СПОСОБ И УСТРОЙСТВО КВАЗИНЕПРЕРЫВНОГО ФОТОИОНИЗАЦИОННОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ ПЛОТНЫХ ЛАЗЕРНЫХ СРЕД Российский патент 2009 года по МПК H01S3/22 

Изобретение относится к области создания мощной лазерной техники для технологических целей, преимущественно фотоионизационных CO₂(СО)-лазеров, а также лазеров на основе Ar:Хе, O₂:I₂. Кроме того, изобретение может использоваться при возбуждении плазмохимических сред, например N₃:O₂, и создании плазмохимических реакторов различного назначения.

Известны импульсно-периодические электроионизационные CO₂-лазеры [1], решающие проблему генерации мощного лазерного излучения с помощью использования системы возбуждения плотных лазерных сред на основе организации несамостоятельного разряда. Как правило, используется поток лазерной среды, охваченный двумя плоскопараллельными сетчатыми электродами, через которые для ионизации газа инжектируется поток высокоэнергетических электронов с энергией Е_е≥100 эВ. Электроды подключены к источнику напряжения (емкостный накопитель энергии) для создания оптимального электрического поля в объемном несамостоятельном разряде, что и приводит к возбуждению лазерных сред во время импульсов ионизации. Накопитель энергии работает в режиме частичного разряда емкости (порядка 10%), чтобы поддерживать приведенное электрическое поле в разряде Е/р˜5 [кВ/(см·атм)] примерно постоянным (СО₂ - лазерная среда) и близким к оптимальному значению для эффективного возбуждения лазерной среды. При этом должен возбуждаться устойчивый объемный разряд, приводящий к генерации лазерного излучения. За счет развития неустойчивостей в плазме несамостоятельного разряда может произойти срыв объемного разряда в дуговой режим и срыв лазерной генерации. При электроионизационном способе поддержания несамостоятельного разряда из-за развития неустойчивостей практически не удается поддерживать оптимальное электрическое поле в объемном разряде и значение Е/р≤0,8 (Е/р)опт. Основная причина развития неустойчивостей и срыв объемного разряда в дуговой режим связаны с обогащением разрядного промежутка быстрыми электронами.

Наиболее близким по техническому решению к предлагаемому изобретению является система возбуждения лазерных сред на основе фотоионизационного разряда [2], когда для ионизации газовой среды используется поток ультрафиолетового (УФ) излучения, воздействующего на легкоионизуемую присадку. В работе изучены разряды в N₂, He и смеси СО₂:N₂:Не с добавлением легкоионизуемых присадок с низким потенциалом ионизации: диметиланилин, орто-ксилен и пара-ксилен. Для облучения газа и лазерной среды использовалась решетка искровых разрядников. УФ излучение, воздействующее на присадку, имело энергию фотонов порядка Е_ф≥7,3 эВ≥U_i. Здесь U_i - потенциал прямой фотоионизации паров органической присадки, которая находилась в жидком состоянии. Выбор присадок проводился, исходя из спектра фотопоглощения углекислого газа СО₂, имеющего порог прозрачности вблизи λ≈170 нм (Е_ф≈7,3 эВ).

К очевидным преимуществам фотоионизационного способа возбуждения по сравнению с электроионизационным [1] способом возбуждения мощных газовых лазеров повышенного давления можно отнести малые весо-габаритные параметры, отсутствие ограничений на площадь поперечного сечения из-за влияния магнитного поля разряда на поток заряженных частиц, отсутствие сложной ускорительной техники и рентгеновского излучения. Оставался открытым вопрос о создании проточных лазеров, которые необходимы для генерации мощного излучения для технологических целей. Ранее было известно [1], что только с помощью слаботочных пучков быстрых электронов с энергией Ее>100 кэВ можно обеспечить поддержание импульсно-периодических несамостоятельных разрядов в потоке плотных газов. По сравнению с электроионизационным разрядом осуществить импульсно-периодический фотоионизационный разряд технически гораздо проще, однако требуется достаточно точное согласование параметров внешнего источника ионизации с параметрами газоразрядной камеры, оптимизация химического состава возбуждаемой смеси газов, выбор газообразных присадок с низкой температурой кипения, легко вводимых и дозируемых в оптимальной концентрации в лазерную среду.

