СПОСОБ ВОЗБУЖДЕНИЯ ГАЗОРАЗРЯДНЫХ ЛАЗЕРОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2012 года по МПК H01S3/97 

Изобретение относится к способу возбуждения газоразрядных лазеров пучками атомов или молекул тлеющего разряда.

Известен способ возбуждения газоразрядных лазеров [Солдатов А.Н. «Физика и техника лазеров на парах меди с управляемыми параметрами» // Оптика атмосферы и океана, т.6, №6, с.650-658, 1993], заключающийся в том, что путем подачи напряжения между катодом и анодом зажигают высоковольтный разряд в газоразрядной ячейке, при этом для возбуждения лазерной среды используют электроны положительного столба тлеющего разряда.

Основной недостаток этого способа возбуждения газоразрядных лазеров - доля высокоэнергичных электронов в положительном столбе тлеющего разряда мала, что снижает эффективность лазеров, работающих на высоко расположенных переходах.

Известно устройство [Солдатов А.Н. «Физика и техника лазеров на парах меди с управляемыми параметрами» // Оптика атмосферы и океана, т.6, №6, с.650-658, 1993], реализующее данный способ, содержащее катод и анод, размещенные в газоразрядной ячейке, и высоковольтный источник питания, который подсоединен к катоду и аноду, при этом между катодом и анодом находится положительный столб тлеющего разряда, электроны которого возбуждают лазерную среду.

Основной недостаток этого устройства для возбуждения газоразрядных лазеров - доля высокоэнергичных электронов в положительном столбе тлеющего разряда мала, что снижает эффективность лазеров, работающих на высоко расположенных переходах.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ возбуждения газоразрядных лазеров [Бельская Е.В., Бохан П.А., Закревский Дм.Э. «Исследование гелиевого лазера при накачке импульсным электронным пучком, генерируемым в открытом разряде» // Квантовая электроника, т.38, №9, с.823-828, 2008], заключающийся в том, что путем подачи напряжения питания между катодом и анодом зажигают высоковольтный разряд в газоразрядной ячейке, при этом катод и анод выполняют в виде полых цилиндров и располагают их соосно друг другу, причем используют сетчатый анод, а в разрядном промежутке между катодом и сетчатым анодом с меньшим диаметром, чем внутренний диаметр катода, формируют электронный пучок, электроны которого через отверстия сетчатого анода направляют в область возбуждения лазерной среды, т.е. в полость сетчатого анода.

Основной недостаток этого способа возбуждения газоразрядных лазеров - для эффективного формирования электронного пучка приходится повышать напряжение питания. В результате энергия электронов, проникающих в активную область лазера через сетчатый анод, из-за высокой скорости электронов пучка в большей мере идет на ионизацию газа, что снижает эффективность лазера.

Известно устройство [Бельская Е.В., Бохан П.А., Закревский Дм.Э. «Исследование гелиевого лазера при накачке импульсным электронным пучком, генерируемым в открытом разряде»//Квантовая электроника, т.38, №9, с.823-828, 2008], реализующее данный способ, содержащее катод и анод в виде полых цилиндров, размещенные соосно друг другу в газоразрядной ячейке, и высоковольтный источник питания, который подсоединен к катоду и аноду с меньшим диаметром, чем внутренний диаметр катода, при этом анод для вывода электронного пучка в область возбуждения лазерной среды представляет собой сетку с отверстиями 0.3 мм.

Основной недостаток этого устройства для возбуждения газоразрядных лазеров - для эффективного формирования электронного пучка приходится повышать напряжение питания. В результате энергия электронов, проникающих в активную область лазера через сетчатый анод, из-за высокой скорости электронов пучка в большей мере (≈60%) идет на ионизацию газа, что снижает эффективность лазера.

