Лазер на 3Р - 3 S-переходах неона Советский патент 1991 года по МПК H01S3/22 

(Л

С

Изобретение относится к области квантовой электроники, а именно к газовым лазерам, может найти применение в технологии, фотохимии, средствах оптической связи, голографии. Целью изобретения является увеличение КПД и удельной мощности излучения лазера на 3 P - 3 S-переходах неона с ионизирующей накачкой. Рабочая среда состоит из гелия, неона и тушащего газа. В качестве тушащего газа использован аргон или криптон. Дополнительно в состав рабочей среды введен ксенон или водород в концентрации не менее 10¹⁵ см^-3, но не более 20% от концентрации тушащего газа. 2 ил.

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при разработке газовых лазеров на неоне.

Цель изобретения - увеличение КПД и удельной мощности излучения.

На чертеже изображена схема лазера.

Кинетическая схема процесса расселения нижнего лазерного уровня следующая:

н,;-й-м. С,,)(«)-

jxtjt

--VtXtju

. « АгЛе . е/ гАгЛг , KWi Аг Аг- Afj- lAf

HIV

J-Xe 51H jte .-Si-Xe .., I

Лазер содержит рабочую камеру 1, глухое зеркало 2, выходное зеркало 3, систему 4 откачки и напуска газа 4,ускоритель 5, катод 6 и разделительную фольгу 7.

Лазер работает следующим образом.

Рабочую камеру заполняют газовой смесью, плотность которой больше 10 см . Смесь содержит гелий, неон, Аг или Кг, а также Хе либо Нг (HD.D2) с концентрацией не менее 1015 см , но не более 20% от концентрации Аг(Кг). Затем осуществляют возбуждение указанной газовой смеси электронным пучком от ускорителя. Электронный пучок вводят в рабочую камеру через разделительную фольгу.

Введение в состав активной среды ксенона или водорода (изотопозамещенных) позволяет уменьшить величину нерезонансного поглощения в лазере и, как следствие, повысить эффективность вывода излучения

О

l ±

Ю Ю

о

из резонатора rjp. При оптимальной прозрачности (коэффициенте отражения выходного зеркала) tjp (1 - Vfi/Ov ) 2: где OQ- ненасыщенный коэффицент усиления; /3- коэффициент распределенных нерезонансных потерь. Для оптимального состава трех- компонентной активной среды и А 5852, 5Аоо «9/3, поэтому /р 0,45. Введение Хе или На (HD.D2) в концентрации не менее 1015см3, но не более 20% от концентрации тушащего газа позволяет, практически не изменяя Оо, уменьшить/3 в 4 и более раз, т.е. увеличить цр до 0,7 и более, что эквивалентно повышению КПД в 1,5 раза и более. Уменьшение связано с пониже- нием концентрации поглощающих лазерное излучение димеров Ага (Кгг ), которое образуется в процессе расселения нижнего лазерного уровня для Аг в качестве основного тушителя и Хе в качестве четвертого компонента. Образующиеся в этом случае диаметры Хеа существенно меньше поглощают лазерное излучение, в частности из-за приблизительно на порядок большей скорости спонтанного распада (при постоянной удельной мощности накачки концентрация Хеа в 10 раз меньше, чем Аг2 в отсутствие ксенона).

В случае использования водорода эволюция ионов Н /1 происходит по схеме

. Н2е

Н2 - Нз - и поглощение лазерного излучения на всех этапах вообще отсутствует.

Минимальная концентрация Хе. H2(HD,D2) определяется тем, что за счет протекания процессов I-IY (см. схему) стационарная концентрация Аг2 уменьшается не менее чем в 1,2 раза (в типичных условиях это соответствует увеличению Г)Р на 10%). Максимальная концентрация определяется условием малого уменьшения заселения верхнего лазерного уровня в результате конкуренции диссоциативной рекомбинации Ne2 с его перезарядкой в тройных столкновениях (штриховая линия на схеме) и установлена экспериментально.