Отличие предлагаемого подхода к разработке фотоионизационной системы накачки проточных лазеров на основе СО₂ по сравнению с известными [2] заключалось в использовании газоразрядных источников УФ (ультрафиолетового) излучения на основе Z-микропинчей, интенсивно излучающих в спектральном диапазоне Δλ≈115-125 нм (Е_ф≈10,8-9,9 эВ), соответствующем «окну прозрачности» в спектре фотопоглощения СО₂. Использование источников УФ излучения с повышенной энергией фотонов позволило перейти к выбору и изучению газообразных присадок, которые легко вводились в лазерную смесь газов в оптимальной концентрации и не ограничивали быстрый проток газовой смеси. Ранее [2] использовались пары жидких органических присадок с минимальным потенциалом фотоионизации, ориентированные на прозрачность СО₂ в спектральном диапазоне λ≥170 нм. В данном случае углекислый газ СО₂ представлял собой газовый фильтр, пропускающий узкую полосу УФ излучения с энергией фотонов Е_ф≈10,8-9,9 эВ и Е_ф≤7,3 эВ. Ориентируясь на коротковолновое УФ излучение возникла возможность перейти к молекулярным газовым присадкам с низкой температурой кипения, например NO и NH₃ с потенциалами фотоионизации U_i=9,25 эВ (NO) и 10,15 эВ (NH₃). Такое направление исследований привело к принципиально новому результату - показана возможность разработки фотоионизационных лазеров с быстрой прокачкой рабочей смеси газов. Кроме того, переход к более коротковолновому УФ излучению и его использование для облучения газовой среды и электродов оказало стабилизирующее влияние на устойчивость объемного разряда за счет достаточно интенсивной фотоэмиссии электронов с поверхности электродов. Определены оптимальные условия, при которых энергетические затраты на фотоионизацию СО₂-лазерных сред составили достаточно малую величину. Переход от паров органических легкоионизуемых соединений [2] к газообразным присадкам снимал технические трудности, связанные с охлаждением лазерных сред, их дозировкой и смешением в проточных системах. При использовании коротковолнового УФ излучения устойчивость квазинепрерывного фотоионизационного разряда оказалась выше, чем в несамостоятельных разрядах, контролируемых пучком быстрых электронов. Этот факт, а также возможность осуществления более однородной ионизации межэлектродного промежутка за счет применения встречных пучков фотонов делают данную систему накачки проточных лазеров достаточно эффективной и перспективной.

Необходимо отметить, что благодаря применению фотонных пучков (электрически нейтральных) отсутствовало обратное воздействие магнитного поля объемного разряда на прохождение ионизирующего излучения. Из литературных источников известно, что в электроионизационных крупномасштабных лазерах, предназначенных для исследований в области лазерного термоядерного синтеза, не удалось получить заданную энергию излучения из-за воздействия собственного магнитного поля объемного разряда на траекторию быстрых электронов.

