СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ ИМПУЛЬСНОГО CO - ЛАЗЕРА АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ Советский патент 2010 года по МПК H01S3/22 

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано при создании электроионизационного CO₂-лазера атмосферного давления с затворным устройством для вывода излучения.

Известен способ получения излучения на основе электроионизационного CO₂-лазера атмосферного давления, заключающийся в том, что заполняют разрядную камеру лазерным веществом, содержащим CO₂, N₂, He, создают в нем активную среду и формируют с помощью резонатора лазерное излучение, которое выводят через солевое окно [1].

Известно лазерное вещество электроионизационного CO₂-лазера атмосферного давления на основе CO₂ и N₂, в которое добавлено небольшое количество воды для увеличения энергии излучения [2].

Недостатком данного способа и лазерного вещества является то, что рефракция света лазера на градиентах газовой плотности приводит к большой расходимости излучения лазера.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ получения излучения на основе электроионизационного СО₂-лазера атмосферного давления, заключающийся в том, что заполняют разрядную камеру лазерным веществом, содержащим CO₂, N₂, Не, создают в нем активную среду, формируют с помощью резонатора лазерное излучение, которое выводят через солевое окно, при этом для уменьшения расходимости лазерного излучения разрядную камеру заполняют лазерным веществом, обогащенным до 80% легким инертным газом гелием [3].

Наиболее близким к предлагаемому лазерному веществу электроионизационного CO₂-лазера атмосферного давления является лазерное вещество с давлением 60 Торр, в котором определенная часть гелия замещена на более тяжелый инертный газ-аргон. Это лазерное вещество имеет следующее количественное соотношение компонентов [4]:

углекислый газ 1 азот 30 гелий 0-29 аргон 29-0

Недостатком данного способа является малая эффективность его применения при получении лазерного излучения большой мощности, когда вместо разрушающихся под действием такого излучения солевых окон устанавливаются затворные устройства. Затворные устройства предназначены для быстрой разгерметизации разрядной камеры в месте вывода лазерного излучения в момент его вывода и быстрой герметизации разрядной камеры по окончании процесса генерации. Их устройство аналогично устройству вакуумных затворов паромаслянных насосов. При использовании затворных устройств возникающие в выводном окне на границе лазерное вещество - окружающая среда оптические неоднородности (линзы) приводят к существенному увеличению расходимости лазерного излучения.

Недостатком данного лазерного вещества является то, что существенное отличие его плотности от плотности окружающей среды вообще не позволяет выводить лазерное излучение через затворное устройство.

Целью изобретения является уменьшение расходимости лазерного излучения за счет устранения оптической линзы, возникающей в выводном окне при открывании пневмозатвора.

Указанная цель достигается тем, что в известном способе получения излучения на основе электроионизационного CO₂-лазера атмосферного давления, включающем в себя заполнение разрядной камеры лазерным веществом, содержащим CO₂, N₂, He, создание в нем активной среды, формирование с помощью резонатора лазерного излучения, разрядную камеру заполняют лазерным веществом, плотность которого равна плотности окружающей среды, для чего в лазерное вещество добавляют один из тяжелых инертных газов, например аргон. Поставленная цель достигается также тем, что лазерное вещество на основе CO₂, N₂, He, дополнительно содержит аргон и воду в следующем количественном соотношении компонентов, объемн.%:

углекислый газ 12,0-13,1 азот 77,7-80,0 гелий 5,2-6,0 аргон 2,6-2,9 вода 0,2-0,3

Такой состав лазерного вещества позволяет исключить образование градиента плотности (а следовательно, и изменение коэффициента преломления) на границе лазерное вещество - окружающая среда при открывании затвора для вывода излучения. Названный градиент для лазерных веществ электроионизационных CO₂-лазеров атмосферного давления обычно имеет отличную от нуля величину, которая особенно велика для лазерных веществ, обогащенных легким инертным газом. Устранение скачка плотности в месте вывода лазерного излучения позволяет устранить образование оптической линзы на границе лазерное вещество - окружающая среда и, как следствие, уменьшить величину расходимости лазерного излучения.

Присутствие в лазерном веществе таких компонентов как аргон и вода, наряду с главной задачей - уменьшением расходимости лазерного излучения, обеспечивает также некоторое увеличение величины энергии излучения лазера (в сравнении с обедненным гелием лазерным веществом). Увеличение энергии излучения лазера достигается увеличением энергии накачки лазера (при сохранении КПД лазера) за счет увеличения числа электронов разряда при добавлении аргона в лазерное вещество [4] и увеличением КПД лазера (при сохранении энергии накачки) за счет увеличения скорости релаксации нижнего лазерного уровня при добавлении в лазерное вещество воды [2].

