Лазер на самоограниченных переходах Советский патент 1980 года по МПК H01S3/22 

Предлагаемое устройство относится к лазерг1м на самоограниченных переходах (СОП). Оно предназначено для получения непрерывной генерации .мощностью от нескольких ватт и выше и может быть использовано для диагностики плазмы, в медицине, в локации, для зондирования атмосферы, для Нс1качки лазеров на красителях. Известен целый ряд импульсных газовых лазеровна самоограниченных переходах 1. Активными частицами в таких лазерах служат атомы металлов (Си, Мп, РЬ, Са и т.д.), Генерация возникает на переходе между низко расположенными резонгшсным и метаета6ильным уровнями, чем и объясняется их высокие средние мацности генерации ( Вт) и ( 1%) 2. Являясь в настоящее время одними из наиболее эффективных газовы лазеров, лазеры на СОП облгшгиотсущественным недостатком: невозможностью получения на них без приняти специгшьных мер непрерывной генерац что существенно ограничивает область их применения. Наиболее близким из известных к заявленному является лазер на СОП, описанный в работе .3 и выбранный за прототип.: Известный лаёер содержит рабочую камеру, заполненную парами активного металла и тушащим газом для расселения нижнего лазерного уровня, средства Для поддержания разряда, рабочей температуры камеры и выво;ца из нее лазерного излучения. Известный Лазер 3 работает на смесях Са + Н и Sp + Hj,. Возбуждение реэонанЬного уровня осуществляется элекронным ударом, расселение метастабильногр уровня происходит путем реакцйиг МЧ Н (МН) vot + Н(1) где М атом в метастабильном соеТоявйй; (МН) vpt - молекула с возбужден ными колебательновращательными уровнями . Максимальная мощность генерации была получена на Са и составляет величину ОД Вт при ,07%. Диапазон давления водорода, в котором наблюдалась непрерывная генерация, находится в пределах от 0,1 до 5 мм рт. ст. при удельной .выходной мощности около 10 Вт/см.

Наличие в разряде большого количества молекулярного водорода приводит к тому, ЧТО основная доля энергии, потребляемого электронами от электрического поля, расходуется в упругих и особенно в неупругих соударениях с молекулами водорода, чем и объясняется, в первую очередь, низкий КПД и маленькая мощность генерации известного лазера. Кроме того, большая часть энергии, пёр ёдаваемая электронами молекулам водорода, расходуется на нагрев газа, что приводит к дополнительному заселению метаетабильного уровня, и, как следствие, к ухудшению параметров лазера

Целью настоящего изобретения является повышение удельной мощности генерации и КПД непрерывного л.азера на самоограниченных переходгос.

Указанная цель достигается тем, что рабочая камера Лазера содержит разрядный и генерирующий - объемы, разделенные прозрачной перегородкой и заполненные инертным газом при давлении от 0,1 до 10 атмосфер, причём генерирующий объём заполнен тушащим газом, состоящим из паров химических элементов, например, щелочных металлов, атомы которых способны, к образованию эксиплексов с атомами инертного газа.

На чертеже схематически изображена одна из возможных конструкций .предлагаемого лазера на самоограниченных переходах..

Лазер содержит прозрачную трубку из тугоплавкого материала 1, ограничивающую разрядный объем 2, кожух из высокотемпературного материала 3, ограничивающий генерирующий объем 4, активный металл 5, электро.ды 6, источник питания 7, нагреватель 8, тепловую изоляцию 9, оптический реэонатор, образованный зеркалами 10, оптические окна 11 для вывода излучения, обозначенного на рисунке стрелочками 12. .