Техническим результатом изобретения является повышение эффективности лазеров за счет большей эффективности и избирательности возбуждения отдельных состояний атомов или молекул по сравнению с традиционным возбуждением электронами положительного столба тлеющего разряда или электронным пучком, сформированным в нем. Для этого возбуждение лазерной среды осуществляют пучками атомов или молекул, которые получают в процессах перезарядки ионов в сильном поле катодного падения потенциала и направляют в лазерную среду через сетчатый катод. Для дополнительного увеличения на порядки интенсивности потока пучка атомов или молекул используют вспомогательные электронные пучки, которыми осуществляют дополнительную ионизацию газа вдоль поверхности сетчатого катода внутри разрядного промежутка. На примерах Не, Не с добавкой 1% O₂, воздуха и Ar в области давлений 0.1-10 Topp продемонстрирована существенно большая эффективность, до порядка величины, возбуждения их спонтанного излучения пучками атомов или молекул по сравнению с традиционным возбуждением электронами положительного столба тлеющего разряда или электронным пучком, сформированным в нем. Высокая эффективность в сочетании с высокой избирательностью возбуждения отдельных состояний атомов и молекул, которые обеспечивает предлагаемый способ, должны существенно повысить эффективность лазеров. Возможно получение генерации на переходах атомов и молекул, на которых ранее генерация не наблюдалась. Получены потоки атомов до ~10¹⁹ на см² в сек. Использование сетчатого катода с достаточно малыми отверстиями позволило получать пучок атомов или молекул без присутствия в них обратного электронного пучка. Он может сформироваться в катодном падении потенциала вне разрядного промежутка за сетчатым катодом, из-за провисания электрического поля из разрядного промежутка через отверстия сетчатого катода.

Технический результат в предлагаемом способе возбуждения газоразрядных лазеров достигается тем, что путем подачи напряжения питания между катодом и анодом зажигают высоковольтный разряд в газоразрядной ячейке, при этом катод и анод выполняют в виде протяженных на длину лазерной среды электродов, причем используют сетчатый катод и сплошной анод, а в разрядном промежутке между анодом и сетчатым катодом формируют в сильном поле катодного падения потенциала тлеющего разряда пучок атомов или молекул, который через отверстия сетчатого катода направляют в область возбуждения лазерной среды, т.е. за сетчатый катод, вне разрядного промежутка.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для возбуждения газоразрядных лазеров, содержащем катод и анод в виде полых цилиндров, размещенных соосно друг другу в газоразрядной ячейке, и высоковольтный источник питания, который подсоединен к аноду и катоду с меньшим диаметром, чем внутренний диаметр сплошного анода, при этом катод для вывода пучка атомов или молекул в область возбуждения лазерной среды представляет собой сетку с малыми отверстиями, исключающими проникновение в область дрейфа пучка атомов или молекул электрического поля, достаточного для формирования электронного пучка (обратный электронный пучок) в сторону распространения пучка атомов или молекул.

Технический результат достигается также в предлагаемом способе возбуждения газоразрядных лазеров тем, что путем подачи напряжения питания между катодом и анодом зажигают высоковольтный разряд в газоразрядной ячейке, при этом катод и анод выполняют в виде протяженных на длину лазерной среды электродов, причем используют сетчатый катод и сплошной анод, а в разрядном промежутке между анодом и сетчатым катодом формируют в сильном поле катодного падения потенциала тлеющего разряда пучок атомов или молекул, который через отверстия сетчатого катода направляют в область возбуждения лазерной среды, т.е. за сетчатый катод, вне разрядного промежутка, при этом в промежуток между сетчатым катодом и анодом осуществляют дополнительный приток ионов, причем дополнительный приток ионов между сетчатым катодом и анодом обеспечивают дополнительной ионизацией газа у поверхности сетчатого катода вспомогательными электронными пучками, электроны которых ускоряют в сильном поле высоковольтного разряда.

Технический результат достигается тем, что в устройстве содержащим катод и анод в виде полых цилиндров, размещенных соосно друг другу в газоразрядной ячейке, и высоковольтный источник питания, который подсоединен к аноду и катоду с меньшим диаметром, чем внутренний диаметр сплошного анода, при этом катод для вывода пучка атомов или молекул в область возбуждения лазерной среды представляет собой сетку с малыми отверстиями, исключающими проникновение в область дрейфа пучка атомов или молекул электрического поля, достаточного для формирования обратного электронного пуча в сторону распространения пучка атомов или молекул, а в разрядном промежутке к поверхности сетчатого катода примыкает электрически подсоединенный к нему ряд кольцевых электродов с внутренним диаметром, равным внешнему диаметру цилиндрического сетчатого катода. С боковых стенок кольцевых электродов формируют вспомогательные электронные пучки, обеспечивающие дополнительную однородную ионизацию газа. Область дрейфа пучка атомов или молекул заполняет внутреннюю область цилиндрического сетчатого катода.

