер пробки нагретого газа.

По оценкам [13] b_эф определяется по следующей формуле:
b_эф= b_o[1+(γ-1)w/p_o]^1/γ, (31)
где b₀ - размер пробки непосредственно после импульса:
p₀ - начальное давление:
γ = C_p/C_v;
w - удельный энерговклад в разряд.

При распространении звуковой волны в газообразную среду начальная интенсивность с увеличением расстояния изменяется по закону [14]:
J = J₀e^-2γx, (32)

- коэффициент поглощения, a ω - частота звуковой волны;
ρ - плотность среды;
η,ξ - коэффициенты вязкости среды;
к - коэффициент теплопроводности;
c_ν C_p - удельные теплоемкости при постоянном объеме и постоянном давлении.

При прохождении через ограничивающую преграду основная доля поглощения обусловлена эффектом, определяемым наличием ограничивающей поверхности, тогда коэффициент поглощения определяется по формуле

где R - характерный поперечный размер ограничивающей поверхности:
ν ~ lc - коэффициент вязкости газа;
l - длина свободного пробега;
c - скорость звука;
χ = k/ρc_p - коэффициент температуропроводности;
ρ - плотность материала ограничивающей поверхности;
с_p, c_ν - удельные теплоемкости.

Коэффициент γ₁ пропорционален энергии, поглощенной в единицу времени и единицу длины. Так акустическая волна отражается от края резонатора, то в нашем случае
γ₁~ L_ак/R (35)
Вследствие того, что уменьшены характерные размеры ограничивающей поверхности, благодаря введению металлических пластин теплообменника 10, произойдет увеличение коэффициента поглощения, определяемого по формуле (35). Кроме того, часть энергии звуковой волны при отражении будет поглощаться на общем основании, на котором закреплены пластины теплообменника.

Коэффициент поглощения для этого случая будет определяться по формуле [14]:

где θ < π /2 - угол падения.

Так как источник излучения (газовый разряд) имеет размеры I_эл < R, то распространяющиеся звуковые волны имеют форму, близкую к сферической, и условие (37) можно считать выполненным. Таким образом, благодаря введению в герметичную камеру, представляющую собой акустический резонатор, системы параллельных металлических пластин 10, происходит уменьшение влияния периодических колебаний, порождаемых акустическими волнами, на активную среду, находящуюся в области основного разряда, при накачке активной среды частотно-периодическими электронными пучками.

Совместное использование вентиляторов 9 и двух теплообменников с пластинами 10 с общим основанием и охлаждаемых проточной водой, позволяет производить не только процесс подавления акустических волн, но и эффективно осуществлять процесс охлаждения и смены активной среды в междуэлектродном промежутке основного разряда благодаря увеличению поверхности контакта активной среды с поверхностью теплообменника.

Как известно [15], порог генерации определяется равенством:
k₀= η₁+η₂, (38)
где k₀ - начальный коэффициент усиления;
η₁,η₂ - линейные коэффициенты ослабления светового пучка, отвечающие вредным и полезным потерям.

Поэтому для обеспечения генерации необходимо, чтобы
k_o>η₁+η₂ (39)
Полезные потери, обусловленные уходом части энергии из активной среды в виде лазерного излучения, определяются по формуле

где l₀ - длина области, занятая активной средой в междуэлектродном промежутке;
R₁, R₂ - коэффициенты отражения зеркал резонатора.

Глухое зеркало резонатора 13, блока формирования и когерентного излучения, имеет коэффициент отражения R₂ ~ 1 (полированное медное зеркало). Тогда из (40) следует

Вредные потери определяются рядом факторов: поглощением излучения частицами, не являющимися активными центрами, рассеиванием через боковую поверхность активной среды, дифракцией и т.д. В общем случае выражение для плотности выходящего из резонатора светового потока имеет вид [15]

где v - скорость света в активной среде;
α - параметр нелинейности активного перехода.

Максимум выражения (42) достигается при

Поэтому из (41) следует для R_1опт

Таким образом, для получения оптимального коэффициента отражения для определенной длины волны λ (для выбранного примера 10,6 мкм), необходимо комплект сменных оптических элементов снабдить оптикой, имеющей наперед заданные коэффициенты отражения.

