Газовый лазер на переходах второй положительной системы молекулы азота с возбуждением электронным пучком Советский патент 1993 года по МПК H01S3/223 

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано при создании импульсных и импульсно-периодических газовых лазеров высокого -1 атм давления с возбуждением электронным пучком.

Целью изобретения является увеличение эффективности генерации, расширение диапазона генерируемых длин волн.

Это достигается тем, что в известном лазере концентрация азота в смеси составляет от 3,5- 1016 до 7- 1017 . Концентрация аргона в смеси составляет не более 7-10 см , но не менее чем в 3 раза больше концентрации азота, при этом зеркала резонатора лазера выполнены с коэффициентом отражения, обеспечивающим превышение порога генерации на переходах .o° - ,1 атома аргона. Зеркала резонатора лазера выполнены с коэффициентом отражения, обеспечивающим превышение порога генерации, по крайней мере, на одном из трех переходов Зр , .- , - , - - системы 3p-3s переходов атома неона.

Указанные переходы атома аргона ,793 мкм находятся в ближнем ИК диапазоне, а переходы неона, соответственно, 585, 703, 725 нм - в желто-красной части видимой области спектра.

Сущность изобретения основана на резком увеличении времени существования инверсии на переходах 0-1.0-2, 0-3 второй положительной системы N2 за счет увеличения эффективного статистического веса

00

CJ

|

Os ГО

со

нижних лазерных уровней высоком давлении буферных газов, а также на малой скорости процесса эксимеризации

Аг + Не Ага + Не, конкурирующего с основным каналом накачки

Ar + N2 -(

Это позволило значительно уменьшить концентрации азота и аргона в активной среде, при этом возросла эффективность генерации в УФ на 2+ системе азота (вследствие уменьшения скорости тушения верхнего лазерного уровня и распределенного поглощения в активной среде).

Минимальная концентрация азота определяется из условия, что при достаточной для работы лазера мощности возбуждения Рн скорость передачи возбуждения от Na kn N2 превосходит скоростьассоциативной ионизации )c:Vka Рм/Дсп ( эВ - энергия создания Аг при ионизирующей накачке) и составляет Торр. Максимальная концентрация азота 20 Торр установлена экспериментально. Минимальная концентрация аргона (при данной концентрации азота) определяется тем условием, что перезарядка молекулярного иона Нв2+ и пеннинговская ионизация с Не приводят, главным образом, к образованию ионов , а не N2. Максимальная концентрация аргона в активной среде определяется условием эффективной генерации на 3d-4p переходах аргона, что означает, что диссоциативная рекомбинация гетероядерных ионов НеАг4

HeArV+e )+ .He происходит быстрее образования гомо- ядерных молекулярных ионов

+ АГ - Аг2+ + Не

Возможность использования малой 1 Торр концентрации азота позволяет при диссоциативной рекомбинации №2+ достаточно эффективно (несмотря на быструю перезарядку Ne2 на N2) получить стационарную инверсию и генерацию в видимой области спектра на 3p-3s переходах неона в четырехкомлонентной смеси He/Ne/Ar/N2 одновременно с генерацией в УФ на 2+ системе азота и в ближнем ИК на переходах аргона .o - 4р 3/2}г,1, на которых наиболее эффективно происходит генерация при возбуждении смеси Не/Аг.

Необходимое условие получения генерации на переходах аргона и неона состоит в достаточно высокой добротности резонатора на соответствующих длинах волн, то есть в стандартном условии превышения коэффициентом усиления слабого сигнала на данном переходе «о порогового коэффициента усиления. Для простого резонатора из двух зеркал с коэффициентами отражения Ri, R2 это условие имеет очевидный вид (без учета дифракционных потерь): 20оЦ n1/RiR2,

где U - активная длина лазера (длина усиления).