Сущность предложенного изобретения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми фигурами.

На фиг.1 приведена схема предлагаемого устройства с соосно расположенными цилиндрическими анодом и сетчатым катодом.

На фиг.2 изображен вариант предлагаемого устройства, в котором к поверхности сетчатого катода примыкает электрически подсоединенный к нему ряд кольцевых электродов с внутренним диаметром, равным внешнему диаметру цилиндрического сетчатого катода.

На фиг.3 изображено устройство, с которым проводились опыты для сравнительного анализа характеристик разряда и спонтанного излучения, возбуждаемого электронным пучком, электронами положительного столба тлеющего разряда и пучком атомов или молекул. Там же приведена схема измерений параметров разряда. Использовались плоские сетчатые анод и катод в виде дисков, а дополнительная ионизация у поверхности плоского сетчатого катода могла осуществляться подключением кольцевого электрода к плоскому сетчатому катоду. Сетчатый анод служил для вывода основного электронного пучка в область его дрейфа.

На фиг.4 приведен пример осциллограмм напряжения, тока разряда и интенсивностей спонтанного излучения, возбуждаемого пучком атомов гелия при давлении гелия p_He=3.3 Topp с примесью 1% O₂, для устройства, представленного на фиг.3. с кольцевым электродом, электрически подсоединенным к плоскому сетчатому катоду.

На фиг.5 приведен пример осциллограмм напряжения, тока разряда и интенсивности спонтанного излучения, возбуждаемого атомами гелия при давлении гелия p_He=3.3 Topp с примесью 1% О₂, для устройства, представленного на фиг.3 с кольцевым электродом, не подсоединенным к плоскому с сетчатому катоду.

На фигурах показаны: 1 - высоковольтный источник питания; 2 - сетчатый катод с внутренним диаметром - D_c; 3 - анод; d - длина разрядного промежутка; 4 - ряд кольцевых электродов высотой - δ, электрически подсоединенных к сетчатому катоду - 2; 5 - плоский сетчатый катод с отверстиями 0.16 мм и с прозрачностью 0.67; 6 - сетчатый анод с отверстиями 0.5 мм и с прозрачностью 0.56; 7 - кольцевой электрод для дополнительной ионизации газа; 8 - диэлектрическая пластина толщиной 2.4 мм с отверстием 22 мм, разделяющая плоский сетчатый катод - 5 с кольцевым электродом - 7; 9, 10 - диэлектрические пластины толщиной по 3 мм с отверстиями 22 мм, прикрывающие плоский сетчатый катод с внешней стороны разрядного промежутка d=15 мм и плоскую часть кольцевого электрода - 7 толщиной 4 мм; 11 - коллектор для основного электронного пучка, размещенный на расстоянии 25 мм от сетчатого анода - 6; 12 - электрод для тлеющего разряда между ним и плоским сетчатым катодом - 5 с расстоянием между ними 41 мм; 13 - переключатель для подключения кольцевого электрода - 7 к плоскому сетчатому катоду - 5; 14 - переключатель для заземления электрода - 12 через сопротивление R4 для измерения тока разряда между плоским сетчатым катодом - 5 и электродом - 12; R1, R2 - резистивный делитель для измерения напряжения; R3 - сопротивление для измерений тока разряда между сетчатым анодом - 6 и плоским сетчатым катодом - 5; 15, 16, 17, 18 - осциллограммы напряжения - U, тока - j и интенсивности излучения - Р, возбуждаемого пучком атомов Не вне разрядного промежутка - d, вблизи - 17 плоского сетчатого катода - 5 и на расстоянии 14,5 мм от него - 18 при разряде в гелии давлением p_He=3.3 Topp с примесью 1% O₂ для устройства, фиг.3, D_c=22 мм; 19, 20, 21 - осциллограммы напряжения - U, тока - j и интенсивности излучения - Р, возбуждаемого пучком атомов Не вне разрядного промежутка - d при разряде в гелии давлением p_He=3.3 Topp с примесью 1% О₂ для устройства, фиг.3, и кольцевым электродом - 7, не подсоединенным к плоскому сетчатому катоду - 5.

