УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ МОЩНЫХ КОРОТКИХ ИМПУЛЬСОВ CO Российский патент 2018 года по МПК H01S3/134 

Изобретение относится к области физики и техники лазеров и может быть использовано для генерации мощных коротких импульсов CO₂ лазером, под которыми в настоящее время принято понимать устройства с выходным импульсом наносекундного и субнаносекундного масштаба длительности и пиковой мощностью более или порядка 1 ГВт [Р. Ровинский. Мощные технологические лазеры: http://remrovinsky.com/books/laser/lasery.pdf], [Г.А. Баранов, А.А. Кучинский. Мощные импульсные СО₂ лазеры высокого давления и их применение: http://www.mathnet.ru/linh/e6fb7b16230ab79ef82313cbeb936a63/qe2856.pdf]. Такие лазеры находят широкое применение в исследовании плазмы, генерации многозарядных ионов в инжекторах ускорителей, экспериментах в области молекулярной физики, в частности диссоциации молекул, инициирования и диагностики химических реакций, требующих высокой интенсивности ИК-излучения. Поскольку для СО₂ лазерных устройств (в генераторном или усилительном варианте) с одинаковой энергетикой накачки извлекаемая энергия излучения относительно слабо зависит от длительности импульса, проблема получения импульсов лазера высокой мощности непосредственно связана со способами укорочения длительности излучения тем или иным способом. В соответствии с динамикой излучения в режиме свободной генерации типичная форма импульсов CO₂ лазера представляет собой пик длительностью (30÷150) нс с последующим «хвостом» низкоинтенсивного излучения, продолжающегося в течение нескольких микросекунд. Вместе с тем, получившие наиболее широкое распространение CO₂ лазерные устройства с разрядом атмосферного давления позволяют, в принципе, формировать импульсы длительностью до (150÷200) пс, в соответствии с шириной полосы усиления, составляющей (5÷7) ГГц для разных составов смеси CO₂/N₂/He.

В качестве аналогов выбраны наиболее близкие по способам и технике устройства, поскольку они обладают существенными признаками, совпадающими с признаками предлагаемого изобретения.

Известно устройство для управления длительностью импульса CO₂ лазера [Макаров Г.Н. Управление длительностью импульсов СО₂ лазера с помощью ячейки с поглощающим ИК-излучение газом в резонаторе. Квант, электр., 13, 8, 1665, (1986)], базирующееся на способе укорочения длительности импульса, излучаемого в режиме свободной генерации. Оно представляет собой импульсный CO₂ лазерный генератор, в резонаторе которого селективного или неселективного типа размещается ячейка с нелинейно поглощающим ИК-излучение газом, молекулы которого обладают положительным энгармонизмом. Спектр поглощения таких молекул смещается в «красную» сторону при ее колебательном возбуждении под действием излучения. При соответствующем выборе поглощающего газа и линии генерации лазера можно обеспечить условия нарастания коэффициента поглощения внутрирезонаторной ячейки по мере нарастания интенсивности излучения. Это приводит к более раннему срыву генерации и сокращению длительности генерируемого импульса. Так удается сократить длительность импульса до (30÷40) нс без уменьшения его пиковой мощности.

Недостатком устройства является недостаточный эффект уменьшения длительности генерируемого импульса и незначительное увеличение его мощности.

Известно устройство для повышения мощности импульса CO₂ лазера, использующее способ усиления импульса, предварительно полученного в генераторе [J.-L. Lachambre, J. Gilbert, F. Rheault, R. Fortin, M. Blanchard. Performance characteristics of a TEA double-discharge grid amplifier. IEEE Journal of Quantum Electronics, V 9, №4, Apr 1973, 459], основными элементами которого являются задающий генератор, работающий в режиме свободной генерации, и усилитель. При увеличении длины усилителя в соответствии с энергией насыщения активной среды и коэффициентом усиления слабого сигнала может достигаться увеличение энергии и мощности входного импульса.

Недостатками устройства, которое можно назвать схемой прямого усиления, являются:

1. Отсутствие сокращения длительности импульса. Фронт нарастания импульса задающего генератора, работающего в режиме свободной генерации, описывается экспоненциальным законом и в процессе насыщенного усиления не меняется, а только передвигается вперед по фронту, как показано расчетно-теоретически в [Крюков П.Г., Летохов B.C. Распространение импульса света в резонансно-усиливающей (поглощающей) среде. Усиливающая среда. Некогерентное взаимодействие. УФН, 99 (2), 169-227, 1969, УФН, 99 (2), 169-227, 1969].