Как известно, законы распространения рождающихся в лазерах когерентных световых пучков можно описать с помощью скалярной теории дифракции [16], и условие воспроизводства структуры пучка после полного обхода резонатора с активной средой может быть представлено в виде [17]

где u(x, y) - распределение поля на выходном зеркале резонатора;
R_опт - коэффициент отражения выходного зеркала резонатора;
k - волновой вектор;
L'₀ = L' + L₀(n-1) - полная оптическая длина резонатора со средой;
L' - расстояние между зеркалами резонатора;
L₀ - длина активной среды;
n₀ - коэффициент преломления среды:
К₀ - коэффициент усиления Среды;
- интегральный оператор преобразования пучка пустого резонатора с собственными функциями U_m и собственными значениями

где - фазовая поправка, обеспечивающая воспроизводство пучка по фазе на длине резонатора:
- коэффициент дифракционных потерь m моды по амплитуде.

Из (45) с учетом (46) для основной моды получим

Для того чтобы распределение комплексной амплитуды воспроизводилось не только по форме, но и имело прежнюю фазу, величина γ должна быть действительной, следовательно, набег фазы должен быть равен 2πq, где q - целое число. Таким образом, изменение интенсивности пучка после обхода имеет вид
J = γ²= J₀R_оптexp(-2δ″)exp(2κ₀L₀), (48)
где δ″ - коэффициент, определяющий дифракционные потери.

При учете дополнительных потерь за счет процессов рассеивания на активных центрах и других эффектов при прохождении излучения введен общий коэффициент "вредных" потерь - η₁, и поэтому имеем окончательно
J = L₀R_оптexp(-η₁)exp(2κ₀L₀) (49)
Найдем интенсивность излучения в объемах лазерной смеси, расположенных соосно блоку основного разряда и воздействующих на металлические полупрозрачные экраны в виде сеток 14, размещенных по ходу формирующегося когерентного излучения.

Пусть в некоторый начальный момент времени t₀ от выходного зеркала резонатора, входящего в комплект сменных оптических элементов 12, отражается волна с интенсивностью J₀ R_опт после полного прохода (двойное усиление), тогда суммарная интенсивность вблизи сетки будет иметь величину

В то же время вблизи сетки, находящейся перед "глухим" зеркалом резонатора 13, суммарная интенсивность определится по формуле:
J₂= 2J₀R_оптexp(-η₁/2)exp(κ₀L₀) (51)
Величина J₂ определяется усилением за один проход активной среды междуэлектродного промежутка основного разряда и является суммой интенсивностей падающей волны, выходящей из междуэлектродного промежутка, и интенсивности волны, отраженной от "глухого" зеркала резонатора (R_отр=1). Так как целью нашего рассмотрения в данном случае является процесс возникновения плазменных образований вблизи поверхности сеток 14, экспонируемых с разных сторон их поверхности и имеющих характерные времена свечения, значительно большие по сравнению с временами задержки между пачками импульсов формирующегося в резонаторе когерентного излучения, вызывающего эти плазменные образования, то вследствие этого и вытекает справедливость операции суммирования интенсивностей потоков излучения, экспонирующих эти элементы.

Пусть 2κ₀L₀-η₁= 0, тогда и
κ₀L₀-η₁/2 = 0 (52)
- условие порога генерации.

Следовательно, вблизи порога имеем:
J₁ = J₂ = J₀R_опт[1+exp(0)]=2J₀R_опт (53)
Из (52) найдем коэффициент потерь η₁ :
η₁= 2κ₀L₀, (54)
при К₀ = 0,5•10^-2 см^-1, L₀ = 10 см получим η₁ = 10^-1.

Для оценки примем, что коэффициент потерь величина постоянная при возникновении генерации в активной среде междуэлектродного промежутка. Тогда при максимальном коэффициенте усиления (насыщение), имеем из (50), (51) и при k₀ = 5•10^-2 см^-1, найдем [18]:
J₁=J₀R_опт[1 + exp(2L₀ • 5 • 10^-2 - 10^-1)] ≈ 3,5 J₀R_опт
J₂ = 2J₀R_оптexp[L₀ • 5 • 10^-2 - 0,5 • 10^-1] ≈ 3,2 J₀R_опт (55)
Из анализа (55) следует, что обе сетки 14 находятся практически под воздействием одинаковой плотности энергии (с точностью до ~ 10%).

При выполнении критерия (4) и после прихода n групп высокоэнергетических электронов на фольгу 8, расположенную на рамке с отверстиями 7, и в результате взаимодействия с ней возникает тормозное излучение со сплошным спектром и граничной длиной волны [19]:
ν_гр~ eU_эф/h, (56)
где e - заряд электрона:
h - постоянная Планка;
U_эф = d E, где E определяется из уравнения (6), a d - расстояние между электродами системы предыонизации.

