Способ уменьшения предымпульсной концентрации электронов в активной среде лазера на парах галогенида металла и активный элемент лазера на парах галогенида металла

 

Изобретение относится к квантовой электронике. В способе в качестве газообразной добавки выбирают легкоионизуемое вещество, атомы которого имеют потенциал ионизации J_д, меньший потенциала ионизации атомов рабочего металла J_м, причем его концентрация составляет от 0,05 до 0,15% концентрации атомов рабочего металла. Активный элемент лазера содержит вакуумно-плотную оболочку, снабженную двумя электродами на ее концах и периодично расположенными в нижней ее части N контейнерами. Вакуумно-плотная оболочка выполнена с цилиндрическими выступами по обе стороны от электродов. Внутри ее рабочего канала периодично по его длине помещены навески рабочего металла, а снаружи рабочий канал снабжен теплоизоляцией. Техническим результатом является повышение частотных, энергетических характеристик за счет уменьшения предымпульсной концентрации электронов в активной среде лазера. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к квантовой электронике, лазерам на парах металлов, и может быть использовано при разработке лазеров на парах галогенида металла, например бромида меди, для целей медицины, микроэлектронных технологий, навигации, научных исследований, зондирования атмосферы и т.д.

Известен способ уменьшения предымпульсной концентрации электронов [П.А.Бохан, В.И.Силантьев, В.И.Соломонов. О механизме ограничения частоты следования импульсов генерации в лазере на парах меди. Квантовая электроника. 1980. Т. 7. С.1264-1269; Withford M.J., Brown D.J.W., Piper J.A. Investigation of the effects of hydrogen and deuterium on copper vapour laser performance. Optics Communications. 1994. V. 110. P.699-707], заключающийся во введении в активную среду лазера на парах металла молекулярной добавки водорода (Н₂) (в диапазоне нескольких процентов от концентрации буферного газа).

Недостатки способа: элементы активного элемента содержат внутри себя водород, который в процессе работы выделяется в активную среду, что затрудняет контроль уровня водорода в активном элементе лазера и реализацию способа, кроме того, степень уменьшения предымпульсной концентрации электронов при введении добавки водорода при низкой частоте следования импульсов возбуждения оказывается незначительной.

Известен активный элемент лазера на парах галогенида металла [Батенин В.М., Бучанов В.В., Казарян М.А., Климовский И.И., Молодых Э.И. Лазеры на самоограниченных переходах атомов металлов. М.: Научная книга. 1998, стр. 69]. Активный элемент лазера представляет собой вакуумно-плотную кварцевую оболочку, снабженную электродами на ее концах, засыпанными медной стружкой. Рабочий канал активного элемента лазера покрыт слоем теплоизолятора. Рабочий металл помещен в отросток, который помещен в нагревательную печь. Концевые участки вакуумно-плотной оболочки имеют диаметр, превышающий диаметр рабочего канала, и снабжены отражателями и выходными окнами.

Недостатками активного элемента лазера является то, что для введения газообразной добавки необходимо наличие дополнительного источника питания, затруднен контроль над количеством введенной газообразной добавки, невозможно достичь продольной однородности введения газообразной добавки, кроме того отсутствует возможность независимой регулировки количества вводимого в рабочий канал рабочего металла и добавки.

Известен способ уменьшения предымпульсной концентрации электронов [US, №6175583, опубл. 16 января 2001], заключающийся во введении в активную среду лазера на парах металла газообразной добавки хлорводорода (НСl) (в диапазоне нескольких десятых процентов от концентрации буферного газа).

Недостатки способа: для осуществления способа необходимо создание сложной прокачной системы, которая имеет гораздо меньшую по сравнению с отпаянными вариантами надежность. Реализация способа затруднена из-за того, что использование токсичного газа HCl связано с риском для жизни персонала, обслуживающего данную установку. Вследствие малой величины необходимой добавки HCl, обеспечивающей уменьшение предымпульсной концентрации электронов, осложнен контроль за ее уровнем в активной среде. Кроме того, затрудняется по причине громоздкости изделия реализация способа в промышленных условиях.

Известен активный элемент лазера на парах меди [патент US №3831107, опубликован 20.08.1974]. Активный элемент лазера (фиг.1) представляет собой вакуумно-плотную оболочку 10, которая внутри содержит электроды 12 и 14, расположенные друг напротив друга и соединенные через изолирующую втулку 27 проводниками 16 и 18 с импульсным генератором 20, который, в свою очередь, проводниками 22 и 24 соединен с источником питания 26. Рабочий канал 48 расположен между электродами 12 и 14. Отражатель 28 расположен непосредственно по краям рабочего канала 48. Внутри, в верхней части, вакуумно-плотной оболочки 10 расположен конденсатор металла 30, охлаждаемый протекающей по расположенной внутри него системе труб 32 жидкостью. Вакуумно-плотная оболочка 10 снабжена испарителями меди 34 и 36, которые герметично изолированы от испарителя добавки (цезия) 38. Все испарители 34, 36, 38 содержат электрически нагреваемые контейнеры, которые имеют расположенную сверху систему капилляров или направляющих 39, расположенных вдоль направлений 46. Проводники 40, 42, 44 соединены соответственно с испарителями 34, 36, 38 и с дополнительным источником питания. Вверху вакуумно-плотная оболочка имеет соединение с вакуумным насосом 51.

