Газовый лазер на переходах второй положительной системы молекулы азота с возбуждением электронным пучком

 

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.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)ю Н 01 S 3/223

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ (21) 4860856/25 (22) 27.08.90 (46) 23.08.93. Бюл. М 31 ,(71) Центр лазерной технологии (72) Б.М.Беркелиев, В.А.Долгих, В.А.Лопота.

И.Г.Рудой и А.М.Сорока (73) Б;М;Беркелиев, B.À.Äoëãèõ, B.А,Лопота, И.Г,Рудой и А.М.Сорока (56) Данилычев В.А. и др, Молекулярные га-. зовые лазеры высокого давления. М.: Радиотехника, ВИНИТИ;.1977, т. 12.

Chou М.S., Zawadzkas А.G. IEEE Journal

of Quantum Electronics, 1981, у. 17, N 1, р.

77 — 81, (54) ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР НА ПЕРЕХОДАХ

ВТОРОЙ ПОЛОЖИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ

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 10 см до 7 10 см . 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 перехо".Ж Ä 1836762 АЗ

МОЛЕКУЛЫ АЗОТА С ВОЗБУЖДЕНИЕМ

ЭЛЕКТРОННЫМ ПУЧКОМ (57) Сущность изобретения: газовый лазер содержит размещенную в резонаторе активную среду. состоящую из смеси азота, аргона, гелия и/или неона. В активной среде концбентрация азота составляет от

3,5 10 до 7 10 см з, а концентрация аргона в смеси составляет не более 7 10 см . Зеркала резонатора выполнены с коэффициентом отражения, обеспечивающим превышение порога генерации на перехо.дах Зб(1/2)l,o — 4p(3/2)2,1 атома аргона, а также, по крайней мере, на одном из трех переходов Зр (1/2)э — Зз(1/2) 1 Зр(1/2)1— — 3s(3/2) 2, Зр(1/2)> — Çs(3/2) i системы

3p — 3s переходов атомов неона. 2 з.п. ф-лы, 1 ил. дах 30(1/2)1,о — 4p(3/2,1 атома аргона.

Зеркала резонатора лазера выполнены с коэффициентом отражения. обеспечивающим превышение порога генерации, по крайней

l мере, на одном из трех переходов 3р.(1/2)> — 3s(1/2)>о, Зр(1/2)> — Çs)3/2)2О, 3p(1/2)1— 3s(3/2)1о системы Зр-Зз переходов атома неона.

Указанные переходы атома аргона

=1,793 мкм находятся в ближнем ИК диапазоне, а переходы неона, соответственно, 585.

703, 725 нм — в жел го-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

1836762 нижних лазерных уровней при высоком давлении буферных газов, а также на ыалой скорости процесса эксимеризации

Аг+ Аг+ He - Агг+ Не, конкурирующего с основным каналом накачки

А + N N2 (Cз„- ф. А

Это позволило эначйтельно 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 (Йг)мин определяется из условия, что при достаточной для работы лазера мощности возбуждения Рн скорость передачи возбуждения от Аг к Йг kn (N2) превосходит

« скорость асср иативной ионизации

Ма(Аг ka Рн 4En (hen+ 20 э — энергия создания Ar" при ионизирующей накачке) и составляет=1 Торр. Максимальная концентрацйя азота 20 Торр установлена экспериментально. Минимальная концентрация аргона (при данной концентрации азота) определяется тем условием, что перезарядка молекулярного иона Нег и пеннинговская ионизация с Не приводят, главным образом, к образованию ионов Ar a не йг .

Максимальная концентрация аргона в активной среде определяется условием эффективной генерации на 3d — 4р переходах аргона, что означает, что диссоциативная рекомбинация гетероядерных ионов HeAr

HeAr +е —.Аг (3d)+ Не происходит быстрее образования гомоядерных молекулярных ионов

HeAr +Ar Агг + Не

Возможность использования малой -1

Торр концентрации азота позволяет при диссоциативной рекомбинации Нег достаточно эффективно(несмотря на быструю перезарядку Мег на Йг) получить стационарную инверсию и генерацию в видимой области спектра на 3p — 3s переходах неона в четырехкомлонентной смеси

Не/Ne/Аг/Кг одновременно с генерацией в

УФ на 2+ системе азота и в ближнем ИК на переходах аргона 3d(1/2) 1,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 ао порогового коэффициента усиления. Для простого резонатора из двух зеркал с коэффициентами отражения

R1, Иг это условие имеет очевидный вид (без учета дифракционных потерь):

2 1а ln /Я1йг, где 1 — активная длина лазера (длина усиления).