Рассмотрим потенциальные возможности предлагаемого способа возбуждения газовых лазеров: пучком атомов или молекул тлеющего разряда.

Тлеющий разряд поддерживается ионизацией газа электронами и обратной связью - эмиссией электронов с катода. В нормальном тлеющем разряде преобладает потенциальная эмиссия от ионов. С повышением напряжения горения разряда U_D (аномальный разряд) дополнительно начинает проявлять себя кинетическая эмиссия от ионов и быстрых атомов или молекул при перезарядке ионов в катодном падении потенциала (КПП). В источниках электронных пучков (ЭП) на тлеющем разряде с КПП в несколько единиц кВ и выше атом - электронная эмиссия становится преобладающей.

В существующих газоразрядных лазерах для возбуждения атомов используются электроны положительного столба тлеющего разряда, в которых доля высокоэнергичных электронов мала, что снижает эффективность лазеров, работающих на высоко расположенных переходах. В лазерах на ЭП тлеющего разряда, например открытого разряда с сетчатым анодом и малым разрядным промежутком d~1 мм, для эффективного формирования ЭП приходится повышать U_D. В результате ЭП, проникая в активную область лазера через сетчатый анод, из-за высокой скорости электронов пучка недостаточно эффективно взаимодействует с газом.

Покажем, что в определенных условиях предлагаемый способ возбуждения газовых лазеров пучком атомов или молекул тлеющего разряда много эффективнее, чем традиционное возбуждение электронами положительного столба тлеющего разряда или ЭП, сформированным в нем.

Проанализируем исходные предпосылки такого утверждения.

Характер столкновений атомов или молекул (налетающий атом или молекула может находиться в ионизованном состоянии) определяет параметр Месси: (a·ΔЕ)/(vh), где а - эффективная область взаимодействия между сталкивающимися атомами или молекулами; v, АЕ - относительная скорость и изменение внутренней энергии сталкивающихся частиц, h - постоянная Планка. Критерий Месси:

- ставит условия эффективного возбуждения (ионизации) атомов или молекул. Если (а·ΔЕ)/(vh)<<1 - столкновение адиабатическое.

Результат столкновений, при прочих равных условиях, определяется скоростью v. Поэтому для возбуждения атомов или молекул быстрыми тяжелыми частицами (атомами или молекулами) их энергия должна быть значительно выше, чем при возбуждении электронами. Так, при столкновении быстрого иона Не с атомом Ar и образовании иона Ar в состоянии 4р ³P, когда ΔЕ=11.1 эВ, согласно (1) потребуется кинетическая энергия иона Не-Е_М≈14 кэВ. В опытах же сечение этого процесса, на порядок большее (σ=10^-17 cм²), чем при 14 кэВ, достигается при Е всего 20 эВ [D.Jaecks, F.J.De Heer, A.Salop // Physica, v.36, №4, с.606-619, 1967].

Причина нарушения критерия Месси - он не учитывает молекулярные комплексы, образующиеся при сближении атомов. Возбуждение возможно и при малых Е в области а, где потенциальные кривые комплексов сближены.

Другой пример. Возбуждение 3 ³D состояния Не быстрым атомом Не в основном состоянии, когда Е_М≈50 кэВ. В опытах же максимум сечения приходится на Е=400 эВ [С.Ю.Курсков, А.Д.Хахаев // Известия АН СССР, т.53, №9, с.1689-1696, 1989]. Если налетающий атом Не находится в метастабильном состоянии 2 ³S, сечение возбуждения 3 ³D возрастает на 2 порядка, до σ=10^-16 см² и достигается при Е=300 эВ [В.А.Гостев, Д.В.Елаховский, А.Д.Хахаев. // Оптика и спектроскопия, т.52, №5, 909-910, 1982].