Предлагаемое изобретение позволяет осуществить организацию импульсно-периодического или квазинепрерывного (фотоионизационного) разряда при импульсно-периодическом воздействии коротковолнового микросекундного УФ излучения на присадку с низкой температурой кипения. Получение коротковолнового УФ излучения с достаточно высокой интенсивностью возможно в газоразрядных устройствах на основе Z-микропинчей с длительностью излучения порядка t_ф≤1 мкс, при этом частота следования импульсов фотоионизации F_ф или период следования Т_ф=1/F_ф может достигать величин порядка 10-100 мкс. Малая длительность УФ излучения связана с необходимостью удержания излучающей плазмы Z-микропинчей от разлета и нагрева до температур Т≥30000 К. Квазинепрерывный разряд при возбуждении СО₂-лазера возможен при использовании УФ излучения, прошедшего благодаря «окну прозрачности» в спектре фотопоглощения СО₂, когда Δλ≈120±5 нм. В данном случае газ CO₂ может рассматриваться как газовый фильтр, пропускающий с малым коэффициентом поглощения К поток фотонов в этом спектральном интервале. Газовая присадка должна подвергаться прямой фотоионизации данным потоком УФ излучения и обеспечивать к концу импульса фотоионизации пиковое значение концентрации электронов в разряде порядка n_е≥10¹¹ е/см³, после чего обеспечивать достаточно медленный распад объемной плазмы в течение t_пл=10-100 мкс и более. При таком режиме фотоионизации реализуется нестационарный фотоионизационный разряд, и при переходе к импульсно-периодическому возбуждению с величиной скважности А=Т_ф/t_пл≤1 реализуется квазинепрерывный режим генерации. Выбор присадки влияет на характер распада плазмы и определяет частотные характеристики лазера. В случае CO₂-лазера возможен выбор присадки NO с прилипательным механизмом распада плазмы, когда время распада плазмы равно t_пл=1/ν, здесь ν≈10⁵ с^-1 - коэффициент прилипания. Видно, что квазинепрерывный режим генерации СО₂-лазера возможен при высокой частоте следования импульсов фотоионизации F_ф≥100 кГц. Возможен выбор присадки NH₃ с рекомбинационным механизмом распада плазмы, когда t_пл=1/(β·n_е), где β≈10^-8 см³/с - коэффициент диссоциативной рекомбинации, n_е - концентрация электронов объемной плазмы. В этом случае возможен более длительный распад плазмы порядка 100 мкс и квазинепрерывный режим генерации возможен при умеренной частоте следования импульсов фотоионизации F_ф≥10 кГц. Кроме того, изобретение позволяет улучшить устойчивость объемного разряда за счет использования коротковолнового УФ излучения, облучающего электроды. Отметим, что коэффициент фотоэмиссии γ резко возрастает при переходе к использованию фотонов с энергией Е_ф≥10 эВ и достигает величины γ˜0,1, что на несколько порядков превышает значение γ при использовании УФ излучения с малой энергией фотонов порядка 7 эВ.

В предлагаемой фотоионизационной системе возбуждения (ФСВ) лазерных и плазмохимических сред импульсно-периодический фотоионизатор должен работать с периодом повторения импульсов коротковолнового УФ излучения меньшим, чем время распада фотоионизационной плазмы, когда А≤1. Здесь А - скважность импульсов фотоионизационного разряда.

Изобретение представляет собой устройство квазинепрерывного фотоионизационного возбуждения плотных лазерных сред, содержащее плоскопараллельные сетчатые электроды, образующие газоразрядный промежуток, средство для прокачивания между электродами лазерной среды с легкоионизуемой газовой присадкой, фотоионизатор с импульсно-периодическим источником высоковольтного питания и емкостный накопитель энергии, подключенный к электродам, в котором с целью повышения устойчивости объемного разряда и энерговклада в лазерную смесь газов, фотоионизатор выполнен в виде импульсно-периодических источников ультрафиолетового излучения, интенсивно излучающих в спектральном диапазоне Δλ≈115-125 нм, расположенных с внешних сторон сетчатых электродов, что позволяет создавать встречные потоки фотонов через электроды, расстояние между которыми равно длине пробега фотона l_ф≈1/(n_пр·σ_пр), где n_пр - концентрация присадки, σ_пр - сечение фотоионизации присадки, при этом в качестве присадок выбираются молекулярные или атомарные газы с низкой температурой кипения и потенциалом фотоионизации, не превышающим энергию фотонов. При этом фотоионизатор выполнен в виде источников ультрафиолетового излучения, представляющих собой набор щелевых газоразрядных промежутков с размером щели не более 1 мм, расположенных вдоль электродов с шагом не более 1 см в виде линейки или в виде матрицы с погонной плотностью не более 1 см^-1, при этом излучающая площадь фотоионизатора составляет не менее 0,5-0,9 от площади облучаемых электродов, а лазерная среда представляет собой газовую смесь на основе СО₂:N₂:Не с присадкой NO или NH₃, при этом концентрация присадки составляет n_пр<1%. Способ квазинепрерывного фотоионизационного возбуждения плотных лазерных сред представляет собой поддержание объемного плазменного разряда при импульсно-периодическим облучении фотонами лазерной смеси с легкоионизуемой газовой присадкой, прокачиваемой через газоразрядную камеру вдоль сетчатых электродов, при этом длительность фотоионизации t_ф≤1 мкс при скорости рождения электронов S≥10¹⁷ е/с, а период следования импульсов фотоионизации составляет величину Т_ф≤t_пл, где Т_ф - период следования импульсов фотоионизации, a t_пл - длительность распада объемной плазмы, определяемая выбором присадки и равная t_пл=1/ν, где ν - частота прилипания электронов в случае выбора присадки NO (прилипательный характер распада плазмы), и t_пл=1/(β·n_е), где β - коэффициент диссоциативной рекомбинации, n_е - концентрация электронов объемной плазмы в случае выбора присадки NH₃ (рекомбинационный характер распада плазмы).

