Лазер с накачкой ионным пучком Советский патент 1992 года по МПК H01S3/09 

Изобретение относится к лазерной технике и может найти применение для генерации коротковолнового лазерного излучения с высокой пороговой удельной мощностью энерговклада.

Известен лазер с накачкой ионным пучком, содержащий источник ионного пучка ионную пушку, выполненную на основе отражательного триода, и кювету, наполненную смесью Ar-Na. Кювета установлена за анодом, на пути ионного пучка, который вытягивается из анодной плазмы. Анод подключен к генератору высоковольтных импульсов и выполнен из твердотельного диэлектрика со щелевым отверстием, напротив которого установлен катод. Анод и катод помещены в аксиальное магнитное поле, создаваемое магнитными катушками. При поступлении высоковольтного импульса на анод на его поверхности образуется плазма, заполняющйя щелевые отверстия. Электроны, змиттируемые с катода, много4isкратно проходят (колеблются между анодом Ы Ю V4 и виртуальным катодом) сквозь плазму и ионизируют ее. Под действием электриче.ского поля анод-виртуальный катод из анодЮной плазмы вытягивается ионный пучок, который проходит в кювету сквозь пленку, разделяющую вакуум триода и газ кюветы.

К недостаткам .этого устройства относятся сложность, а также низкая энергия ионов в пучке.

Ближапшим техническим решением к предлагаемому является лазер с накачкой ионным пучком, содержащий источник ионного пучка с плоским анодом и катодом, а также кювету с активной средой, при этом катод источника имеет форму охватываюMi- ro чнод полуниткз, в котором по одну сторону от анода выполнены прорези, а кюпета с активной средой установлена напротив упомянутых прорезей в катоде. Анод известного лазера подключен к генератору нысокойолыных импульсов и выполнен в виде проводящей полоски, покрытой со стороны катодных прорезей плазмообразующим диэлектриком. При поступлении положительного высоковольтного импульса на анод на его поверхности образуется плазма, из которой электрическим полем в сторону катода вытягиваются ионы и. проходя через катодные щели, формируют ионный пучок. Изолирующее аксиальное магнитное поле в этой пушке создается током внешней батареи, протекающим по катоду. Ионный пучок проходит через майларовую пленку в кювету и возбуждает в ней активную среду. Получена генерация на смеси Ar-N2 нз нескольких длинах волн а фиолетовой и ультрафиолетовой области спектра, КПД лазера -0.1%.

Недостатком известного лазера является низкая энергия ионов в пучке, что приводит к значительной потере энергии пучка ионов при прохождении через пленку в кювету.

Целью изобретения является повышение КПД лазера.

Эта цель достигается тем, что в известном лазере с накачкой ионным пучком, содержащем источник ионного пучка с плоским анодом и катодом, а также кювету с активной средой, при этом катод источника имеет форму охватывающего анод полувитка, в котором по одну сторону от анода выполнены прорези, а кювета с активной средой установлена напротив упомянутых прорезей в катоде, на внутренней поверхности катода по другую сторону от анода нанесены слои галогеносодержащегр материала, а в аноде напротив прорезей в катоде выполнены сквозные прорези, закрытые металлической фольгой, толщина которой удовлетворяет условию 1, где а-сечение перезарядки, а о --атомная толщина фольги.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором показаны; генератор высоковольтных цмпульсов 1. к положительно-у высоковольтному полюсу которого присоединен анод 2. имеющий прорези 3, закрытые тонкими металлическими пленками, катод ,4, выполненный в виде полувитка, охватывающего анод 2. В катоде 4 выполнены прорези 5, расположенные напротив прорез1;1 р аноде 2. а по другую сторону 01 анола на внутренней поверхности катода 4 нанесен слой галогеносодержащего материала 6. Лазер содержит также корпус 7, на котором укреплен катод 4, кювету с активной средой 8. пленку 9.

отделяющую объем кюветы 8 от катода 4. Кро.ме того, на чертеже обозначено: траектории электронов 10, силовая линия азимутального магнитного 11. электроотрицательные ионы 12, электроположительные ионы 13.

Устройство работает следующим образом.