Более удачный выбор состава активной среды и условий генерации (превышение порога генерации на соответствующих переходах) позволил повысить КПД лазера и расширить диапазон генерируемых длин волн, B условиях достаточно эффективной генерации ближнего инфракрасного (и ви"5 димого) излучения удалось реализовать и эффективную генерацию на 2 системе азота. Кроме того, генерация на 3d-4р переходах аргона дополнительно повышает КПД лазера на 2 системе азота, уменьшая поглощение УФ квантов с Аг (Зо) — уровней.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где приведена схема газового лазера. Лазер включает электронную пушку 1 со взрывоэмиссионным катодом 2, лазерную 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 помощью системы напуска и откачки 5 в лазерной камере 3 формируется заданный состав активной среды, Генерируемый като35

4б

55 дом 2 электронной пушки 1 пучок быстрых электронов вводится в лазерную камеру 3 через разделительную фольгу 4. Электронный пучок возбуждает активную среду. размещенную в резонаторе, состоящем из зеркал 6,7. На соответствующих переходах образуются инверсия населенностей и усиление, что при достаточной добротности резонатора обеспечивает генерацию лазерного излучения.

Пример реализации.

Опыты проводились на установке с активным 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, г энергия электронов 180 кэВ.

При возбуждении активной среды 2 мм рт.ст. (7 10 см Нг(40 мм рт.ст.(1.4 10 ем )Аг/4атм(мб см а). Не была полунена полная энергия генерации=35 мДж (20 мДж на Ь358 нм и 15мДж на 1=1,79 мкм) при

КПД по вложенной энергии 5 . При включении в состав активной среды 300 мм рт.ст.

19 -3. (10 см > неона была получена генерация на четырех длинах волн с интегральными энергией излучения 26 мДж (8 мДж на

1836762

Составитель K.Áàðèíîâ

Техред М.Моргентал . Корректор СЯатрушева

Редактор

Заказ 3024 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Ь358 нм, 3 мДж на -585 нм, 5 мДж на

Ае725 нм и 10 мДж на,Ь1,79 мкм) и КПД по вложенной энергии 2,6 . Прозрачность резонатора на укаэанных длинах волн составляла 10, 1070, 6, 8, соответственно.

Эти результаты существенно выше, чем при еоэбуждении соотаетстеующей прототипу смеси22мм рт.ст.(77 10 см э/Э(э/400мм рт.ст. (1,4 10 см Аг/1 атм Ne/400 мм рт.ст. Не, когда была получена энергия иэлучения=6 мДж с КПД по вложенной энергии 0,4;(„ причем генерация происходила только на 2+ системе азота (А 358 нм).

Формула изобретения

t. Газовый 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, о т л и ч а ю щ ий с я тем, что, с целью повышения КПД генерации, концентрация азота в смеси составляет 3.5 10 6 7 10 смз.

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

5 генерируемых длин волн, концентрация аогона в смеси составляет не более 7 10 см, но не менее чем в три раза больше концентрации азота. при этом зеркала резонатора выполнены с коэффициентом отра10 жения, обеспечивающим превышение порога генерации на переходах 3d(1/2)1,о -4р(3/2Ъ.1 атома аргона.

3. Лазер по пп. 1 и 2, о т л и ч à ю щ и йс я тем, что зеркала резонатора выполнены

15 с коэффициентом отражения. обеспечивающим превышение порога генерации по крайней мере на одном из трех переходов

Зр (1/2)о — 3s (1/2J), Зр(1/2)ф — Зз(3/2), 3p(1/2)1 — 3s(3/2}> системы 3p — 3s перехо20 дов атома неона.