Способ получения активной среды в газовом лазере

 

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при создании газовых лазеров с поперечной накачкой. Изобретение представляет собой способ получения активной среды в газовом лазере. В газовом лазере осуществляют напуск рабочей среды в вакуумную камеру, ее возбуждение импульсным поперечным по отношению к оптической оси лазера электронным пучком от вакуумного диода. При этом увеличивают сечение взаимодействия электронного пучка с газом путем обеспечения вблизи оптической оси в заанодной области диода тока пучка электронов выше предельного вакуумного. Технический результат изобретения состоит в повышении эффективности накачки лазерной среды. 1 ил.

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано при создании газовых лазеров с поперечной накачкой электронным пучком.

Газовые лазеры представляют собой один из наиболее широко распространенных типов квантовых генераторов. Их отличительными особенностями является высокая стабильность частоты, временная и пространственная когерентность излучения, разнообразие способов создания инверсной населенности, а также возможность регулировать мощность излучения в очень широких пределах. Эти приборы конструктивно просты и благодаря возможности менять газ и способ накачки способны генерировать в очень широком спектральном интервале (10²-10⁵ нм). В традиционных газовых лазерах инверсная населенность создается в процессе тлеющего разряда, горящего в газе низкого давления, что не позволяет получить значительную мощность лазерной генерации. В газовых лазерах высокого давления удается получить мощность излучения на несколько порядков больше за счет увеличения концентрации атомов и молекул газа.

В работе [1] (Ковальчук В.М., Кременев В.В., Месяц Г.А. и др. Разряд в газе высокого давления, инициируемый пучком быстрых электронов // Журнал прикладной механики и технической физики, 1971, 6, с. 21-29) впервые был получен несамостоятельный разряд в режиме инициирования электронным пучком и были выявлены ряд закономерностей, обусловивших впоследствии его широкое применение для управления объемным разрядом. При высоких давлениях разряд носит объемный характер, и в этом случае возможно независимое управление напряжением горения, током разряда и площадью разрядного столба. Управление током разряда осуществляется за счет изменения тока пучка быстрых электронов. Электронный пучок малой длительности можно применять в лазерах и для предварительной ионизации самостоятельного разряда при напряжении выше статического пробивного. Пучок в этом случае производит однородную ионизацию газа, причем значительно более эффективно, чем, например, ультрафиолетовое излучение. Естественно, что в этом случае его ток будет много меньше, чем при возбуждении несамостоятельного разряда. К преимуществам электронной накачки следует отнести широкий диапазон длин волн, на которых получена генерация, простирающийся от инфракрасного спектра до вакуумного ультрафиолета, в некоторых случаях до рентгеновского диапазона.

В работе [2] (Рэди Дж. Промышленное применение лазеров. - М.: Мир, 1981) представлены параметры эксимерных лазеров на аргоне, криптоне, ксеноне. Эксимеры инертных газов при высоком давлении испускают молекулярное излучение в области от видимого до вакуумного ультрафиолетового диапазона спектра и обладают высоким коэффициентом преобразования энергии электронов в световое излучение.

Известен способ получения активной среды в газовом лазере, включающий струйный напуск компонент рабочего газа в полость вакуумной камеры и воздействие на него импульсным поперечным электронным пучком от вакуумного диода, причем это воздействие осуществляют после заполнения анодной полости диода плазмой от срабатывания коаксиальных плазменные пушек, установленных на торцах вакуумной камеры, формирующих струю плазмы на оси диода с плотностью 10^-16-10^-19 см^-3 (активная среда) и охватывающую ее кольцевую струю (источник ионов) с плотностью 10¹²-10¹⁴ см^-3 [3] (А.с. 845722, кл. Н 01 S 3/22, опубл. 15.04.82, БИ 14).

В лазере, реализующем данный способ, значительно увеличивается мощность вследствие повышения эффективности накачки за счет группировки ионного сходящегося пучка при ускорении его в электрическом поле параболического типа, и возможности изменения состава плазмы, используемой в качестве активной среды лазера и сорта ионов для создания инверсной населенности.

Однако способ чрезмерно сложен из-за необходимости формирования пучка электронов, ионного пучка и пучка активной среды.