В расчетный момент времени от генератора 1 на анод 2 поступает высоковольтный

импульс положительной полярности. Под

действием электрического поля катод 4 начинаетэмиттировать электроны 10. и в цепи

генератор 1 - анод 2 - катод 4 начинает

протекать ток, создающий собственное магнитное поле Bi/ азимутального направления. Под действием скрещенных электрических и магнитных полей электроны 10, эмиттируемые с катода 4. начинают дрейфовать вдоль его поверхности к вершине катодного винта 4, и формируют при достижении определенного уровня тока самоограниченные магнитно-изолированные электронные потоки, срывающиеся на анод в области вершины катодного витка 4.

В результате взрывной эмиссии на внутренней поверхности катода 4, покрытой диэлектриком, образуется взрывоэмиссионная плазма. Как известно из ряда работ, в водородной плазме содержание электроотрицательных ионов с большой энергией сродства (Н, СГ. F) может составлять 10 /е, что соответствует плотности на уровне 10 10 -см и может обеспечить амплитуды токов порядка десятков ампер-см при

напряжении на уровне сотен киловольт-единиц МэВ, Для галогеносодержащей плазмы эти параметры еще выше. Под действием электрического поля анода 2 отрицательные ионы 12 из катодной плазмы ускоряются по

направлению к аноду 2 до энергии, соответствующей полной разности потенциалов. Проходя через тонкую металлическую фольгу в прорезях 3 (доли-единицы микрон), ускоренные ионы в процессе обдирки

перезаряжаются в электроположительные 13. Минимальная толщина 6 фольги в прорезях 3, необходимая для высокой эффективности обдирки, может быть определена

, 1 ИЗ соотношения о . где /ь атомная

JjQ (J

плотность фольги, а- сечение перезарядки.

Из литературы известно, что эти сечения для целого ряда электроотрицательных

ионов и различных атомных составов сред лежат в диапазоне 10 -10 см, что соответствует минимально допустимым толщинам фольги в диапазоне сотых-десятых долей микрон. Толщина коммерчески доступной металлической фольги (к примеру алюминиевой) до микрона заведомо удовлетворяет приведенное выше условие. Под действием мощного пучка ионов фольга испаряется и образовавщаяся плазма начинает распространяться внутрь диодных зазоров. Однако, как известно из экспериментов, скорость металлической п/1азмы поперек магнитного поля лежит в диапазоне (2-5)10 см/с, что для наносекундных длительностей импульсов составляет доли миллиметров. По этой причине металлическая плазма не успевает закоротить анод-катодный промежуток. Ионный ток, выносимый из металлической плазмы, составляет значение в Ш/гпе меньшее, чем электронный ток. и для алюминия, к . ЛОЖИ

в диапазоне долей единиц Л/см,

Перезарядив|иийся пучок отрицательных ионов, прошедших полную разность потенциалов диода, снова ускоряется, уже в качестве пучка положительных ионов, в сторону катода и за счет зтого удваивает свою энергию. Ионный пучок с удвоенной энергией проходит через пленку 9. отделяющую объем кюветы 8 от катода 4, и попадает в кювету. За счет более высокой энергии ионов энергопотери ионов в пленке 9 будут существенно меньшими, а пробеги их в газе в диапазоне давлений единицы атмосфер составят порядка сантиметра. Таким образом, область интенсивной накачки (брегговский пик в конце пробега) оказывается значительно удаленной от стенок кюветы, что обеспечивает отсутствие охлаждения образованной пучком плазмы за счет теплопотерь стенки. Все это приводит к увеличению КПД накачки и генерации лазерного излучения.

ЛАЗЕР С НАКАЧКОЙ ИОННЫМ ПУЧКОМ, содержащий источник ионного пучка с плоским анодом и катодом, а также с активной средой, при этом катод источника имеет форму охватывающего анод полувитка, в котором по одну сторону от анода выполнены прорези, а кювета с активной средой установлена напротив упомянутых прорезей в катоде, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД, на внутренней поверхности катода по другую его сторону от анода нанесены слои галогеносодержащего материала, а в аноде напротив прорезей в катоде выполнены сквозные прорези, закрытые металлической фольгой, толщина которой удовлетворяет условию ощо 1, где ст-сечение перезарядки, а 7/0 атомная толщина фольги.

3 6 7 ГГ12 Ю

Ь.

-I

//

, / { ,

лЧ.,,

f

Hefei&

V 1

О

у

9 13