Лазер работает следующим образом С помощью средств для поддержания рабочей температуры (нагреватель 8, тепловая изоляция 9), лазер нагревается и происходит испарение металла 5. Пары металла заполняют разрядный объем 2 и генерирующий об.ъем 4. Атомы аКтйвногометалла в разрядном объеме возбуждаются с помощью разряда,- горящего между электродами 6 и поддерживаемого источником питания 7. Резон ансйоё йэ лучёнйеатбйбв активного,металла через прозрачную трубку из тугоплавкого металла 1 попадает в Объем А, где и поглощается атомами активного металла. Е результате поглощения излучения накачки активныеатомы возбуждаются и возникает инверсия насеЛенностей резонансного и метастабильного уровня атомов активного металла. Поддержание

стационарной инверсии населенностей обеспечивается с .одной стороны непрерывным поглощением излучения накачки, с другой - расселением метастабильного уровня в неупругих соу дарениях со специально введенными в генерирующий объем атомами тушащего газа (например, пары Cs, Na), путем резонансной передачи энергии от атомов активного металла в метастабильном состоянии к- атомам тушащего газа путем возбуждения их резонансных состояний,

Для эффективного вывода излучения накачки разрядный объем заполняется инертным газом при давлении от 0,1 до 10 атмосфер, уширяющим контур линии излучения накачки и преобразукадим его из допплеровского в Л9ренцовский, в результате чего значительно уменьшается реабсорбция 4 и увеличивается интенсивность резонансного излучения из разрядного объема.

Для полного использования энергии накачки и увеличения тем самьм КПД лазера линия поглощения накачки в генерирующем объеме уширяется до линии излучения накачки путем заполнения генерирующего объема инертным газом при давлении от 0,1 до 10 атмосфер.

При давлениях ниже 0,1 атмосферы уширение буферным газом становится незначительным I по сравнению с доп- плеровским уширением. При давлениях выше 10 атмосфер- возникают серьезные технические трудности при создании разрядного и генерирующего объемов.

Релаксация резонансно возбужденны атомов тушащего газа происходит в результате быстрого образования эксиплексов из резонансно возбужденных атомов тушащего газа и атомов инертного газа с последующим спонтанным радисщионным распадом CsJ ,

Индуцированное излучение 12 выводится через оптические окна 11 и одно из зеркал резонатора 10.

Расчет непрерывного лазера на паг pax марганца, длина и поперечное сечение : ктивной среды которого равны соответственно 1 м и 3 см , для случая, когда метастабильный уровень атома марганца расселяется в соуда-г ренияX с натрием, концентрация атомов которого в объеме с активной средой составляет 10 см а давление буферного газа неона равно атмосфернЬму, значение мощности непрерывной генерации на инфракрасных переходах (,3 мкм) 30 Вт и КПДг1 при удельной мощности около 0,1 Вт/см .

Указанные параметры предложенного лазера на СОП значительно превышают мощность генерации и КПД нз-г вестного непрерывного лазера на са мОогранйченных переходах. Формула изобретения Лазер на самоограниченных переходах, содержащий рабочую камеру, заполненную парами активного металла и тушащим газом для расселения нижнего лазерного уровня, средства для поддержания разряда, рабочей температуры камеры и вывода из нее лазерного излучения, отличаю щийся тем, что, с целью увеличения КПД и удельной мощности, рабочая камера лазера содержит раз рядный и генерирующий объемы, раз.деленные прозрачной перегородкой и заполненныеинертным газом при давлении от 0,1 до 10 атмосфер, причем генерирующий объем заполнен тушащим газом, состоящим из паров химических элементов, например, щелочных метгшлов, атомы которых способны к образованию эксиплексов с атомами инертного газа. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 66 1.Петраш Г.Г. Импульсные газоразрядные лазеры . У.Ф.Н., 1971. 2.Исаев А.А., Леммерман Г.Ю. Исследование импульсного лазера на парах меди при повышенных мощ НПС1ТЯХ .Квантовая электроника . 4, № 1, 1977. 3. Климкин В.М., Монастырев С.С, Прокопьёв В.Е.Селективная релаксация долгоживущих состояний атомов металлов в газоразрядной плазме. Стационарная генерация на переходах Р кальция и стронция. Письма в ЖЭТФ, 26, № 4, 1974. 4.Елецкий А.В.; Палкина Л.А., Смирнов Б.М. Явления переноса в слабоионизированной плазме. Атомиздат, 1975, с. 252-258. 5.J.PascaKe and Vandeptangue Exated moEecuBarterues of the -nare gas at ompairs thf journaE of chemical Physics,- vof 60, I 6, 1974.