Заявляемое техническое решение отличается от известных тем, что используют лазерное вещество с плотностью, равной плотности окружающей среды, для чего в лазерное вещество на основе CO₂, N₂, He одновременно в качестве дополнительных введены аргон и вода в следующем количественном соотношении компонентов, объемн.%:

углекислый газ 12,0-13,1 азот 77,7-80,0 гелий 5,2-6,0 аргон 2,6-2,9 вода 0,2-0,3

Анализ предложенного технического решения по сравнению с известным позволяет сделать вывод, что оно соответствует критериям "новизна" и "существенные отличия".

Апробирование способа и лазерного вещества проводилось на установке, приведенной на фиг.1 (разрез). На фиг.2, 3, 4 приведены графики зависимостей энергетических параметров лазера от состава лазерного вещества.

Установка содержит разрядную камеру 1, заполненную лазерным веществом на основе CO₂, N₂, He, плотность которого можно менять введением в него аргона, воды и подбором необходимых количественных соотношений компонентов; источника электронного пучка 2; резонатора 3 и затворного устройства для вывода излучения 4.

Установка работает следующим образом. Разрядную камеру 1 заполняют лазерным веществом. Затем между находящимися под напряжением электродами разрядной камеры 1 с помощью источника электронного пучка 2 создают лазерную активную среду. Далее с помощью резонатора 3 формируют лазерное излучение, которое выводят через затворное устройство 4.

Подбор качественного и количественного состава заявляемого лазерного вещества был проведен следующим образом. Первоначально на базе CO₂, N₂, He был экспериментально определен (фиг.2) состав такого лазерного вещества, удельная энергия излучения Q_изл. с использованием которого была наибольшей. Это лазерное вещество (далее будем называть его оптимальным) имело следующий состав:

концентрация углекислого газа [CO₂] - 12,5 об.%,

концентрация азота [N₂] - 62,5 об.%,

концентрация гелия [He] - 25 об.%.

Все зависимости (фиг.2) были получены с использованием лазерных веществ, имеющих одинаковую с окружающей средой (воздухом) температуру (Т) и давление (Р), но произвольное значение плотности (ρ). Так как лазерное вещество оптимального состава на 17,2% легче воздуха, то для выравнивания их плотностей данное лазерное вещество необходимо было утяжелять. Наиболее эффективного утяжеления вещества можно добиться введением в него одного из тяжелых инертных газов, например аргона, так как наличие аргона в лазерном веществе не приведет к появлению "паразитных" мод генерации и в то же время позволит увеличить энергию накачки лазера за счет увеличения степени ионизации лазерного вещества пучком быстрых электронов. Проведенные исследования влияния замены гелия на аргон в лазерном веществе оптимального состава на энергетические параметры лазера показали (фиг.4), что при соотношении концентраций аргона [Ar] и гелия [He], равном 1:2, энергия накачки Q_н имеет максимальное значение, а энергия излучения практически такая же, как и в лазерном веществе оптимального состава. Тот факт, что наибольшая энергия излучения получена при использовании лазерного вещества c [CO₂]=12,5 об.% и [He]:[Ar]=2:1 был принят за основу при расчетах состава лазерного вещества, имеющего одинаковую с воздухом плотность. Учитывая, что при равенстве параметров Т, Р, ρ в различных лазерных веществах равны также и их кажущиеся молекулярные веса µ_i, в дальнейшем для удобства вместо параметра ρ будем пользоваться параметром µ_i. Проведенные с названными предпосылками расчеты позволили получить лазерное вещество следующего состава: [CO₂]=12,5 об.%, [N₂]=79 об.%, [He]=5,67 об.%, [Ar]=2,83 об.% (имеющее одинаковое с воздухом значение µ_i). Это лазерное вещество близко по содержанию CO₂ и N₂ к безгелиевому лазерному веществу состава [CO₂]:[N₂]=1:8. Проведенные исследования показали (фиг.3), что в безгелиевом лазерном веществе, где [CO₂]:[N₂]=1:m, максимальная энергия накачки Q_н имеет место при 7≥m≥9 (фиг.3а), а КПД такого лазера (η), где [CO₂]:[N₂]=1:8 имеет максимум в случае добавки к лазерному веществу 0,3% воды (фиг.3б) (похожие результаты получены в работе [2]). Поэтому, введя в расчетный состав концентрацию воды [H₂O], равную 0,3%, получаем окончательный состав заявляемого лазерного вещества:

[CO₂]=12,5 об.%, [N₂]=78,85 об.%, [He]=5,6 об.%, [Ar]=2,8 об.%, [H₂O]=0,25 об.%.

