Способ накачки газового лазера на переходах неона Советский патент 1988 года по МПК H01S3/09 

И зпГ)р(м «MiMf (j l iini-итг я к oOjiacTvi г.паитоноГ .vnf KT ролики и может приме- ипться п .пляерах па переходах не ,

Целью изобретения япляется упели- чение длительности инерции вплоть до иепрсрыг)ного режима, повьппение КПД и умемы шние расходимости иялуче- и и я,

Ид чертеже изображена схема ос- нопных столкиопитальиых процессов, определяющих пронесс накачки, когда в качестве тушащего инертно1 О газа используется Кг и.гш Лг (штрихами указаны пажнеГимие паразитные процессы) .

На схеме: i.g ионизирующие частицы и медлепш к- (пторичпые) электроны; (g - CKfipofTb рождения электрон- ионных пар; k - константа скорости перезарядки Пе. на не.он; ot, Ht константы скорости трехчастичной рекомбинации Het, с участием двух медленных электроио н ипя электрона и атома гелия; h и, djt энергия и сечение лазерного перехода; Osp скорость спонтанного распада иерхиего лазерного уровня; к , k - константы скорости тушения аерхнего лазерного уровня неоном и электронами соответственно, k - константа скорости тушения нижнего лазерного уровня частицами с нижним потенциалом ионизации.

Таким o6iia U)M, верхний лазерный уровень - Зр гти Зр состояние неона заселяется п результате диссоцнативмоной рекомби {ал.чи сильнпсвязанного лекулярног о иопл Ne п , Нижний лазерный уровень - 3s или Зз является резонансным (разрешен оптический переход в основное состояние), что позволяет быстро и селективно ( -т- в 10 раз быстрее, чем верхний лазерный уровень) расселить его в процессе столкновения с частицей, нотенциал ионизации которой меньше энергии этого резонансного уровня.

Использование плотности активной

/ - Ч

среды большей, чем 0 см , и потока ионизируюпиг/с частиц позволяет возбуждать Зр - состояния неона за счет диссоциативной рск омОинации молекулярного иона 1 отличие от прямого возбу кдс ння :1лс-кт)онным ударом из ос- нопног о состояния атома. Чрезвычай- 410 при плотности

резкое увено с% 1цестт«м ио .

I - 3

более 10 гм кг оигколит

личсч ие эффективности заселения двух Зр - уровней, которые являются верхними лазерн,1ми. При низком давлении

десять Зр - уровней заселяются при диссоциативной рекомбинации Не прибпиз Ительно одинаково, а при высоком - до 70% знергии попадает на сос- тояпие Зр /2 (геттерация на Я

0 5852,5Л) и до 30% - на состояние Зр 3/2 (генерация на А 7032 X). Это обстоятельство позволяет резко повысить КПД лазора.

Минимальная концентрация ryi jauie5 го газа инертного газа оп- редепяется условием, что нижний лазерный уровень опустошается быстрее, чем заселяется за счет спонтанного излучения. Поскольку частота спон

таннлх переходов V 7 10 с , а

константа

X

Sf

дезактиватсии k

-f -.

2 X

X

10

Vc, то , /kp3.x , Обнаружено, что при оптимальной концентрации тушащего инерт-,

5 ного газа происходит эффечтивна я дезактивация нижнего лазерного уровня, а верхнее рабочее состояние опустошается относительно медленно, что и позволило получить

0 кваз;1непрерывн1-1й .режим генерации практически без снижения КПД, Кроме того,, тяжелые инертные газы при соответствующей концентрации слабо влияют на цепь ионно-молекулярных ре5 акций, приводящих к заселению верхнего лазерного уровня.

Минимальная плотность активной

(и - 3

среды 1-10 см установлена экспериментально и определяется следую0 щими факторами: необходимостью эффек- ТИВНС1ГО торможения ионизирующих частиц; условием, что концентрация Не существенно превосходит концентрации рабочего и особенно тушащего газа,

5 поскольку ионизация тушителя уменьшает КПД, а торможение быстрых частиц Q Кг, например происходит в 20 раз быстрее, чем в Не; необходимостью колебательной релаксации моле-.

50

кулярных ионов Ne

2 и охлаждения

электронов, участвующих в диссоциативной рекомбинации, что и обеспечивает увеличение Селективности накачки. Использование двойных смесей, gg без Не, невыгодно, поскольку при возбуждении Ne, кроме ионизации, эффективно заселяются резонансные состояния, которые являются нижними лазерными ,

тун1еиием вторичными электронами перх него лазерного уровня в реакциях ти К

па Ne (Зр) + eg- Ne(3s) -t- е и составляет i 15 кВт/см для А 5852,5 Л и 80 кВт/см для Л 7245 А (для этого перехода k(несколько меньгае), Эти величины подтверждены также экспериментально.