При столкновении может происходить возбуждение обеих сталкивающихся частиц.

Возникает вопрос: может ли пучок атомов или молекул тлеющего разряда эффективно возбуждать лазерные среды. Для ответа на вопрос следует сравнить характеристики разряда и излучения от возбуждения газа быстрыми атомами или молекулами и традиционными способами - электронами положительного столба тлеющего разряда или ЭП, сформированным в нем. Предварительно уже можно сделать ряд заключений.

В качестве примера обратимся к возбуждению газа быстрыми атомами аномального разряда в Не в условиях нарушения критерия Месси и небольших U_D~1 кВ.

При U_КПП в несколько кВ в КПП происходит примерно 20 перезарядок. Энергия образующихся в КПП быстрых атомов лежит в пределах от десятков до сотен эВ (в малых разрядных промежутках до ≈0.1 от eU_D), что в условиях нарушения критерия Месси соответствует максимальным значениям возбуждения отдельных уровней атомов. Промежуток d считаем малым, если он не намного превышает длину l_cf области КПП, т.е. когда практически все напряжение на разрядном промежутке сосредотачивается в КПП. В аномальном разряде в Не - p_He·l_cf=0.48 Торp·см.

Эффективность формирования ЭП в сторону анода для обсуждаемых условий не столь велика.

В условиях высокой прозрачности катода основная энергия разряда будет сосредоточена в быстрых атомах или, если разряд происходит в молекулярном газе, молекулах. Пучок атомов или молекул, проникая в область дрейфа, вместо того чтобы греть катод, будет эффективно возбуждать газ.

При возбуждении атомами или молекулами небольшой энергии спектр излучения с высокой светимостью обеднен и зависит от наличия ограниченного числа псевдопересечений соответствующих потенциальных кривых при сближении атомов или молекул. Этим существенно повышается избирательность в возбуждении отдельных уровней атомов или молекул.

Как видно, быстрые атомы тлеющего разряда могут оказаться эффективным источником избирательного возбуждения выделенных уровней атомов. Это в полной мере относится и к возбуждению, например, молекул пучком молекул. Покажем это в эксперименте.

Опыты проводились с устройством, представленным на фиг.3, и питанием от искусственной формирующей линии (ИЛ), которая обеспечивала на согласованном с ней сопротивлении нагрузки импульс напряжения продолжительностью t_l≈800 нс. Частота следования импульсов 300 Гц.

В устройстве фиг.3 кольцевой электрод - 7 толщиной 4 мм отделялся диэлектрическим кольцом - 8 толщиной 2.4 мм от плоского сетчатого катода - 5 (К) прозрачностью 0.67 и отверстиями в нем 0.16 мм. Подключение кольцевого электрода - 7 к плоскому сетчатому катоду - 5 обеспечивало дополнительную ионизацию вспомогательным электронным пучком (ЭП1), распространяющимся с внутренней поверхности кольцевого электрода - 7 над поверхностью плоского сетчатого катода - 5. На расстоянии d=15 мм от плоского сетчатого катода располагался сетчатый анод - 6 (А) с прозрачностью 0.56 и отверстиями 0.5 мм для вывода в область дрейфа основного электронного пучка (ЭП) - 25 мм, ограниченную коллектором - 11. Область дрейфа для пучка атомов или молекул - 41 мм ограничивалась электродом - 12 (Э). Металлические элементы катодного узла прикрывались диэлектрическими кольцами - 9, 10, что ограничивало диаметр сечения разряда - 22 мм. Сравнительные характеристики спонтанного излучения, интегрального по спектру, исследовались при возбуждении газа разрядом в промежутке плоский сетчатый катод (5) - электрод (12), который заземлялся переключателем - 14 через R4, а ЭП и быстрыми атомами при подаче напряжения U на промежуток сетчатый анод (6) - плоский сетчатый катод (5).

Для регистрации распределения спонтанного излучения вдоль ячейки (путем ее перемещения по оси) изображение исследуемой ячейки с помощью линзы проецировалось на кремниевый фотодиод. Опыты проводились в Не, в Не с добавкой 1% O₂, в воздухе и в Ar.