Пример. Лазер на Зр-Зз-переходах неона бы реализован на установке, схема которой приведена на чертеже. Объем рабочей камеры 1 составляет 1 л (8 -4-34 см3). На торцах камеры укреплены плоские диэлектрические зеркала размером 3 2 см2 - глухое зеркало 2 с коэффициентом отражения 99,9% на длине волны генерации и выходное ЗеркадеЗ, коэффициент отражения которого подбирают из условия получения максимальной выходной энергии лазера. Таким образом, оптический объем лазера

составляет 200 см3. Система 4 напуска рабочей смеси и ее откачки обеспечивает остаточное давление не более 0,001 Торр. Возбуждение активной среды осуществляют электронным пучком от ускорителя 5 с холодным катодом б, пучок вводят в рабочую камеру через разделительную титановую фольгу 7 толщиной 50 мкм. Энергия быстрых электронов составляет 150 кэВ

за фольгой; длительность импульса с 1 мкс, плотность тока пучка 1 А/см2.

При накачке активной среды в составе 1520 Торр Не, 120 Торр Ne, 60 Торр Аг при близком к оптимальному коэффициенте отражения зеркала 3R - 26% получают энергию генерации на Я 5852, sA(E0)-4,2 мДж, что соответствует КПД-0,4%. Введение в активную среду 1 Торр Хе и использование R 14% (уменьшение оптимальной прозрачности обусловлено уменьшением /3) позволяет ПОЛУЧИТЬ EI 8.5 мДж и КПД 0,8%. Уменьшение концентрации Хе до 0,1 Торр (3 101Ь ) приводит к снижению энергии лазера практически до Е0, а увеличение концентрации Хе до 10 Торр приводит к падению энергии генерации до 3,5 мДж. Аналогичные результаты получены и для Н2. П р и м е р 2. Экспериментальная установка аналогична установке по примеру 1.

Пои накачке активной среды в составе 760 Торр Не, 1140 Торр Ne, 190 Торр Кг и коэффициенте отражения выходного зеркала 20% получают энергию генерации 5 мДж, что соответствует КПД -0,2%. Введение в состав активной среды 2 Торр Хе и уменьшение R до 11% позволяет обеспечить Ei 12 мДж, что соответствует КПД - 0,5%. При оптимальной концентрации Н2 1 Торр получают энергию излучения около 11 мДж А 7245А).

Пример 3. В экспериментальной установке, описанной в примере 1, холодный катод заменен на горячий (накаливаемый), который генерирует электронный

пучок с плотностью тока 40 мА/см2 длительностью 30 мкс.

При накачке активной среды в составе 1520Торр Не, бОТорр Ne, 20Topp Arи коэффициенте отражения выходного зеркала

14% получают энергию генерации на А §852,5А около 16 мДж, что соответствует КПД-1,1% (вложенная в газ энергия,4 Дж). Введение в .состав активной среды 0,4 Торр Хе (1,3 1016 ) при R v 8% позволяет

повысить энергию лазера до -73 мДж, т.е. достигнуть КПД 1,6%. Использование 0,3 Торр Н2 позволяет получить мДж (КПДа 1,8%). Уменьшение концентрации ксенона в 10 раз (1,3 1015 ) приводит к снижению

энергии генерации до 17 мДж, т.е. практически до первоначальной величины, а увеличение концентрации Хе до 5 Торр приводит к снижению энергии лазера до 13 мДж.

П р и м е р 4. Экспериментальная установка аналогична описанной в примере 3. При накачке активной среды в составе 760 Торр Не, 760 Торр Ne, 60 Торр Аг на Я 7245 А получают энергию генерации1 10 мДж. что соответствует КПД-0,35%. Введение в активную среду 1 Торр Хе позволяет увеличить выходную энергию лазера до 22 мДж и КПД до 0,7%, т.е. КПД и удельная мощность генерации возрастают приблизительно вдвое.

Таким образом, лазер согласно изобретению позволяет по сравнению с известными увеличить в 1,5-2 раза и более КПД и удельную мощность генерации на 3p-3s-ne- реходах неона.

QJ

Формула изобретения

Лазер на Зр-Зз-переходах неона, содержащий источник ионизирующих частиц и ра- бочую камеру, заполненную рабочей смесью, плотность которой больше 1019 см , состоящей из гелия, неона и тушащего инертного газа в концентрации, большей 3 1016 , но не более 15% от плотности рабочей смеси, и потенциалом ионизации меньшим, чем энергия нижнего резонансного уровня неона, отличаю- щ и-й с я тем, что, с целью увеличения КПД

и удельной мощности излучения, в качестве тушащего газа рабочая смесь содержит Аг или Кг и в ее состав дополнительно введен Хе или Hg.HD или Da в концентрации не менее 10 , но не более 20% от коицентрации тушащего газа.

U1IMMIIIIIMIIIIIMIIII1

X