2. Ограниченное увеличение пиковой мощности: несмотря на увеличение выходной энергии импульса пропорционально длине усилителя, мощность пика импульса стремится к некоторому предельному значению, т.е. после прохождения определенной длины усиления приобретает стационарное значение [там же].

Известно устройство [Сатов Ю.А., Шумшуров А.В., Балабаев А.Н., Турчин В.И. Устройство и способ для формирования мощных импульсов СО₂ лазером. Патент РФ 2541724, публикация 20.02.2015, Бюл. №5] для формирования мощных импульсов CO₂ лазером, содержащее одномодовый задающий генератор, работающий на линии Р(20) 10-мкм полосы усиления молекулы CO₂, оптическую схемы геометрического преобразования пучка задающего генератора для согласования с параметрами трехпроходового конфокального телескопа, внутри и на оси которого последовательно размещены активная среда усилителя и резонансно-поглощающая ячейка со смесью SF₆+N₂. Для обеспечения достаточного поглощения излучения длина ячейки варьируется в интервале (0.5÷1.5) м, а концентрация SF₆ устанавливается равной 1÷5 мм рт.ст. при полном давлении смеси, равном атмосферному. Коэффициент увеличения осевого конфокального телескопа устанавливается достаточно большим (8÷10), чтобы в практически интересных случаях устранить самовозбуждение активной среды усилителя.

Работа устройства основана на способе усиления импульса лазера, на фронте которого формируется крутой участок нарастания за счет нелинейно-поглощающей ячейки. В процессе насыщенного усиления такого импульса одновременно с увеличением его энергии происходит сокращение его длительности [Макаров К.Н., Малюта Д.Д., Рерих В.К., Сатов Ю.А., Смаковский Ю.Б., Степанов А.Е., Хоменко С.В. Исследование динамики распространения импульсов СО₂ лазера в цепочке нелинейных поглощающих и усиливающих сред. Квантовая электроника, 2001, 31, 1, стр. 23-29]. Таким образом, нарастание пиковой мощности импульса при таком способе усиления особенно эффективно. Динамика взаимодействия излучения с резонансно-усиливающей средой такова, что увеличение выходной мощности тем выше, чем более близок к «ступеньке» закон нарастания фронта входного импульса. Для «обострения» фронта импульса излучения в устройстве-прототипе используется резонансно-поглощающая среда достаточной плотности, чтобы в достаточной мере воздействовать на форму импульса задающего генератора, работающего в режиме свободной генерации.

Недостатками этого технического решения являются:

1. Ограниченный эффект обострения фронта импульса задающего генератора и, соответственно, результат нарастания его интенсивности в усилителе. Давление и состав смеси поглощающей ячейки в прототипе вынужденно выбираются оптимальными с точки зрения получения заметного (20%÷30% от энергии задающего генератора) поглощения фронтальной части входного импульса и одновременно значительного увеличения скорости нарастания излучения в момент насыщения поглощения (просветления) ячейки. Эти цели достигаются при различных условиях: поглощенная энергия нарастает с увеличением интенсивности насыщения, и момент наибольшего обострения сдвигается ближе к пику импульса, а скорость просветления смеси, т.е. крутизна проходящего импульса, увеличиваются при сокращении интенсивности насыщения. Интенсивность насыщения в условиях столкновительного уширения спектральной линии пропорциональна квадрату полного давления смеси [Крюков П.Г., Летохов B.C. Распространение импульса света в резонансно-усиливающей (поглощающей) среде. Поглощающая среда. Некогерентное взаимодействие. УФН, 99 (2), 169-227, 1969, УФН, 99 (2), 169-227, 1969], т.е. одна из целей достигается при увеличении полного давления, а другая - при его уменьшении. Оптимальные условия для ячейки указанной длины возникают примерно при атмосферном давлении поглощающей смеси.

2. Нестабильность выхода от «выстрела к выстрелу», связанная с многопроходовым характером работы поглощающей ячейки. Способ работы устройства предполагает использование «насыщающегося» участка характеристики поглощения (зависимости коэффициента поглощения от интенсивности импульса), поэтому незначительные изменения входной мощности задающего генератора и коэффициента усиления активной среды значительно нарастают с номером прохода и могут приводить к смещениям «рабочей точки» ячейки и вызывать нежелательные изменения выходных параметров устройства.