Так как возникающее тормозное рентгеновское излучение является сферически симметричным при малых ускоряющих напряжениях (до 50 кВ) [19], то благодаря действию рентгеновского излучения происходит ионизация частиц активной среды не только в объеме междуэлектродного промежутка основного разряда, но и на значительных расстояниях от этих электродов. Для типичной лазерной смеси CO₂-лазера (P=1 атм) средние концентрации электронов предыонизации составляют ~ 10⁹ см^-3 на расстоянии до 40 см от фольги [20].

При реализации эффективной предыонизации (n₀ ~ 10¹⁶ см^-1, n₀ - концентрация начальных электронов в основном разряде) и определенном уровне вкладки энергии в основной разряд, при условии, что коэффициент усиления далек от насыщения, возникает генерация J₀ в объеме активной среды между электродами основного разряда 2 и 3. Как следствие этого часть энергии когерентного излучения выводится через полупрозрачное зеркало из комплекта 12, а другая часть J₀R_опт возвращается обратно. В результате на полупрозрачные экраны действуют интенсивности J₁ и J₂, определяемые по формулам (50) и (51).

При достижении определенного порога J₁, J₂ ~ 10⁶ - 10⁷ Вт/см² потока лазерного излучения с импульсом микросекундной длительности, имеющего вид лидирующего пичка с последующей пологой частью, вблизи экранов возникают плазменные образования с максимумом излучения в ультрафиолетовой области спектра. Характерные концентрации электронов n ~ 10¹⁸ см^-3 [21] были обнаружены для моментов от 30 нсек после начала возникновения пробоя и существовали вплоть до 100 нсек после начала пробоя.

Так как основной вклад в образование плазмы вносит лидирующий пик лазерного импульса, то остальная пологая часть импульса будет проходить через области с значительными электронными концентрациями, превышающими пороговую и определенными совместным действием тормозного рентгеновского излучения и ультрафиолетового из спектра излучения плазмы, образующейся вблизи поверхности полупрозрачных экранов (сетки).

Эффективность накачки колебаний молекул CO₂ и N₂, зависящая от параметра E/N и состава смеси, определяется лишь средней характеристической энергией электронов. С этой целью произведен расчет энергии электронов, находящихся в объемах, расположенных соосно с активной средой основного разряда вблизи мест установки полупрозрачных экранов из металлической сетки.

Вследствие неоднородности электрического поля между электродами основного разряда вблизи краев электродов междуэлектродная емкость увеличивается на величину [7]

где ΔC - емкость в фарадах;
L - ширина электродов;
d - расстояние между электродами:
S - площадь электродов.

Так как конструкция электродов основного разряда имеет асимметричную форму (L < l_эл, где l_эл длина электродов) и ограничена профилированными поверхностями, обращенными друг к другу и обеспечивающими равномерность электрического поля внутри разрядного промежутка, а внешние поверхности имеют радиусы скругления r < R, где R - характерный радиус скругления поверхностей, обращенных друг к другу, то вблизи части внешней поверхности электродов будет локализован избыточный заряд на длине отрезков протяженностью ~ L и определенной радиусом скругления r. Для оценки можно принять, что избыточный заряд, определяющий емкость, связанную с краевыми эффектами, будет локализован на краях электродов, имеющих меньший радиус округления, то есть r.

В этом случае избыточный заряд, находящийся на краях каждого электрода, может быть определен по формуле [7]

где Φ₀ - разность потенциалов между обоими профилированными электродами:
δ = 1/2, коэффициент, учитывающий наличие двух краев электрода;
α - коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора системы единиц.

Таким образом, напряженность электрического поля, создаваемая диполями на некотором расстоянии r₁ от электродов вдоль оси резонатора, может быть определена по формуле

Подставив значения (57) и (58) в формулу (59), получим:

при L = 3 • 10^-2 м,
l_эл = 1,3 • 10^-1 м,
d = 3 • 10^-2 м,
S = 4 • 10^-3 м²
имеем

Энергия, сообщаемая электрону на длине свободного пробега λ, электрическом поле E_⊥ вычисляется по формуле
ΔW~eE_⊥λ
где
(62)
- средняя скорость теплового движения;
k - постоянная Больцмана;
m - масса электрона,
ν_ei - частота электрон-ионных столкновений и является функцией температур T₀ и T₁:
ν_ei|_To~104°_K ≈ 10⁵-10⁶сек^-1
ν_ei|T1~300^°K ≈ 10⁹сек^-1
где T₀ - температура в области плазменного образования;
T₁ - температура среды.