Для экспериментальной проверки заявляемого состава были подготовлены восемь различных лазерных веществ, три из которых показали оптимальные результаты (см. таблицу). Каждое лазерное вещество приготавливалось в смесителе по порциональным давлениям компонентов с использованием образцового вакуумметра класса 0,1 и после перемешивания подавалось в разрядную камеру, где контролировалось с помощью газоанализаторов. Для приготовления лазерного вещества использовались следующие газообразные ингредиенты: углекислый газ по ГОСТ 8050-85, азот по ГОСТ 9293-74, гелий по ТУ 51-940-80, аргон по ГОСТ 101 57-73, вода по ГОСТ 6709-72.

№ Содержание компонентов в лазерном веществе, об.% CO₂ N₂ He Ar H₂O 1 12,5 62,5 25 - - 17,2 19,6 1,00 14-15 2 12 80 5,2 2,6 0,2 менее 0,1 19,2 0,98 10-11 3 13,1 77,7 6,0 2,9 0,3 менее 0,1 19,4 0,99 10-11 4 12,5 78,85 5,6 2,8 0,25 менее 0,1 19,6 1,00 10-11 5 13,3 77,15 6,1 3,1 0,35 0,2 18,6 0,92 13-14 6 11,8 80,85 4,8 2,4 0,15 0,2 18,2 0,93 13-14 7 12,5 70,4 8,4 8,4 0,3 менее 0,1 15,7 0,80 10-11 8 7 91,5 0,8 0,4 0,3 менее 0,1 15,1 0,77 10-11

В таблице Q_о соответствует максимальной удельной энергии излучения, полученной с использованием лазерного вещества оптимального состава. θ_изл. - расходимость излучения, рад; θ_о=10^-n рад (n = целое положительное число). Значения величин Q_изл. и n не приводятся.

Как видно из таблицы, с возрастанием отклонения µ_i от µ воздуха, расходимость излучения возрастает, что связано с возрастанием коэффициента преломления на границе лазерное вещество - окружающая среда.

Приведенные в таблице данные подтверждаются актом испытаний заявляемого лазерного вещества, прилагаемым к настоящей заявке.

Использование предлагаемого способа получения излучения и лазерного вещества для его осуществления обеспечивает по сравнению с существующими следующие преимущества:

1. Позволяет уменьшить расходимость лазерного излучения за счет устранения оптической линзы, возникающей в выходном окне при открывании затворного устройства.

2. Уменьшить стоимость лазерного вещества за счет уменьшения содержания в нем дорогостоящего гелия.

Источники информации

1. Е.П.Глотов, В.А.Данилычев и др. Труды ФИАН им. Лебедева. М: Наука, 1980, т.116, с.181-187.

2. В.Н.Борисов, Л.Н.Витшас и др. Письма в ЖТФ, Наука, Ленинградское отделение, 1982, т.8, вып.21, с.1323.

3. И.В.Глухин, А.И.Дутов и др. Квантовая электроника. Приложение. - М., 1986, №26, с.7647 (прототип).

4. А.П.Аверин, И.Г.Басов и др. Квантовая электроника. М., 1981, 8, с.2063 (прототип).

Изобретение относится к области квантовой электроники. Заявленный способ излучения импульсного СО₂-лазера атмосферного давления включает подачу напряжения на электроды, установленные в рабочей камере, заполненной рабочей смесью и снабженной затвором для вывода излучения, и последующее открывание затвора. Причем напряжение подают на электроды при плотности рабочей смеси лазера, равной плотности окружающей среды. Концентрацию компонент рабочей смеси лазера - углекислого газа (CO₂), азота (N₂), гелия (He), аргона (Ar) и воды (H₂O) в лазерной смеси устанавливают удовлетворяющей соотношениям: 12%<[CO₂]<13,1%, 77,7%<[N₂]<80%, 5,2%<[He]<6%, 2,6%<[Ar]<2,9% и 0,2%<[H₂O]<0,3%. Технический результат - уменьшение расходимости излучения. 4 ил.

1. Способ получения излучения импульсного CO₂-лазера атмосферного давления, включающий подачу напряжения на электроды, установленные в рабочей камере, заполненной рабочей смесью и снабженной затвором для вывода излучения, и последующее открывание затвора, отличающийся тем, что, с целью уменьшения расходимости излучения, напряжение подают на электроды при плотности рабочей смеси лазера, равной плотности окружающей среды.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что концентрацию компонент рабочей смеси лазера - углекислого газа [CO₂], азота [N₂], гелия [He], аргона - [Ar] и воды [H₂O] в лазерной смеси устанавливают удовлетворяющей соотношениям:
12%<[CO₂]<13,1%
77,7%<[N₂]<80%
5,2%<[He]<6%
2,6%<[Ar]<2,9%
0,2%<[H₂O]<0,3%