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг.1 представлена принципиальная схема фотоионизационной системы возбуждения проточной лазерной среды на основе СО₂ повышенного давления вплоть до атмосферного, что в определенных технологических целях позволяет организовать открытую систему накачки проточного лазера с упрощенной схемой вывода когерентного излучения.

Фотоионизационная система возбуждения (ФСВ) представляет собой газоразрядную камеру, образованную двумя плоскопараллельными сетчатыми электродами: катодом 1 и анодом 2 с размерами h×b×l, где h - высота разрядного промежутка, b, l - ширина и длина электродов. Через электроды в поперечном направлении (b) прокачивается лазерная смесь газов 3, например СО₂:N₂:Не:NH₃. Здесь NH₃ - газовая присадка с низкой температурой кипения и потенциалом фотоионизации U_i=10,15 эВ для взаимодействия с коротковолновым УФ излучением, создаваемым газоразрядным источником 4, управляемым коммутатором 5. Электроды 1, 2 подключены к емкостному накопителю энергии C₁ с питанием от высоковольтного выпрямителя 6 для поддержания оптимального электрического поля в несамостоятельном разряде Е/р≈5 кВ/(см·атм) (где Е - напряженность электрического поля в разряде, а р - давление в газовой смеси), емкость работает в режиме частичного разряда, при котором напряжение снижается не более чем на 10%, коммутатор 5 подключен к генератору импульсов напряжения 7, а газоразрядный источник УФ 4 подключен к малоиндуктивному емкостному накопителю энергии С₂ с питанием от высоковольтного выпрямителя 8. Источник УФ 4, представляющий собой малоиндуктивный управляемый RCL-разрядный контур, создает поток фотонов, проходящих через электроды в поперечном направлении (h) и облучающих как газовую среду 3, так и электроды 1, 2. Фотоионизатор (4, 5) работает в режиме импульсно-периодического сильноточного разряда короткой длительности с апериодическими импульсами тока, при котором образуются многочисленные микрошнуры плазмы (Z-микропинчи) с температурой порядка Т≥30000 К.

Таким образом, система (ФСВ) состоит из трех основных блоков: газоразрядной камеры, образованной элементами 1, 2, 3 с блоком питания 6, фотоионизатора, образованного элементами 4, 5, подключенными к блокам питания 7, 8 и газодинамического тракта для создания газового потока 3.