Поэтому для оценки выбираем некоторое промежуточное значение для ν_ei~10⁷сек^-1. Таким образом, имеем:

и

Как видно из (63), энергия электронов достаточна для возбуждения колебательных уровней молекул CO₂, N₂ [22], поэтому активная среда, расположенная в соосных объемах, размещенных по обе стороны от электродов основного разряда с протяженностями Δl ~ 10 см может быть усиливающей для пологой части импульса CO₂-лазера. Чтобы пологая часть импульса CO₂-лазера прошла через плазменное образование, возникающее благодаря действию лидера импульса, плазменная частота должна быть меньше частоты CO₂-лазера f=3 • 10¹³ сек^-1. Плазменная частота f_p может быть определена по формуле
f_p ~ 9•10³n_e ^1/2 (64)
где n_e - концентрация электронов в плазме.

При низкопороговом пробое вблизи сетки n_e ~ 10¹⁴ см^-3 и
f_p = 9•10³•10⁷ ≈ 10¹¹ сек^-1 (65)
Таким образом, условие прозрачности выполняется.

Известно, что при незначительном превышении порога плазмообразования плазма пробоя среды излучением CO₂-лазера при R_п < 1 мм (R_п - радиус пятна облучения) имеет размеры порядка диаметра пятна, однородна по толщине и почти сферически разлетается в полупространство. Так как каждая из сеток, установленных по обе стороны электродов основного разряда, находится под действием встречных пучков почти одинаковой интенсивности J₁ и J₂ (формула (55)), то вблизи элементов каждой из сеток образуются светящиеся области с характерными размерами S порядка v_пл τ , где v_пл - скорость разлета плазмы, τ - время жизни плазменного образования.

Поэтому с целью охвата максимальной площади заполненной плазмой, а, как следствие этого, создание необходимой концентрации электронов, участвующих в возбуждении частиц части активной среды вне междуэлектродного промежутка, необходимо обеспечить перекрытие, при условии прозрачности плазмы, плазменных образований от соседних элементов сетки, то есть выполнить условие
l₁ < 2 v_плt_п (66)
где t_п - длительность переднего фронта импульса излучения лазера. Дополнительный объем внеэлектродной активной среды может быть найден по формуле
V_доп = kdL • l₁
где k - коэффициент, учитывающий наличие двух сеток;
d - междуэлектродное расстояние;
L - ширина электродов;
l₁ - шаг сетки.

Таким образом, наличие сеток приводит к дополнительному энергосъему энергии когерентного излучения. При выбранной геометрии электродов имеем

Следовательно, получаем выигрыш в энергии на 8%.

Для того чтобы устранить влияние электронных облаков плазменных образований, возникших вблизи сеток, на кинетику процессов в основном разряде с целью предотвращения стримеров необходимо сетки устанавливать на расстояниях l₂, обеспечивающих затухание плазмы за счет релаксационных процессов, где
l₂>v_плτ_п+l_эл/2, (69)
где l₂ - расстояние от оси электродов основного разряда до места установки сетки;
τ_п - длительность импульса излучения лазера;
l_эл - длина электродов основного разряда.

Соотношение (69) означает, что процессы, происходящие в плазме, не влияют на разрядные токи в цепи основного разряда.

В результате формирования блоками 18 двух импульсов высокого напряжения с необходимыми частотно-временными и амплитудными характеристиками на системы катод - общий перфорированный электрод и общий перфорированный электрод - перфорированный анод подаются с временной задержкой между собой импульсы высокого напряжения. После осуществления процесса предыонизации рентгеновским излучением, достижения определенной пороговой концентрации электронов в междуэлектродном промежутке основного разряда и подаче на него импульса высокого напряжения с одного из блоков 18 осуществляется накачка активной среды и, как следствие этого, возникновение генерации импульса когерентного излучения.

После прохождения одного из импульсов когерентного излучения из серии и в результате действия процессов, определяющих характеристики импульса лазерного излучения, происходят как нагрев активной среды, так и генерация акустических волн, которые ухудшают параметры среды. Использование вентиляторов 9 с конфузором в область основного разряда и пластин теплообменников 10 позволяет одновременно осуществить процесс как смены объема активной среды, так и охлаждения ее во всей герметичной камере 15.

