Способ получения генерации в газовом лазере

 

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к способам получения генерации в газовом лазере с помощью ион-ионной рекомбинации для заселения верхних лазерных уровней. Активную среду лазера составляют, по меньшей мере, из легкоионизуемого компонента, компонента с большим сечением прилипания электронов и буферного газа. Возбуждение активной среды осуществляется периодически повторяющимися импульсами, параметры которых выбирают так, чтобы в течение импульса происходила ионизация легкоионизуемого компонента, после чего возбуждение прекращают. Повторяют импульс возбуждения после восстановления компонентов активной среды. Технический результат изобретения: способ позволяет получить генерацию на новых линиях спектра, увеличить эффективность генерации. 2 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано для создания импульсных лазеров видимого, УФ и ИК-диапазонов спектра, например лазеров, на парах металлов и их соединений.

Известен способ получения генерации в газовых лазерах, использующий для создания инверсии в активной среде трехчастичную рекомбинацию электронов и положительных ионов. Однако такой механизм создания инверсии имеет недостатки, что сильно ограничивает возможности повышения эффективности лазеров указанного типа. Существенный недостаток этого способа состоит в том, что трехчастичная рекомбинация не обеспечивает селективности заселения верхних лазерных уровней, нижние лазерные уровни также заселяются в процессе такой рекомбинации. Запасенная при ионизации энергия тратится при трехчастичной рекомбинации на заселение большого числа уровней, лишь малая часть переходов с которых способна обеспечить лазерную генерацию. Кроме того, скорость трехчастичной рекомбинации и, следовательно, скорость накачки верхних рабочих уровней, относительно невелика, что затрудняет получение достаточного усиления и снижает характеристики генерации. На переходах в атомах использование трехчастичной рекомбинации не привело к созданию практически интересных лазеров. Наилучшие результаты среди лазеров этого типа получены с лазерами на переходах ионов стронция и кальция (КПД~0,1%, средняя мощность - единицы Вт) [1]. Однако использование переходов в ионах также приводит к ограничениям эффективности, так как при этом требуется большая энергия для двукратной ионизации исходных атомов.

Гораздо более высокую степень селективности заселения верхних рабочих уровней лазерных переходов обеспечивает способ создания инверсии с использованием ион-ионной рекомбинации [2]. В литературе рассматривалось образование инверсии в процессе ион-ионной рекомбинации в непрерывном, стационарном и квазистационарном режимах. Лазерная генерация в процессе ион-ионной рекомбинации была получена в работах А.М. Шухтина и его сотрудников [3,4] на переходах в атомах натрия и калия в квазистационарном режиме в течение импульса тока в смесях инертного газа, водорода и паров натрия, калия. Данный способ получения генерации, наиболее близкий к предлагаемому, содержит, однако, некоторое внутреннее противоречие, препятствующее повышению эффективности и созданию практически интересных систем, поскольку работа в непрерывном, стационарном и квазистационарном режимах требует создавать в активной среде одновременно условия и для ионизации и для рекомбинации, что является противоречивым требованием. Это, в частности, не позволяет раздельно оптимизировать условия подготовки активной среды и условия создания инверсии и получения лазерной генерации на выбранном переходе, вынуждая реализовать некоторый "усредненный" набор условий, как правило, одинаково плохо подходящий для указанных процессов.

Задача, решаемая изобретением, - расширение класса импульсных газовых лазеров, увеличение эффективности генерации, получение генерации на новых линиях в указанных диапазонах спектра, в том числе на переходах, оканчивающихся на основном состоянии атомов. Предлагаемым изобретением эта задача решается разделением во времени процессов ионизации (импульсы возбуждения) и рекомбинации (межимпульсный интервал), что позволяет независимо выбрать наилучшие условия получения положительных ионов в период ионизации и условия получения отрицательных ионов с последующей ион-ионной рекомбинацией. Это позволяет улучшить условия образования инверсии, увеличить КПД и расширить класс рабочих смесей и переходов, на которых можно получить инверсию и генерацию. В частности, можно использовать компоненты, обладающие, большими сечениями прилипания только при низких энергиях электронов, которые нельзя использовать в условиях ионизационной неравновесности, т.к. для эффективной ионизации требуются достаточно высокие энергии электронов. Известно, что с ростом энергии электронов сечения прилипания сильно уменьшаются.

Для достижения указанного технического результата предлагается следующий способ создания активной среды. Смесь, содержащая легкоионизуемый компонент (например, пары металла), компонент с большим сечением прилипания электронов (например, молекулы с большим сечением диссоциативного прилипания) и буферный газ (например, гелий, неон или другой инертный газ), возбуждается периодическим разрядом или пучком заряженных частиц до тех пор, пока легкоионизуемый компонент не ионизуется в такой степени, чтобы заселенность предлагаемых нижних лазерных уровней была много меньше числа образовавшихся положительных ионов легкоионизуемого компонента. Для повышения эффективности желательно ионизовать этот компонент практически полностью. При этом буферный газ и компонент с большим сечением прилипания для достижения высокой эффективности подбираются с высокими потенциалами ионизации, температура электронов в процессе возбуждения поддерживается на уровне, при котором интенсивно ионизуется легкоионизуемый компонент, а буферный газ и компонент с большим сечением прилипания ионизуются и возбуждаются слабо, что обеспечивает малые паразитные потери энергии электронов. После достаточной ионизации легкоионизуемого компонента возбуждение прекращается и по мере падения электронной температуры происходит интенсивное прилипание электронов, образовавшихся в течение импульса возбуждения, к компоненту с большим сечением прилипания. Образовавшиеся в этом процессе отрицательные ионы рекомбинируют с положительными ионами, образованными из легкоионизуемого компонента при возбуждении и ионизации. В процессе этой ион-ионной рекомбинации селективно заселяются один (или небольшое число) уровней легкоионизуемого компонента (например, атома металла), в результате чего на переходах с этого (или этих) уровней образуется инверсия населенности и возникает генерация на переходах на нижерасположенные уровни, опустошенные в процессе ионизации. При высокой степени ионизации генерация возникает в том числе и на переходах в основное состояние легкоионизуемого компонента. После прекращения генерации и восстановления компонента с большим сечением прилипания процесс повторяется, что позволяет получать импульсно-периодическую генерацию с большой средней мощностью.