Фотоионизационная система возбуждения, например, лазерной среды на основе СО₂ работает следующим образом. На электроды 1, 2 поступает напряжение U₁ от емкости C₁ для создания приведенного электрического поля в разряде Е=U₁/h≈5 кВ/(см·атм), оптимального для возбуждения лазерной среды на основе СО₂. Величина напряжения на электродах U₁ ниже величины пробоя газового промежутка для реализации несамостоятельного объемного разряда. Источник УФ излучения создает импульсно-периодический поток фотонов с энергией Е_ф≥U_i=10,15 эВ, здесь U_i - потенциал фотоионизации аммиака NH₃ с сечением фотоионизации σ≈10^-17 см². Концентрация присадки выбирается из условия N=1/(b·σ), при этом b≈l_ф. Здесь l_ф - длина пробега фотонов с энергией Е_ф≥10,15 эВ. Как правило, концентрация аммиака N<1%. Отметим, что потенциал фотоионизации аммиака (или окиси азота) соответствует потоку УФ излучения, прошедшего через «окно прозрачности» в спектре фотопоглощения СО₂, когда Δλ≈120 нм±5 нм, Е_ф≈10,8-9,9 эВ. При этом углекислый газ СО₂ имеет в этом спектральном диапазоне небольшое поглощение, которое приводит к ограничению концентрации СО₂ в лазерной среде на уровне n₀≤10%. Другие газы (N₂:Не) практически прозрачны для выбранного УФ-излучения. Генерацию коротковолнового УФ излучения при использовании многозазорных разрядов со щелевыми электродами можно получить в сильноточных разрядах короткой длительности, когда создается линейка или матрица излучающих микрошнуров плазмы (Z - микропинчей). RCL - разрядный контур излучающего разряда обеспечивает повторяющийся с большой частотой апериодический импульс тока. УФ излучение с длительностью t_ф≤1 мкс облучает электроды 1, 2 и газовый слой 3 с периодом Т_ф≤t_пл, здесь t_пл - время существования (распада) объемной плазмы практически в постоянном электрическом поле Е/р. Таким образом, реализуется квазинепрерывный несамостоятельный объемный (фотоионизационный) разряд с мощностью энерговклада, достаточной для лазерной генерации. Необходимая мощность энерговклада достигается за счет выбора пиковой интенсивности УФ излучения. За время импульса УФ излучения достигается скорость рождения электронов S≥10¹⁷ е/с, после чего происходит распад плазмы в электрическом поле Е/р с временем существования t_пл. Таким образом, организовано горение нестационарного фотоионизационного разряда. Распад плазмы зависит от выбора присадки. При использовании аммиака t_пл≈100-200 мкс и квазинепрерывный режим возбуждения достигается при длительности повторных импульсов фотоионизации порядка 100 мкс (или частоте следования порядка 10 кГц). Интенсивность УФ излучения выбирается достаточной для создания пиковой концентрации электронов в объемном разряде порядка n_е≥10¹¹ е/см³ и реализации квазинепрерывной мощности энерговклада в объемный разряд, достаточной для появления положительного коэффициента усиления в лазерной среде. В этом случае возможен вывод лазерного излучения с помощью оптического резонатора и оптимизация энергетических характеристик лазера за счет изменения параметров фотоионизационной системы возбуждения.

В результате экспериментальных исследований проверены и получены физико-технические характеристики способа и устройства квазинепрерывного фотоионизационного возбуждения плотных лазерных сред на примере фотоионизационного СО₂-лазера, фиг.2-5.

Конструкция фотоионизационной системы возбуждения лазерных сред позволяет проводить ее масштабирование в широком диапазоне линейных размеров, форма газоразрядной камеры может быть плоской или цилиндрической. Фотоионизационная система возбуждения плотных газовых сред может найти применение при создании мощных технологических лазеров на основе СО₂, СО, Ar-Хе, О₂:I₂, а также при создании плазмохимических реакторов, например, на основе N₂:O₃, в применении которых широко заинтересованы научные и технологические центры.

Предлагаемое изобретение позволяет существенно улучшить схему организации импульсно-периодического (квазинепрерывного) несамостоятельного разряда, как одного из наиболее эффективных способов накачки плотных лазерных сред вплоть до атмосферного давления и выше. Благодаря этому открывается возможность создания проточных лазеров с открытым разрядом и достаточно продолжительным временем запуска, что важно для технологических целей. Кроме того, предлагаемое изобретение позволяет существенно упростить конструкцию, эксплуатацию и улучшить весо-габаритные характеристики мощных лазеров, повысить их надежность, безопасность и экономическую эффективность.