Техническим результатом предложенного изобретения является, во-первых, увеличение крутизны входного в усилитель импульса и, как следствие, интенсивности формируемого устройством импульса излучения, во-вторых, устранение нестабильности работы устройства.

Для достижения указанного результата предложено устройство для формирования мощных коротких импульсов CO₂ лазером, содержащее одномодовый задающий генератор, работающий на линии Р(20) 10-мкм полосы усиления молекулы CO₂, оптическую схему геометрического преобразования пучка задающего генератора, активную среду CO₂ усилителя, в которой организованы три прохода излучения с помощью осевого конфокального телескопа с увеличением не менее 10, поглощающую ячейку длиной 1.5 м с резонансно-поглощающим газом SF₆ в смеси с N₂, при этом поглощающая ячейка расположена после задающего генератора и выполнена из трех последовательно расположенных изолированных секций равной длины, наполненных газами независимо и разделенных прозрачными для ИК-излучения окнами.

Также полное давление газовой смеси в первой секции поглощающей ячейки равно атмосферному, а величину парциального давления газа SF₆ в ней выбирают так, что поглощенная доля излучения составляет (15÷20)% от энергии задающего генератора, при этом величина полного давления в каждой последующей секции поглощающей ячейки вчетверо меньше, чем в предыдущей секции, а величина парциального давления газа SF₆ в каждой последующей секции поглощающей ячейки в два раза выше, чем в предыдущей секции.

Для достижения вышеуказанного технического результата предложен способ формирования мощных коротких импульсов СО₂ лазера, заключающийся в том, что излучение задающего одномодового генератора, работающего на линии Р(20) 10-мкм полосы усиления молекулы СО₂, предварительно проводят через трехсекционную поглощающую ячейку с резонансно-поглощающим газом SF₆ в смеси с N₂, а затем через трехпроходовый осевой конфокальный телескопический усилитель, при этом полное давление газовой смеси в первой секции поглощающей ячейки равно атмосферному, а величину парциального давления газа SF₆ в ней выбирают так, что поглощенная доля излучения составляет (15÷20)% от энергии задающего генератора, при этом величина полного давления в каждой последующей секции поглощающей ячейки вчетверо меньше, чем в предыдущей секции, а величина парциального давления газа SF6 в каждой последующей секции поглощающей ячейки в два раза выше, чем в предыдущей секции.

Этот результат достигается за счет того, что в предлагаемом устройстве (см. чертеж), содержащем, как и прототип, одномодовый задающий генератор 1, резонансно-поглощающую ячейку 2 и активную среду усилителя 5, в которой организуется три прохода излучения с помощью осевого трехпроходового конфокального телескопа, образованного большим 4 и малым 6 зеркалами, и схемы геометрического преобразования пучка задающего генератора 3, вносятся следующие технические изменения:

1. Поглощающая ячейка располагается сразу после задающего генератора и выполняется из трех равных по длине последовательно расположенных секций, наполняемых газами независимо и разделенных прозрачными для ИК-излучения окнами. Полная длина ячейки выбирается, как и в прототипе, максимальной, ограничиваемой расходимостью излучения задающего генератора, что в практически интересных случаях составляет ~1.5 м.

2. Наполнение ячеек смесью SF₆+N₂ выполняется следующим образом:

2.1 полное давление в первой секции поглощающей ячейки равно атмосферному, а величина парциального давления газа SF₆ в ней выбирается так, чтобы поглощенная доля излучения составляла (15÷20)% от энергии задающего генератора;

2.2 величина полного давления в каждой последующей секции поглощающей ячейки устанавливается вчетверо меньшей, чем в предыдущей секции, а парциальное давление SF₆ в каждой последующей секции в два раза выше, чем в предыдущей секции.

Коэффициент увеличения конфокального телескопа, определяемого отношением радиусов кривизны большого и малого зеркал, как и в прототипе, устанавливается достаточно большим (≥10), чтобы устранить самовозбуждение усилителя.

В качестве задающего генератора используется, как и в прототипе, типичный CO₂ лазер, аналогичный описанному в [Ю.А. Сатов, Б.Ю. Шарков, Н.Н. Алексеев, А.В. Шумшуров, А.Н. Балабаев, С.М. Савин, А.Д. Белокуров, И.А. Хрисанов, К.Н. Макаров. Стабилизированный СО₂ лазер импульсно-периодического действия для лазерно-плазменного генератора высокозарядных ионов. ПТЭ, №2, 1-9, 2012].

