Способ получения лазерного излучения Советский патент 1977 года по МПК H01S3/22 

(54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

1

Изобретение относится к области квантовой электроники и может, быть использовано при конструировании газовых лазеров с прокачкой рабочего вешества.

Известные газовые лазеры, работаю-

шие в непрерывном t режиме, по своей мощности и КПД значительно превосходят твердотельные и другие типы лазеров, работающих в том же режиме. Мошныа газовые лазеры возбуждаются газовым разрядом, причем особенности разряда ограничивают выходную мощность лазера. Действительно, инверсная заселенность может быть получена только при не слишком высокой температуре тяжелых частиц. Так, например, для лазеров, работающах на СО , температура не должна превышать 700 К. При большей температуре столкновительные процессы приводят к увеличению концентрации молекул на нижнем лазерном уровне. Это обстоятельство ограничивает возможности повышения выходной мошности Лазера за счет увеличения поперечных размеров разрядной трубки или плотности газа. При необходимости создать лазер

большой мощности, нужно составлять его из отдельных элементов, причем стыковка ЭТИ.Х элементов приводит к тому, что мощность лазера возрастает ueiiijoiiopuaoнально размерам l .

Эти трудности в значительной мере ликвидируются при использовании быст11опроточных электроразрлдпьк лазбгров, в которых способ получения излучения в и1ючает прокачку газовой смеси в газодинамическом тракте, содержащем резонатор и разрядный канал 2 .

В этом случае в энергию излучения преобразуется электроэнергия внешней сети. Система питания современных электроразрядпыхлазеров имеет значительные габариты. Роль протока газа сводится к устранению перегрева смеси. предвидеть, что по мере увеличения мэииюсти затраты энергии на прокачку будут возрастать, снижая КПД лазера как энерге.тической машины ь целом.

Цель изобретения - увеличение выходной мощности и КПД проточных лазеров.

Это достигается тем, что по предлагаеому способу осуществляют прямое пребразование энергии газового потока в энерию лазерного излучения. Этот способ вклюает прокачку газовой смеси в газодинами- j еском тракте, содержащем разрядный канал с резонатором. Однако прокачку осудествляюа в поперечном магнитном поле, Создающем индуцированный разряд в лазерной смеси.10 Газ, протекающий в поперечном магнитном поле, циркулирует так же, как в МГД- генераторе закрытого цикла, являясь одновременно рабочим телом МГД-генератора и активной средой лазера. При движении газа в 5 поперечном магнитном поле возликает индуцированное электрическое поле, которое действует на слабоионизированный газ так же, как электрическое поле, создаваемое внешним источником в известны.х газораз- го рядных , и создает инверсную заселенность на каком-либо уровне активной среды. Таким образом, .энергия газового потока пребразуется в устройстве непосредственно в энергию лазерного излуче- 25 ния.

Предлагаемый способ реализуют при помоши устройства, которое можно назвать магнитогидродинамяческим лазером (МГДЛ). Это устройство включает в себя газодина- зо мический тракт с резонатором и разрядным каналом с яепроводяшими стенками, из которых две противолежащие снабжены секционированными электродами. Устройство отличается от известньсх лазеров тем, что 35 для получения лазерного излучения по описанному способу, разрядный канал с резонатором помещен между полюсами магнитной системы, магнитное поле которой перпендикулярно направлению потока газа, 40 а противолежашие электроды попарно закорочены.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, показано на чертеже, где 1 - сопло, 2 - диффузор, 3 - канал, 4 - попар- 45 но короткозамкнутые электроды,5 и 6 зеркала резонатора, 7 - магнитная система.

Принцип действия предлагаемого лазера сводится к следующему.50

Газ, являющийся активной средой, через сопло 1 поступает в канал 3, обладая достаточно низкой температурой Iи высокой скоростью течения, которая сравнима или превосходит скорость звука. После55

прохождения канала газ тормозится диффузором 2, проходит через теплообменник и компрессор (не показанные на чертеже) и вновь попадает в сопло. Магнитной систе.мой 7 в канале 3 создается магнитное по- 60

ле, вектор напряженности которого направлен перпендикулярно оси канала и параллельно плоскости электродов 4.

Электроды размешены вдоль стенок канала, секционированы и попарно закорочены. Секционирование устраняет появление холло ских токов, текущих вдоль образующих канала и приводящих к снижению проводимости. Закорачивание обеспечивает отсутствие падения напряжения во внешней цепи, в результате чего напряженность электрического поля в канале равна индуцированной напряженности.

Конкретный расчет параметров устройства проводят исходя из состава активной среды. Состав смеси, например гелия и углекислого газа, должен быть подобран так, чтобы средняя энергия электронов составляла примерно 0,5-0,7 эВ. Плотность гелия определяется из условия, что время разрушения верхнего лазерного уровня в результате столкновения с гелием должно быть больше времени вынужденного высвечивания этого уровня. Исходя из этого, плотность гелия оценивается величиной

1

И.,,, - (1-5) Ю см . Плотность уг16Ч

лекнслого газа ri (1-5)10 см

СО2

оценивается из уравнения баланса энергии электронов таким образом, чтобы средняя энергия электронов оказалась в районе 0,5-0,7 эВ. , что приводит к оптимальному заселению верхнего лазерного уровня.

Исходя из условия равенства числа актов ионизации и объемной рекомбинации при средней энергии электронов 0,5-0,7эВ, находят концентрацию заряженных частиц Не - (1-5) .

В рассматриваемых условиях потеря энергии электронов происходит в основном в результате возбуждения .лазерного уров- ня. Из-за этого можно ожидать, что эквивалентный электрический КПД предлагаемого лазера приближается к теоретическому значению. КПД для лазеров на CCj.

Оценки показывают, что в предлагаемом лазере при скорости течения газа 10 м/сек и напряженности индуцированно го электрического поля В/м, возможно увеличение вьрсодной мо.шности излучения с единицы длины резонатора при площади сечения канала величины 10О кВт/м. В отличие от известных газовых лазеров увеличение размеров предлагаемого лазера не приводит к срыву генерации, так как подбором профиля канала можно добиться того, чтобы температура газа оставалсь ниже допустимого предела. Рачеты показывают, что при достижимых в настоящее время магнитных полях предлагаемый лазер может превосходить известны газовый лазеры по своей выходной мошносиости (.хотя выходные мощности с единицы .объема у ни.х одного порядка).

Отсутствие внешнего источника электрического питания само по себе является существенным преимуществом предлагаемого устройства и, кроме того, приводит к существенному уменьшению габаритов устройства и его веса особенно при использовании сверхпроводящей магнитной системы. Это обстоятельство может иметь решающее значение для использования предлагаемого лазера.

Формула изобретения

Способ получения лазерного излучения включающий прокачку газовой смеси в газодинамическом тракте, содержащем резонатор и разрядный канал, о т л и ч .ою щ и и с я тем, что, с целью увеличения выходной мощности и КПД путем прямого преобразования энергии газового потока в энергию лазерного излучения, про- . качку газовой смеси осуществляют в поперечном магнитном поле, создающем в ней индуцированный разряд.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:

l.EEecbOttic:&,1968, 41, р. 34.

2.W.B.T.ffany at аГР. AppP-Pliyb . Zel-,., 4969, 15, p. 91.