На фиг.4 приведены типичные осциллограммы U - 15, j - 16 и интенсивности излучения Р, возбуждаемого пучком атомов: вблизи - 17 (Р₀) плоского сетчатого катода - 5 и на расстоянии 14.5 мм от него - 18 (Р_14.5). Амплитудные значения Р₀ и Р_14.5 приведены к одной величине. Разряд в Не - 3.3 Торp с примесью 1% O₂ при дополнительной ионизации, т.е. с подключением кольцевого электрода - 7 к плоскому сетчатому катоду - 5 с помощью переключателя - 13.

В режиме дополнительной ионизации с ростом амплитудного значения напряжения питания U_a повышалось UD, j - 16 и Р. Начиная с определенного значения U_a, увеличение U_a не меняло U_D, но сопровождалось дальнейшим ростом j - 16 и Р.

В устройстве фиг.3 без дополнительной ионизации не удалось согласовать сопротивления ИЛ и разряда, из-за требуемых для этого слишком больших напряжений, при которых терялась устойчивость разряда. Поэтому исследования проводились с той же ИЛ, но в режиме отражений импульса напряжения, фиг.5. Разряд в Не - 3.3 Topp с примесью 1% О₂. На осциллограмме U - 19 результат отражения импульса напряжения (вертикальные черточки) показан только в начале разряда. Осциллограмма интенсивности излучения Р - 21, вызванного возбуждением атомами, не повторяет форму осциллограммы тока - 20. Из-за большого времени послесвечения спонтанного излучения при разряде в Не с примесью 1% O₂ происходит накопление атомов или молекул в возбужденном состоянии.

Сравнительные характеристики спонтанного излучения Р исследовались при возбуждении газа ЭП и быстрыми атомами подачей U_a на промежуток А-К, а разрядом на К-Э. Масштаб Р, исходная амплитуда зарядки ИЛ - U_a=4.9 кВ и давление Не - 3.3 Top были одинаковы. С дополнительной ионизацией и без нее соотношения между Р составили: P_D:Р_ЕВ:Р_А=3:7:35 и P_D:Р_ЕВ:P_A=3:2:5. P_D - соответствует разряду между К-Э; Р_ЕВ, Р_А - интенсивности излучения от возбуждения газа ЭП и пучком атомов при разряде в промежутке А-К. При переходе к режиму с дополнительной ионизацией снизилось напряжение горения разряда UD в максимуме Р с 4.2 до 2.4 кВ и увеличился ток j с 0.17 до 4 А/см². Для разряда между К-Э - U_D=3.9 кВ, j=0.3 А/см². Для разряда с устройством фиг.3 в промежутке А-К без дополнительной ионизации и в промежутке К-Э при U_D=2.4 кВ (что соответствовало UD при разряде с дополнительной ионизацией) интенсивность излучения лежала вне порога чувствительности регистрирующей аппаратуры.

Качественно картина с преобладанием излучения и с иным спектром (это было заметно по резкому различию цвета излучения) при возбуждении пучком атомов или молекул по сравнению с возбуждением ЭП и электронами положительного столба тлеющего разряда сохранялась во всех опытах. Для Не до 10 Topp. С дополнительной ионизацией в воздухе давлением 1.8 Topp - Р_ЕВ:P_A=8:47. В Ar с дополнительной ионизацией при давлении - 0.1 Topp терялась устойчивость разряда. В Ar l_cf в 5 раз меньше, чем в Не, что приводит к росту поля у поверхности плоского сетчатого катода - 5 и к большему его проникновению в отверстия плоского сетчатого катода - 5.

Дополнительное замечание о происхождении излучения. При перезарядке быстрые атомы могут оказаться в возбужденном состоянии. Не является ли наблюдаемое излучение результатом высвечивания таких атомов или молекул? При энергии быстрых атомов или молекул в опытах от десятков до сотен эВ и выше потери энергии на упругие столкновения пренебрежимо малы и не могли сказываться на длине пробега атомов или молекул. В опытах же эта длина падает с уменьшением U_D. Следовательно, определяющий вклад в излучение дают атомы или молекулы, возбужденные в столкновениях. Это не исключает того, что быстрые атомы или молекулы могут поступать в область дрейфа, находясь, например, в метастабильных состояниях.