Пример 1 . Способ реализован на установке, содержащей рабочую камеру с накачиваемым объемом 15л (10x10x150 см). На торцах камеры укреплены плоские диэлектрические зеркала диаметром 5см: глухое с коэффициентом отражения 99,9% и выходное с коэффициентом отражения 75%, таким образом оптический объем составлял - 4л. Система напуска рабочей смеси и ее откачки обеспечивала остаточное давление 0,01 Тор, Возбуждение активной среды осуществлялось электронным пучком от ускорителя с холодным-катодом, пучок вводился в рабочую камеру через разделительную фольгу толщиной 50 мкм. Энергия быстрых электронов оставляла - 200 кэВ длительность импульса - 0,5 - 1 мкс плотность тока пуска варьировалась в интервале 0,2-5 А/см ,

При накачке электронным пучком с плотностью тока 0,8 А/см длительностью 0,5 МКС смеси He:Ne:Kr 30:2:1 суммарной концентрации 1,2 амага бьша получена генерация на длине волны 5852,5 А. При удельной мощности накачки 1,5 кВт/см удельная мощность генерации составляла 8 Вт/см (полная мощность генерации 30 кВт). Таким образом при мощности накачки 1,5 кВт/см и объемной концентрации тушителя Кг Т 3% КПД лазера составил о 0,6%

П р и м е р 2. Экспериментальная установка и рабочая смесь аналогичны примеру 1. Плотность тока электронного пучка составляла 3 А/см , что соответствует удельной мощности накачки i 15,5 кВт/см . Удельная мощность генерации 2Вт/см , что сооветствует КОД лазера 0,04%. Таким образом, увеличение удель.ной мощности накачки До значений 15 кВт/см привело не только к резкому падению КПД лазера, н и к уменьщению его удельных характеристик.

Hoi i установке, опислннсп п примере 1 , холодный катод заменен на г-орячий, что позволила варт-иропать плотность тока злектро1ПК1Го пучка в интервале 1-50 мА/см и длительность - 10-100 МКС.

При накачке электронным пучком с

гиштностью тока 1 2 мА/гм , длитель- ьюстыо 40 МКС смеси Не : Ne : Кг 50:1,5:1 суммарной концентрации ;5 амага был получен КПД генерации 1,2% при удельной мопщости накачки

30 Вт/см , полной мопщости 120 кВт У-юшность генерации - 1,45 кВт.

П р и м е р 4. Все условия аналогичны примеру 3, только в рабочей смеси криптон заменен аргоном. При

этом полу чен КПД генерации 1,5%, увеличение КПД, в частности, связано с уменьшением вредного энерго- иклада в газ-тушитель. Была также измерена расходимость излучения,которая составила 2-10 рад, что лишь на 40% превосходит дифракционную и р 10-50 раз меньше расходимости известного He-Ne лазера.

Приме р5. В стационарный

ядерный реактор с потоком нейтронов

If 2

2-10 см была помещена кювета длиной 100 и диаметром 5 см, содержавшая 3 амага смеси Не : Ne : Аг 70:1,5:1. На торцах кюветы укреплены плоские диэлектрические зеркала с коэффициентами отражения 99,9 и 92%. При этом полная мощность накачки составляет 20 кВт (удельная мощность 10 Вт/см )i а мощность

лазерного излучения - 27 Вт, что соответствует КПД 1,3%.

Приме р 6. Экспериментальная установка аналогична использованной

в примере 7. Использовались зеркала с коэффициентом отражения 99,8 и 72% на длине волны 7245А. При накачке электронным пучком с плотностью тока 50 мА/см длительностью 60 мкс

смеси Не : Кг 12:7:1 плотностью

ОО Ч

1,2-10 см (4,2 амага) был получен КПД генерации Ог 0,4% (удельная мощность накачки I кВт/см- , удельная мощность генерации 4 Вт/см ).

55

Таким образом, изобретение позволяет увеличить дополнительность генерации, повысить КОД и уменьшить расходимость излучения.

13A4

Формула изобретения

Способ иакачки газового лазера на переходах неона, включающий воз- бужденне верхнего лазерного уровня неона в рабочей смеси лазера, содержащей гелий, неЬн и тушащ11Й инертный газ с потенциалом ионизации меньшим, чем энергия нижнего резонансного ла- ю зерного уровня неона, о т л-и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью увеличения длительности генерации вплоть

Неш ne A Nel3p) ) («Во) Ч. I v Neо I 6.i t

г

К

6u t

КК.

HeU AtHli slls H/,

Не

rte

Редактор О.Филиппова Заказ 3378

Составитель А.Кораблев

Техред М.Ходанич Карректор В.Бутяга

Тираж 632Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г.Ужгород, ул.Проектная, 4

796

до непрерывного режима, повышения КПЛ и уменьшения расходимости излучения, возбуждение верхнего лазерного уровня неона осуществляют потоком ионизирующих частиц, плотность, рабочей смеси устанавливают больше 10 |см , концентрацию тушащего инертного газа устанавливают больше 3 10 см , Ко не более 15% от плотности рабочей смеси, при этом удельную мощность накачки устанавливают не более 15 кВт/см.

ЖСЗЗ) 6.i t

6u t

КК.

L liL A,j

.He

Изобретение отйосится к области квантовой электроники, а именно к газовым лазерам. Целью изобретения является увеличение длительности генерации вплоть до непрерывного режима, повьппение КПД и уменьшение расходимости излучения. Накачку рабочей смеси, состоящей из гелия, неона и туг шащего инертного газа, осуществляют ионизирующим излучением с удельной мощностью накачки не более 14 кВт/см . Плотность рабочей смеси устанавливается больше 10 см . Тушащий инертный газ выбирается с потенциалом ионизации меньшим, чем энергия нижнего резонансного лазерного уровня неона, а его плотность устанаяливается больше 3«10 см , но не более 15 % от плотности рабочей смеси. I ил. с 9 (Л : iU