Источники информации

1. Daugherty I.D., Douglas-Hamilton D.H., Patrik R.M. et al. Laser or ozone generator in wich a broad electron beam with sustainer field produce a large area, uniform discharge. USA Patent No 3702973, H01S 3/00, 14.11.1972.

2. Борисов В.М., Гладуш Г.П., Степанов Ю.Ю. Фотоионизация в импульсном СО₂-лазере // Квантовая электроника, 1977, т.4, №4, с.809-814.

Изобретение относится к области создания мощной лазерной техники для технологических целей, преимущественно фотоионизационных CO₂(СО)-лазеров, а также лазеров на основе Ar:Хе, O₂:I₂, и может быть использовано при возбуждении плазмохимических сред и создании плазмохимических реакторов различного назначения. Импульсно-периодический широкоапертурный источник ультрафиолетового излучения на основе линейки или матрицы микрошнуров плазмы воздействует на молекулярные или атомарные газовые присадки с низкой температурой кипения для поддержания нестационарного фотоионизационного разряда. Технический результат - повышение устойчивости объемного несамостоятельного разряда, увеличение мощности энерговклада в разряд и обеспечение повышенного коэффициента полезного действия лазерных и плазмохимических устройств. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Устройство квазинепрерывного фотоионизационного возбуждения плотных лазерных сред, содержащее плоскопараллельные сетчатые электроды, образующие газоразрядный промежуток, средство для прокачивания между электродами лазерной среды с легкоионизуемой газовой присадкой, фотоионизатор с импульсно-периодическим источником высоковольтного питания и емкостной накопитель энергии, подключенный к электродам, отличающееся тем, что, с целью повышения устойчивости объемного разряда и энерговклада в лазерную смесь газов, фотоионизатор выполнен в виде линейки или матрицы щелевых газоразрядных источников УФ, интенсивно излучающих в спектральном диапазоне Δλ≈115-125 нм, расположенных с внешних сторон сетчатых электродов и создающих встречные потоки фотонов через электроды, расстояние между которыми равно длине пробега фотона l_ф≈l/n_пр·σ_пр, где n_пр - концентрация присадки, σ_пр - сечение фотоионизации присадки, при этом в качестве присадок выбираются молекулярные или атомарные газы с низкой температурой кипения и потенциалом фотоионизации, не превышающим энергию фотонов.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что фотоионизатор выполнен в виде щелевых источников ультрафиолетового излучения, представляющих собой набор щелевых газоразрядных промежутков с размером щели не более 1 мм, расположенных вдоль электродов с шагом не более 1 см в виде линейки или в виде матрицы с погонной плотностью не более 1 см^-1, при этом излучающая площадь фотоионизатора составляет не менее 0,5-0,9 от площади облучаемых электродов.3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что лазерная среда представляет собой газовую смесь на основе CO₂:N₂:He с присадкой NO или NH₃, при этом концентрация СО₂ составляет n_о≤10%, а присадки n_пр<1%.4. Способ квазинепрерывного фотоионизационного возбуждения плотных лазерных сред, включающий прокачивание лазерной смеси с легкоионизуемой газовой присадкой через газоразрядную камеру вдоль сетчатых электродов, облучение газовой смеси фотонами, возбуждение горения объемного плазменного разряда, отличающийся тем, что с целью повышения устойчивости объемного разряда и энерговклада в лазерную смесь газов, период следования импульсов фотоионизации составляет величину Т_ф≤t_пл, где Т_ф - период следования импульсов фотоионизации, a t_пл - длительность распада объемной плазмы, определяемая выбором присадки, и равная t_пл=1/ν, где ν - частота прилипания электронов в случае выбора присадки NO, и t_пл=1/β·n_e, где β - коэффициент диссоциативной рекомбинации, n_е - концентрация электронов объемной плазмы в случае выбора присадки NH₃.