Отличительными признаками предлагаемого способа от известных описанных выше являются: в отличие от трехчастичной ион-ионная рекомбинация обеспечивает селективность и приводит к заселению небольшого числа уровней или даже одного уровня. Кроме того, скорость ион-ионной рекомбинации намного больше, чем скорость трехчастичной, т.е. скорость накачки на верхние лазерные уровни намного выше, что важно для получения эффективной генерации. В предлагаемом способе разделены во времени процессы ионизации (импульсы возбуждения) и рекомбинации (межимпульсный интервал), что позволяет независимо оптимизировать условия получения положительных ионов в период ионизации и условия получения отрицательных ионов с последующей ион-ионной рекомбинацией. Это позволяет существенно улучшить условия образования инверсии, увеличить КПД и расширить класс рабочих смесей и переходов, на которых можно получить инверсию и генерацию.

Примером, иллюстрирующим предлагаемый способ получения генерации, может служить лазер на переходах атома меди. В рабочей смеси, состоящей из атомов меди (легкоионизуемый компонент, полученный испарением меди из расплава при температуре около 1500^oС), атомов неона (буферный газ при давлении в диапазоне до 300 Торр) и молекул бромистого водорода (молекулы с большим сечением диссоциативного прилипания электронов, максимум которого соответствует энергии электронов порядка десятых долей эВ), возбуждают импульсный электрический разряд, прикладывая к разрядному объему, содержащему рабочую смесь, электрическое напряжение, которое обеспечивает ионизацию атомов меди (потенциал ионизации - 7,73 эВ).

Получив степень ионизации, при которой плотность атомов меди становится пренебрежимо мала по сравнению с плотностью ионов, приложенное напряжение обрывают. Крутизну среза импульса и количество бромистого водорода выбирают таким образом, чтобы максимизировать скорость образования отрицательных ионов в процессе диссоциативного прилипания электронов к молекулам бромистого водорода. Известно, что в такой смеси процесс рекомбинации плазмы протекает в два этапа: вначале происходит прилипание электронов к молекуле НВr с образованием отрицательных ионов брома, а затем быстрая ион-ионная рекомбинация. В процессе такой рекомбинации, как показали расчеты, происходит заселение только резонансных уровней меди, с которых возможна генерация на расположенные ниже метастабильные уровни и в основное состояние, опустошенные в процессе ионизации и не заселяемые в процессе рекомбинации.

Примером осуществления способа по п.2 может служить лазер на бромиде меди с водородом, в котором, как известно, в результате действия импульсного разряда и последующих химических реакций образуются атомы меди и молекулы НВr. Таким образом, в этом случае также образуется среда, состоящая из легкоионизуемого компонента - атомов меди, буферного газа и молекул с большим сечением прилипания. Другие процессы, приводящие к образованию инверсии и возникновению генерации, такие же, как и в первом примере, иначе говоря исходный состав активной среды образуется из соответствующих химических соединений за счет физико-химических реакций в разрядном объеме.

Источники информации 1. И. Г. Иванов, Е.Л. Латуш, М.Ф. Сэм. Ионные лазеры на парах металлов. -М.: Энергоатомиздат, 1990.

2. Б.М. Смирнов. Газовый лазер на отрицательном ионе, ДАН СССР, т. 173, 2, с.с. 316-319, 1967.

3. А.М. Шухтин, А.С. Тибилов. Лазер на линиях натрия при рекомбиншщи Na+ и Н-, в сб. Физика газовых лазеров, Л. Изд. ЛГУ, с.с. 122-144, 1969.

4. В.Г. Мишаков, Т.А. Ткаченко. Образование отрицательных ионов водорода в плазме смеси Na-Ne-H2, Оптика и спектр, т. 65, 5, с.с. 1043-1047, 1988.

Формула изобретения

1. Способ получения генерации в газовом лазере, основанный на использовании ион-ионной рекомбинации для заселения верхних лазерных уровней, отличающийся тем, что для получения генерации активную среду лазера составляют, по меньшей мере, из легкоионизуемого компонента, компонента с большим сечением прилипания электронов и буферного газа, возбуждение активной среды осуществляют в режиме периодически повторяющихся импульсов, параметры которых выбирают так, чтобы в течение импульса происходила ионизация легкоионизуемого компонента, после чего возбуждение прекращают и повторяют импульс возбуждения после восстановления компонентов активной среды.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что исходный состав активной среды образуется из соответствующих химических соединений за счет физико-химических реакций в разрядном объеме.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что выбором параметров импульсного возбуждения достигают полной ионизации легкоионизуемого компонента.