Новые физические свойства в предложенном изобретении возникают в результате того, что необходимые при работе данного устройства преобразования формы импульса задающего генератора, состоящие в одновременном поглощении значительной энергии начальной части импульса и увеличении закона роста излучения, проводятся независимо в разных секциях поглощающей ячейки.

Первая секция содержит «плотную» среду и наполняется, как и в прототипе, до атмосферного давления и с таким содержанием SF₆, чтобы обеспечивать поглощение значительной части энергии фронта импульса. Скорость просветления среды в этой секции невысока из-за высокого давления и, соответственно, большой интенсивности насыщения, поэтому на фронте прошедшего импульса не формируется предельно высокой крутизны.

В каждой последующей секции ячейки полное давление смеси SF₆+N₂ существенно снижается, а концентрация поглощающей компоненты увеличивается, что приводит к одновременному увеличению скорости просветления и уменьшению темнового пропускания соответствующей секции. В результате закон нарастания интенсивности на фронте становится существенно более «крутым», чем в прототипе, а интенсивность предимпульса (фона) уменьшается. Это обеспечивает значительно большее укорочение импульса в такой же, как в прототипе, трехпроходовой схеме усиления и, соответственно, повышение его мощности.

Вынесение ячейки из трехпроходовой схемы усиления обеспечивает формирование более стабильных характеристик импульса на выходе устройства.

Таким образом, в результате предложенных конструктивных изменений и появляющихся новых физических свойств можно считать, что предложенная работа соответствует критерию изобретения.

Изобретение относится к лазерной технике. Устройство для формирования мощных коротких импульсов СO₂ лазером состоит из последовательно расположенных задающего генератора на линии Р(20) 10-мкм полосы, трехсекционной резонансно-поглощающей ячейки со смесью SF₆ и N₂, оптической схемы геометрического преобразования пучка задающего генератора и трехпроходового усилителя, образованного активной средой СO₂ лазера, которая размещена внутри и на оси конфокального телескопа с внешним фокусом. Поглощающая ячейка выполняется из трех равных секций, наполняемых газами SF₆ и N₂ независимо. При этом первая секция содержит смесь высокого давления, а в последующих секциях оно по определенному закону снижается при одновременном росте парциального давления поглощающей компоненты. Технический результат заключается в обеспечении возможности генерации коротких импульсов высокой интенсивности. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для формирования мощных коротких импульсов CO₂ лазером, содержащее одномодовый задающий генератор, работающий на линии Р(20) 10-мкм полосы усиления молекулы CO₂, оптическую схему геометрического преобразования пучка задающего генератора, активную среду CO₂ усилителя, в которой организованы три прохода излучения с помощью осевого конфокального телескопа с увеличением не менее 10, поглощающую ячейку длиной 1.5 м с резонансно-поглощающим газом SF₆ в смеси с N₂, отличающееся тем, что поглощающая ячейка расположена после задающего генератора и выполнена из трех последовательно расположенных изолированных секций равной длины, наполненных газами независимо и разделенных прозрачными для ИК-излучения окнами.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что полное давление газовой смеси в первой секции поглощающей ячейки равно атмосферному, а величину парциального давления газа SF₆ в ней выбирают так, что поглощенная доля излучения составляет (15÷20) % от энергии задающего генератора, при этом величина полного давления в каждой последующей секции поглощающей ячейки вчетверо меньше, чем в предыдущей секции, а величина парциального давление газа SF₆ в каждой последующей секции поглощающей ячейки в два раза выше, чем в предыдущей секции.

3. Способ формирования мощных коротких импульсов CO₂ лазера, заключающийся в том, что излучение задающего одномодового генератора, работающего на линии Р(20) 10-мкм полосы усиления молекулы CO₂, проводят через трехпроходовый осевой конфокальный телескопический усилитель и поглощающую ячейку с резонансно-поглощающим газом SF₆ в смеси с N₂, отличающийся тем, что излучение задающего генератора предварительно проводят через трехсекционную поглощающую ячейку, полное давление газовой смеси в первой секции которой равно атмосферному, а величину парциального давления газа SF₆ в ней выбирают так, что поглощенная доля излучения составляет (15÷20) % от энергии задающего генератора, при этом величина полного давления в каждой последующей секции поглощающей ячейки вчетверо меньше, чем в предыдущей секции, а величина парциального давление газа SF₆ в каждой последующей секции поглощающей ячейки в два раза выше, чем в предыдущей секции.