Неустойчивость разряда для предложенного способа, ограничивающая диапазон рабочих U, р, и длительности τ разряда связана с переходом разряда в искру. Основная причина неустойчивости появление искры напрямую с сетчатого катода на анод из-за провисания электрического поля через отверстия сетчатого катода, достаточного для формирования КПП вне разрядного промежутка, что сопровождается резким ростом тока разряда.

Параметры разряда зависят от сорта газа, его давления, напряжения питания, длительности τ разряда. Например, в Ar l_cf в 5 раз меньше, чем в Не, что приводит к росту поля у поверхности сетчатого катода и к большему его проникновению в отверстия катода. Для повышения рабочего давления с подавлением обратного электронного пучка внутри пучков атомов или молекул за счет провисания поля в область дрейфа следует использовать более мелкую катодную сетку. Уменьшая длительности τ разряда можно за счет повышения U_D на порядок увеличить амплитудные значения тока и потока атомов или молекул. Число кольцевых электродов - 4 выбирается из требуемой протяженности лазерной среды. Расстояние между двумя соседними кольцевыми электродами ограничено длиной L пробега электронов вспомогательного электронного пучка над поверхностью сетчатого катода, которая, очевидно, должна быть ≥D/2. Определить длину пробега электронов - L с энергией eU_e=(100-10⁴) эВ можно по формуле:

p_HeL=6.5·10^-4·(eU_e)^1.54 Торp·см, а оценить - заменой U_e на U_D.

Устройство, фиг.1, содержит: сетчатый катод - 2 с внутренним диаметром - D_c и анод - 3, которые образуют разрядный промежуток - d, к которому подключен высоковольтный источник питания - 1. Все эти элементы помещены в единую газоразрядную ячейку. Устройство, фиг.2 дополнительно содержит ряд кольцевых электродов - 4, электрически подсоединенных к сетчатому катоду - 2.

Предложенные устройства работают следующим образом. Газоразрядную ячейку заполняют рабочим газом. Путем подачи напряжения от высоковольтного источника питания - 1 на сетчатый катод - 2 и анод - 3 зажигают разряд в промежутке d, и в сторону сетчатого катода распространяется пучок атомов или молекул, используемый в области - D_c за сетчатым катодом - 2 по назначению. Для устройства фиг.2 дополнительно формируют вспомогательные электронные пучки между кольцевыми электродами - 4 с расстояниями D между ними для дополнительной ионизации газа, что позволяет дополнительно увеличить поток пучка атомов или молекул в область D_c.

Использование предлагаемого изобретения, в котором реализуется принципиально новый способ возбуждения газовых лазеров, - пучком атомов или молекул тлеющего разряда, в сравнении с аналогом и прототипом, позволяет существенно повысить эффективность возбуждения отдельных уровней атомов и, следовательно, лазеров, используя пучки атомов или молекул тлеющего разряда, по сравнению с традиционным возбуждением электронами положительного столба тлеющего разряда или электронным пучком, сформированным в нем. Для давлений в Не до 10, в воздухе до 2, в Ar до 0.1 Topp. Для повышения рабочего давления с подавлением электронного пучка внутри пучка атомов или молекул за счет провисания поля в область дрейфа атомов следует использовать более мелкую катодную сетку. Высокая избирательность возбуждения отдельных уровней атомов позволяет достигнуть эффективной генерации с них, в том числе на ранее свободных от генерации. Наилучшие результаты получены в разряде с дополнительной ионизацией, которую можно регулировать, изменяя высоту 5 кольцевых электродов - 4, и, следовательно, менять ток разряда и поток пучка атомов или молекул. Для некоторых лазерных сред может оказаться более эффективным одновременное возбуждение пучком атомов или молекул и обратным электронным пучком. В этом случае не следует стремиться к использованию слишком малых отверстий в сетчатом катоде. Для реализации предложенных способов возбуждения газоразрядных лазеров можно также использовать анод и сетчатый катод в виде плоских протяженных на длину лазерной среды электродов. Продольное сечение такой газоразрядной ячейки будет выглядеть как первая проекция на фиг.1 или фиг.2. В последнем случае кольцевые электроды - 4 заменяются на плоские пластины. Можно также использовать лишь одну пару плоских электродов - анода и сетчатого катода. Такие пучки могут найти и иные применения, например, для имплантации атомов в поверхность твердого тела или в плазмохимии. При разряде в газе, содержащем атомы и молекулы, пучок будет представлять собой смесь быстрых атомов и молекул.