Известен способ получения активной среды в газовом лазере, включающем напуск рабочего газа в полость вакуумной камеры и ее возбуждение импульсным поперечным по отношению к оптической оси лазера электронным пучком от вакуумного диода [4] (Пономаренко А.Г., Солоухин Р.И., Храпов Ю.И. Энергетические характеристики химического HF-лазера, инициируемого электронным пучком. В сб.: Газовые лазеры. - Новосибирск, 1977, с. 103-111).

Этот способ осуществляется в устройстве, состоящем из ускорителя пучка электронов и лазерной камеры.

Принцип работы ускорителя электронов следующий. Импульс напряжения, формируемый источником накачки, подается на катод вакуумного диода, пристыкованного к лазерной камере, и вызывает эмиссию электронов и их ускорение. Анодом служит титановая фольга. Электроны пучка, пройдя фольгу, попадают в лазерную камеру, заполненную рабочей средой, и движутся в среде до полного торможения, вызывая ее возбуждение. Излучение выводится из резонатора, зеркала которого размещены в торцах камеры. Данный способ получения активной среды пригоден для различных газов с плотностью, достаточной для максимального поглощения электронного пучка при его однократном прохождении.

Последнее решение как наиболее близкое по технической сущности выбрано в качестве прототипа.

Недостатком прототипа является низкая эффективность поглощения электронного пучка в рабочих средах с малой плотностью при однократном прохождении.

Сущность изобретения. Задачей изобретения является увеличение эффективности поглощения энергии пучка электронов в газовых средах низкой плотности.

Технический результат, который может быть получен при реализации изобретения, заключается в получении активных сред, излучающих в области вакуумного ультрафиолета.

Технический результат достигается тем, что в известном способе получения активной среды в газовом лазере, включающем напуск рабочей среды в лазерную камеру и ее возбуждение импульсным по отношению к оптической оси лазера электронным пучком от вакуумного диода, новым является то, что увеличивают сечение взаимодействия электронного пучка с газом путем обеспечения вблизи оптической оси в заанодной области диода тока пучка электронов выше предельного вакуумного. При реализации такого токового режима вблизи оптической оси в заанодной области формируется виртуальный катод, чем обеспечивается возвратно-поступательное движение электронов, а именно многократное прохождение электронами пучка области возбуждения, способствующее эффективному поглощению энергии пучка при малых давлениях рабочей среды. В результате увеличивается удельная мощность накачки, значительно увеличивается степень ионизации рабочей среды, что позволяет получить лазерную генерацию в области вакуумного ультрафиолета.

На чертеже схематично представлен лазер, реализующий предлагаемый способ, в котором: 1 - источник импульсного напряжения, 2 - вакуумная камера, 3 - катод, 4 - фольговый анод вакуумного диода соответственно, 5 - зеркала резонатора, 6 - оптическая ось.

Способ осуществляется следующим образом. В предварительно откачанную вакуумную камеру 2 напускают рабочую газовую среду, например гелий до давления 1 Topр. От источника импульсного напряжения 1 подают на катод 3 вакуумного диода импульс высокого напряжения с длительностью несколько наносекунд и напряжением, достаточным для обеспечения вблизи оптической оси 6 в заанодной области диода 4 тока пучка электронов выше предельного вакуумного.

Таким образом, в результате в лазерной камере электроны, эмитируемые катодом, ускоряясь в промежутке катод-анод до энергии, например, 100 кэВ-1 МэВ, проходят прозрачный для них фольговый анод и в заанодной области вблизи оптической оси формируют виртуальный катод.

Электроны в области виртуального катода осуществляют возвратно-поступательное движение и эффективно отдают энергию активной среде малой плотности, вызывая в ней высокую степень ионизации. В рабочей среде возникает инверсная населенность и лазерная генерация в области вакуумного ультрафиолета.

На предприятии проведены расчетно-теоретические и экспериментальные исследования, подтверждающие работоспособность способа.

Лазер, реализующий этот способ, найдет применение в микролитографии и других высоких технологиях.

Формула изобретения

Способ получения активной среды в газовом лазере, включающий напуск рабочей среды в вакуумную камеру и ее возбуждение импульсным поперечным по отношению к оптической оси лазера электронным пучком от вакуумного диода, отличающийся тем, что увеличивают сечение взаимодействия электронного пучка с газом путем обеспечения вблизи оптической оси в заанодной области диода тока пучка электронов выше предельного вакуумного.

РИСУНКИ

Рисунок 1