Активный элемент лазера на парах химических элементов Советский патент 1992 года по МПК H01S3/03 

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано при разработке лазеров на парах химических элементов с полым катодом.

Известен активный элемент лазера с полым катодом, возбуждаемый поперечным разрядом.

В первом варианте известного устройства полый катод изготовлен е виде цилиндра с боковыми отверстиями, в которых расположены штыревые аноды.

Во втором варианте катод выполнен в виде графитового блока, имеющего продольные щели и расположенного между двумя металлическими пластинами, являющимися анодами.

Недостаток этих конструкций заключается в том, что они имеют малые выходные мощности из-за неэффективного охлаждения катода. Перегрев катода приводит к возникнрвению дугового разряда.

нарушающего условия возникновения инверсии в активной среде и разрушающего катод. Кроме того, недостаточное охлаждеОние катода приводит к вытеснению паров

со о XI рабочего вещества из активной зоны, что также вызывает снижение мощности генерации. Известна конструкция активного XI элемента лазера с полым катодом, доступN0нымаффективномуохлаждению. В этой конструкции катод изготовлен в виде массивного металлического блока с расположенной внутри него разрядной камерой.

Недостатками этой конструкции являются сложность изготовления и невысокая мощностыенерации, обусловленная малдй Эффективностью процессов возбуждения в прикатодной области разряда.

Известен активный элемент лазера на парах химических элементов, содержащий полый катод, и анод, выполненный в виде электрически соединенных между собой и

расположенных по окружности внутри катода металлических штырей, и рабочее вещество, Эта конструкция активного элемента по технической сущности является наиболее близкой к предложенной.

В известном устройстве активная зона создается в основном катодными частями разряда.

Недостаток такого устройства заключается в следующем: наибольшая температура во время работы развивается на оси активной зоны, следовательно, плотность паров рабочего вещества будет наименьшей в приосевой области, которая дает основной вклад в мощность излучения, такое распределение паров рабочего вещества приводит к уменьшению мощности излучения; расстояние между штырями и поверхностью катода должно составлять несколько десятых долей мм, что представляетизвестныетрудности при изготовлении активного элемента; если рабочее вещество заключено в специальные ампулы, например, при использовании щелочно-земельных металлов, то в известной конструкции активного элемента разместить ампулы без нарушения геометрии разрядной области затруднительно.

Целью изобретения является устранение указанных недостатков, а именно повышение мощности излучения лазера и обеспечение возможности использования в качестве рабочего вещества химически активных элементов, заключенных в ампулы, например, щелочно-земельных металлов.

Указанная цель достигается тем, что в активном элементе лазера на парах химических элементов, содержащем полый катод, анод, выполненный в виде электрически соединенных между собой и расположенных по окружности внутри катода металлических штырей, и рабочее вещество, катод выполнен в виде двух коаксиально расположенных и разделенных через кольцевые прокладки цилиндров, внутренний из которых выполнен с продольными щелями, при этом штыри анода расположены во внутреннем цилиндре между щелями, а рабочее вещество размещено в полости между цилиндрами.

На фиг.1 дан продольный разрез активного элемента лазера; на фиг.2 - поперечное сечение активного элемента лазера.

Катод устройства состоит из цилиндров 1 и 2, расположенных коаксиально и разделенных прокладками 3. В полости, образованной цилиндрами 1 и 2, расположены ампулы 4 с рабочим веществом, например стронцием. Внутренний цилиндр 1 имеет продольные щели 5, через которые полость

между цилиндрами сообщается с полостью цилиндра 1, являющейся активной зоной лазера. Анод устройства состоит из штырей 6, соединенных между собой электрически и расположенных.по концентрической окружности вблизи внутренней поверхности цилиндра Т на расстоянии нескольких мм. При этом штыри б расположены между щелями 5. Катод и анод заключены в диэлектрическую оболочку 7 с диэлектрическими наконечниками 8 и выходными окнами 9.

В качестве буферного газа используется гелий или неон при давлении несколько десятков мм рт.ст.

Устройство работает следующим образом.

При подаче напряжения между анодом и катодом зажигается разряд в буферном газе. Разряд через 5 проникает в полость между цилиндрами 1 и 2, являющуюся полым катодом. Катодные части разряда будут в основном расположены в полости между цилиндрами, а плазма положительного столба заполняет внутренний объем цилиндра 1. Плазменные потоки проходят через щели 5 и, фйрмируемые анодными штырями, расположенными между щелями, заполняют внутренний объем цилиндра 1. По мере повышения температуры в результате выделения мощности в разряде вещество в ампулах 4 начинает испаряться и таким образом создаются условия для получения генерации на парах активного вещества. При этом активная зона расположена в приосевой области цилиндра 1, куда пары рабочего вещества устремляются через щели 5. Так как большая часть энергии разряда выделяется в области катодного падения, то температура в полости между цилиндрами будет выше, чем на оси цилиндра 1. Это способствует тому, что наибольшая концентрация паров рабочего вещества будет на оси активной зоны, что приведет к увеличению мощности генерации.

Следует отметить, что пары рабочего вещества в предложенном устройстве создаются не только в результате испарения, но и катодного распыления, которое наиболее интенсивно в полости между цилиндрами. За счет этого можно уменьшить температуру катода устройства. Для возбуждения лазерных уровней используется как столкновение нейтральных атомов с электронами, так и каскадное возбуждение в рекомбинирующей плазме. Для осуществления того или иного процесса соответствующим образом подбирается электрический режим работы устройства.

Таким образом, в предложенном активном элементе лазера на парах химических элементов мощность излучения возрастает вследствие увеличения плотности пара рабочего вещества на оси активной зоны, вызванной повышением температуры в месте его образования. Анодные штыри можно удалить на несколько мм от внутренней поверхности катода, т.к. в устройстве используются положительный столб разряда, а не затрудненный разряд в прикатодной облзсти. Амплитуды с химически активными веществами, например щелочноземельными металлами, можно размещать в кольцевой полости, окружающей активную зону, и, следовательно, можно избежать нарушения геометрии активной зоны.

АКТИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ЛАЗЕРА НА ПАРАХ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ, содержащий полый катод, анод, выполненный в виде электрически соединенных и расположенных по окружности внутри катода металлических штырей, и рабочее вещество, отличающийся тем, что, с целью повышения мощности излучения лазера, катод выполнен в виде двух коаксиально расположенных и соединенных через кольцевые прокладки металлических цилиндров, внутр1енний из которых выполнен с продольными щелями, при этом штыри анода расположены во внутреннем цилиндре между щелями, а рабочее вещество размещено в полости между цилиндрами.