Более удачный выбор состава активной среды и условий генерации (превышение

0

порога генерации на соответствующих переходах) позволил повысить КПД лазера и расширить диапазон генерируемых длин волн В условиях достаточно эффективной генерации ближнего инфракрасного (и ви5 димого) излучения удалось реализовать и эффективную генерацию на 2+ системе азота. Кроме того, генерация на 3d-4p переходах аргона дополнительно повышает КПД лазера на 2 системе азота, уменьшая логло0 щение УФ квантов с Ar(3d) - уровней.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где приведена схема газового лазера. Лазер включает электронную пушку 1 со взрывоэмиссионным катодом 2. лазерную

5 камеру 3, отделяемую от вакуумного объема электронной пушки тонкой металлической фольгой 4, систему напуска газов и откачки 5, зеркала резонатора лазера 6, 7.

Лазер работает следующим образом. С

0 помощью системы напуска и откачки 5 в лазерной камере 3 формируется заданный состав активной среды. Генерируемый катодом 2 электронной пушки 1 пучок быстрых электронов вводится в лазерную камеру 3

5 через разделительную фольгу 4. Электронный пучок возбуждает активную среду, размещенную в резонаторе, состоящем из зеркал 6,7. На соответствующих переходах образуются инверсия населенностей и уси0 ление, что при достаточной добротности резонатора обеспечивает генерацию лазерного излучения. Пример реализации. Опыты проводились на установке с ак5 тивным объемом и активной длиной лазера 200 см и 34 см, соответственно. Плотность тока электронного пучка составляла 1,4 А/см , длительность импульса тока 1,1 мкс, энергия электронов 180 кэВ.

0 При возбуждении активной среды 2 мм рт.ст. (7 1016 см 3) № (40 мм рт.ст. (1,4- 1018 см 3)Аг/4атм(10 см 3). Не была получена полная.энергия генерации-гЗб мДж(20 мДж на Яа358 нм и 15 мДж на мкм) при

5 КПД по вложенной энергии 5% .При включении в состав активной среды 300 мм рт.ст. (10 см неона была получена генерация на четырех длинах волн с интегральными энергией излучения 26 мДж (8 мДж на

Я-2358 нм, 3 мДж на А 585 нм. 5 мДж на А«725 нм и 10 мДж на .79 мкм) и КПД по вложенной энергии 2,6%. Прозрачность резонатора на указанных длинах волн составляла 10%, 10%. 6%, 8%, соответственно. Эти результаты существенно выше, чем при возбуждении соответствующей прототипу смеси 22 мм рт.ст. (7J 10 ) N2/400 мм рт.ст. (1,4 -1019 ) Аг/1 атм Ne/400 мм рт.ст. Не, когда была получена энергия излучения -6 мДж с КПД по вложенной энергии 0,4%, причем генерация происходила только на 2+ системе азота ( А 358 нм). Формула изобретения 1. Пазовый лазер на переходах второй положительной системы молекулы азота с возбуждением электронным пуском, содержащий размещенную в резонаторе активную среду, состоящую из смеси азота, аргона, гелия и/или неона, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД

генерации, концентрация азота в смеси составляет 3,5 -10. 7 -1017см 3.

2.Лазер по п. 1,отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона

генерируемых длин волн, концентрация аргона в смеси составляет не более 7 -10 , но не менее чем в три раза больше концентрации азота, при этом зеркале резонатора выполнены с коэффициентом отражения, обеспечивающим превышение порога генерации на переходах ,o° - .1 атома аргона.

3.Лазер по пп. 1и2, отличающий- с я тем, что зеркала резонатора выполнены

с коэффициентом отражения, обеспечивающим превышение порога генерации по крайней мере на одном из трех переходов - 3s {1/2li°, - 3s 3/2k°, - Зз 3/2 1°системы Зр - 3s переходов атома неона.

Сущность изобретения: газовый лазер содержит размещенную в резонаторе активную среду, состоящую из смеси азота, аргона, гелия и/или неона. В активной среде концентрация азота составляет от 3,5 -10 до 7- 1017 , а концентрация аргона в смеси составляет не более 7- 1018 . Зеркала резонатора выполнены с коэффициентом отражения, обеспечивающим превышение порога генерации на перехо- .дах .o° - ,1 атома аргона, а также, по крайней мере, на одном из трех переходов Зр - , - , - системы 3p-3s переходов атомов неона. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.