Так как электроды 2, 3 имеют гладкие профилированные поверхности, то эта форма способствует устранению турбулентности в потоках среды через промежуток основного разряда, а ламинарность потока позволяет уменьшить градиенты локальных электронных концентраций в нем. Выбор частоты следования импульсов исходя из условия (29) позволяет "подготовить" активную среду к приходу следующего импульса серии и восстановить энергосъем лазерной энергии, близкий к энергосъему предыдущего импульса.

В приведенном выше рассмотрении в качестве примера выбрана активная среда CO₂-лазера. Описанное устройство может быть использовано для получения когерентного излучения и на других активных средах, обеспечивающих генерацию в широком диапазоне длин волн. Поэтому система газообеспечения 11 содержит ряд емкостей, в которых находятся смеси: SF₆:H₂, XeCl, ArXe и др. Для получения генерации, например на XeCl λ 305 нм, необходимо осуществить откачку герметичной камеры 15, сменив предварительно полупрозрачное зеркало из комплекта 12, запустить новую смесь.

Таким образом, предложенное устройство благодаря универсальности конструкции позволяет расширить свой спектральный диапазон и повысить энергетические характеристики при работе в частотно-перидическом режиме.

В настоящее время разработана и изготовлена установка, использующая изложенные принципы, и проведены предварительные испытания в моноимпульсном режиме на смесях SF₆:H₂:C₂H₆, ArHe, N₂ при атмосферном давлении, а на смеси CO₂:N₂:He получена генерация в частотно-импульсном режиме.

Источники информации
1. В.Ф. Басманов, В.С. Босамыкин, В.В. Горохов и др., ЖТФ, 1982, т. 52, N 1, с. 128.

2. А. Г. Гордейчик, А.Г. Масленников, А.А. Кучинский и др., "Квантовая электроника", 1991, т. 18, N 10 , с. 1173.

3. С.Н. Баранов, В.В. Горохов, В.И. Карелин, А.И. Павловский, П.Б. Репин "Квантовая электроника", 1991, т. 18, N 7, с. 891 - прототип.

4. Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. "Физическая кинетика". - М.: Наука, с. 218, 225.

5. Ю.Л. Станкевич, В.Г. Калинин. ДАН СССР, 177, N 1, 72, 1967.

6. А.П. Бабич, Ю.Л. Станкевич. 1972, ЖТФ, T. XLII, 68, с. 1669.

7. Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. "Электродинамика сплошных сред". - М.: Наука, 1982, с. 31, 36.

8. Сборник "Разработка и применение источников интенсивных электронных пучков", Новосибирск: Наука, 1976, с. 89.

9. Ю. И. Бычков, Ю.Д. Королев, Г.А. Месяц и др. "Инжекционная газовая электроника", Новосибирск: Наука, 1982, с.78.

10. Сборник "Мощные наносекундные импульсные источники ускоренных электронов", Новосибирск: Наука, 1974, с. 34.

11. В. Ю. Баранов, Б.Я. Любимов и др. "Квантовая электроника", 1979, т. 6, N 1, с. 184.

12. Л.А. Вайнштейн. "Теория дифракции и метод факторизации". - М.: Советское радио, 1966, с. 253.

13. В.Ю. Баранов, В.В. Бреев, Д.Д. Малюта, В.Г. Низьев. "Квантовая электроника", 1977, т. 4, N 9, с. 1861.

14. Л. Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. "Гидродинамика". - М.: Наука, 1986, с. 424.

15. Л.В. Тарасов. "Физика" процессов в генераторах когерентного оптического излучения". - М.: Радио и связь, 1981, с. 90-98.

16. М. Борн, Э. Вольф. "Основы оптики". - М.: Наука, 1970.

17. Ю. А. Ананьев. "Оптические резонаторы и проблема расходимости лазерного излучения". -М.: Наука, 1979, с. 63.

18. "Газовые лазеры". Сборник. - М.: Мир, 1986, с. 296.

19. Ф.Н. Хараджа. "Общий курс рентгенотехники". - М.: Энергия, 1966, с. 34, 47.

20. А. В. Козырев, Ю.Д. Королев и др. "Квантовая электроника", 1984, т. 11, с. 524.

21. Г. В. Островская, А.Н. Зайдель, УФН, 1973, т. 111, вып. 4, с. 594-595.