Имеющиеся сведения по возбуждению конкретных атомов или молекул пучком атомов или молекул скудны и не охватывают область повышенного давления. Для тлеющего разряда такие сведения вовсе отсутствуют. Решающая роль в этом направлении исследований принадлежит эксперименту.

Способ заключается в том, что путем подачи напряжения питания между катодом и анодом зажигают высоковольтный разряд в газоразрядной ячейке. При этом катод и анод выполняют в виде протяженных электродов на длину лазерной среды, причем используют сетчатый катод и сплошной анод. В разрядном промежутке между сплошным анодом и сетчатым катодом формируют в сильном поле катодного падения потенциала тлеющего разряда пучок атомов или молекул, который через отверстия сетчатого катода направляют в область возбуждения лазерной среды, за сетчатый катод, вне разрядного промежутка. Устройство содержит высоковольтный источник питания, а также катод и анод, в виде полых цилиндров, размещенных соосно друг другу в газоразрядной ячейке. При этом катод выполнен с меньшим диаметром, чем внутренний диаметр сплошного анода. Катод для вывода пучка атомов или молекул в область возбуждения лазерной среды представляет собой сетку с малыми отверстиями, исключающими проникновение в область дрейфа пучка атомов или молекул электрического поля, достаточного для формирования обратного электронного пучка в сторону распространения пучка атомов или молекул. Технический результат заключается в повышении эффективности лазера за счет большей эффективности и избирательности возбуждения отдельных состояний атомов или молекул. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ возбуждения газоразрядных лазеров, заключающийся в том, что путем подачи напряжения питания между катодом и анодом зажигают высоковольтный разряд в газоразрядной ячейке, отличающийся тем, что катод и анод выполняют в виде протяженных электродов на длину лазерной среды, причем используют сетчатый катод и сплошной анод, а в разрядном промежутке между сплошным анодом и сетчатым катодом формируют в сильном поле катодного падения потенциала тлеющего разряда пучок атомов или молекул, который через отверстия сетчатого катода направляют в область возбуждения лазерной среды, за сетчатый катод, вне разрядного промежутка.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в промежуток между сетчатым катодом и сплошным анодом осуществляют дополнительный приток ионов, причем дополнительный приток ионов между сетчатым катодом и сплошным анодом обеспечивают дополнительной ионизацией газа у поверхности сетчатого катода вспомогательными электронными пучками, электроны которых ускоряют в сильном поле высоковольтного разряда.

3. Устройство для возбуждения газоразрядных лазеров, содержащее катод и анод, в виде полых цилиндров, размещенных соосно друг другу в газоразрядной ячейке, и высоковольтный источник питания, который подсоединен к аноду и катоду, отличающееся тем, что катод выполнен с меньшим диаметром, чем внутренний диаметр сплошного анода, причем катод для вывода пучка атомов или молекул в область возбуждения лазерной среды представляет собой сетку с малыми отверстиями, исключающими проникновение в область дрейфа пучка атомов или молекул электрического поля, достаточного для формирования обратного электронного пучка в сторону распространения пучка атомов или молекул.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что в разрядном промежутке к поверхности сетчатого катода примыкает электрически подсоединенный к нему ряд кольцевых электродов с внутренним диаметром, равным внешнему диаметру цилиндрического сетчатого катода, причем с боковых стенок кольцевых электродов формируют вспомогательные электронные пучки, обеспечивающие дополнительную однородную ионизацию газа, а область дрейфа пучка атомов или молекул заполняет внутреннюю область цилиндрического сетчатого катода.