22. Е.П. Велихов, В.Ю. Баранов, В.С. Летохов и др. "Импульсные CO₂-лазеры и их применение для разделения изотопов". - М.: Наука, 1983, с. 22.

Изобретение относится к квантовой электронике, а более конкретно к созданию частотно-периодических газовых лазеров с электрической накачкой и рентгеновской предыонизацией, и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства. В лазере, содержащем герметичную камеру с вакуумными вводами и активной средой, с окнами для вывода излучения, блоки инициирующего разряда с катодом и основного разряда с профилированным анодом и общим для обоих блоков электродом, систему вакуумирования, газообмена и охлаждения, блок формирования и вывода когерентного излучения; блок инициирующего разряда выполнен с автономными системами вакуумирования и газообмена и размещен соосно с камерой и исполнен в виде вакуумной полости со стеклом из диэлектрика и крышкой в виде общего электрода, выполненного перфорированным с рядами равноотстоящих отверстий и профилем, аналогичным профилю анода, а катод выполнен из пластины по форме, подобной поперечному сечению вакуумной полости с слоем диэлектрика и металлической квадратной сетки, размещенной на поверхности диэлектрика, в блок инициирующего разряда введена система торможения электронного пучка, выполненная в виде рамки с отверстиями и закрепленной на ее поверхности металлической фольгой, а система охлаждения выполнена в виде совокупности вентиляторов и двух теплообменников, содержащих ряд параллельных металлических пластин, расположенных вертикально и установленных симметрично относительно блоков основного и инициирующего разрядов, при этом система газообмена выполнена в виде емкостей с различными газовыми активными средами, а в блок формирования и вывода когерентного излучения введен комплект сменных оптических элементов и два металлических полупрозрачных экрана в виде сетки, установленных по ходу излучения симметрично от оси блока основного разряда. Достигаемым техническим результатом является расширение спектра излучения источника как в импульсном, так и частотно-периодическом режимах с одновременным увеличением выходной энергии источника когерентного излучения. 1 ил.

Лазер, содержащий герметичную камеру с вакуумными вводами и активной средой, с окнами для вывода излучения, блоки инициирующего разряда с катодом и основного разряда с профилированным анодом и общим для обоих блоков электродом, системы вакуумирования, газообмена и охлаждения, блок формирования и вывода когерентного излучения, отличающийся тем, что система охлаждения выполнена в виде совокупности вентиляторов и двух теплообменников, содержащих ряд параллельных металлических пластин, расположенных вертикально и размещенных на расстоянии d₂ < R между собой, и установленных симметрично относительно блоков основного и инициирующего разрядов, система газообмена выполнена в виде емкостей с различными газовыми активными средами, а в блок формирования и вывода когерентного излучения введен комплект сменных оптических элементов с коэффициентом отражения и два металлических полупрозрачных экрана в виде сетки с шагом l₁<2ν_плt_п установленных по ходу излучения симметрично от блока основного разряда на расстоянии l₂>ν_плt_и+1_эл/2, при этом блок инициирующего разряда снабжен автономными системами вакуумирования и газообмена и выполнен в виде вакуумной полости со стенками из диэлектрика и крышкой в виде общего электрода, выполненного перфорированным с рядами равноотстоящих отверстий и профилем, аналогичным профилю анода, а катод выполнен из пластины толщиной h₁ < h по форме, подобной поперечному сечению вакуумной полости с слоем диэлектрика толщиной и металлической квадратной сетки со стороной квадрата l_o>dtg(θ/2), размещенной на поверхности диэлектрика, и в блок инициирующего разряда введена система торможения электронного пучка, выполненная в виде рамки с отверстиями диаметра D>2δσ_т/P, и закрепленной на ее поверхности металлической фольги, где h - высота вакуумной полости; ε - диэлектрическая проницаемость диэлектрика; d - расстояние между электродами основного разряда; S, l_эл - площадь и длина электродов основного разряда; θ - угол разлета электронного пучка с элемента сетки, размещенной на поверхности диэлектрика; δ - толщина фольги; Р - перепад давления в герметичной камере и вакуумной полости; σ_т - предел прочности материала фольги; R - радиус поперечного сечения герметичной камеры; L₀ - длина области, занятая активной средой в междуэлектродном промежутке; К₀ - коэффициент усиления активной среды; η_l - коэффициент вредных потерь в резонаторе; ν_пл - скорость разлета плазмы; t_g - длительность переднего фронта импульса излучения лазера; t_и - длительность импульса излучения лазера.