Недостатком активного элемента лазера является то, что для введения газообразной добавки необходимо наличие дополнительного источника питания, а также затруднен контроль над количеством введенной газообразной добавки и невозможно достичь продольной однородности введения газообразной добавки.

Известен способ уменьшения предымпульсной концентрации электронов [D.N.Astadjov, N.V.Sabolinov, N.K.Vuchkov. Effect of hydrogen on CuBr laser power and efficiency. Optics Coomunication. 1985. V. 56. P.279-282; C.E.Little, D.R.Jones, S.A.Fairlie, C.G.Whyte. Metal HyBrID lasers. Pulsed Metal Vapor Laser. The Netherlands: Kluwer. 1996. P.125-136], выбранный в качестве прототипа, заключающийся во введении в активную среду лазера на парах металла добавки бромводорода (НВr) (в диапазоне нескольких процентов от концентрации буферного газа).

Недостатки способа: для осуществления способа необходимо создание сложной прокачной системы, которая имеет гораздо меньшую по сравнению с отпаянными вариантами надежность. Реализация способа затруднена из-за того, что использование токсичного газа НВr связано с риском для жизни персонала, обслуживающего данную установку. Вследствие малой величины необходимой добавки НВr, обеспечивающей уменьшение предымпульсной концентрации электронов, осложнен контроль за ее уровнем в активной среде. Кроме того, затруднена по причине громоздкости изделия реализация способа в промышленных условиях.

Известен активный элемент лазера на парах галогенида металла [N.V.Sabotinov, I.K.Kostadinov, H.W.Bergmann, R.Salimbeni, J.Mizeraczyk. A 50-Watt copper bromide laser. SPIE. 2001. V. 4184. P.203-206], выбранный в качестве прототипа. Активный элемент лазера (фиг. 2) состоит из вакуумно-плотной оболочки, которая снабжена электродами на ее концах. Электроды засыпаны медной стружкой. Рабочий металл помещен в отростки, расположенные в нижней части вакуумно-плотной оболочки. Рабочий канал активного элемента лазера вместе с контейнерами окружен металлическим кожухом, в который вмонтированы нагреватели, а также содержатся средства контроля температуры контейнеров с рабочим металлом, включающие блок контроля температуры контейнеров и термопару, расположенную непосредственно на стенке контейнера с рабочим металлом.

Недостатки активного элемента лазера: при эксплуатации лазера используются два источника питания - источник питания активного элемента лазера и источник питания нагревателей контейнеров, требующие стабилизации его работы и их взаимной стабилизации для оптимального режима.

Задачей группы изобретений является повышение частотных, энергетических характеристик лазеров на парах галогенида металла за счет уменьшения предымпульсной концентрации электронов в активной среде лазера и создания для этого простого и надежного активного элемента лазера на парах галогенида металла для введения легкоионизуемой добавки.

Поставленная задача достигается тем, что в способе уменьшения предымпульсной концентрации электронов в активной среде лазера на парах галогенида металла, включающем так же, как в прототипе, введение в активную среду газообразной добавки, согласно изобретению в качестве газообразной добавки выбирают легкоионизуемое вещество, атомы которого имеют потенциалом ионизации J_д, меньший потенциала ионизации атомов рабочего металла J_м, причем его концентрация составляет от 0.05 до 0.15% концентрации атомов рабочего металла.

Поставленная задача также решена за счет того, что в активном элементе лазера на парах галогенида металла, содержащем, как и прототип, вакуумно-плотную оболочку, снабженную двумя электродами на ее концах, и периодично расположенными в нижней части N контейнерами, тепловую камеру, термодатчик и блок контроля температуры, согласно изобретению вакуумно-плотная оболочка выполнена с цилиндрическими выступами по обе стороны от электродов, причем внутри ее рабочего канала периодично по его длине помещены навески рабочего металла, снаружи рабочий канал снабжен теплоизоляцией, а тепловая камера расположена под вакуумно-плотной оболочкой, охватывая контейнеры, в которые помещена легкоионизуемая добавка, причем контейнеры присоединены к вакуумно-плотной оболочке и их высота выбрана от 2,0 до 3,5 диаметра рабочего канала, а их длина - не менее диаметра рабочего канала, кроме того, в тепловой камере помещены по крайней мере один термодатчик и один вентилятор, которые электрически связаны с блоком контроля температуры.

При введении легкоионизуемой добавки, например цезия, в активную среду лазера на парах галогенида металла, например бромида меди, происходит уменьшение вводимой в газоразрядной трубке мощности. Это происходит вследствие того, что для получения того же количества электронов приходится затрачивать меньшую энергию, так как потенциал ионизации цезия 3,89 эВ значительно меньше потенциала ионизации меди 7,72 эВ. Это приводит к повышению эффективности лазера. Проведенные эксперименты показали, что введение добавок цезия ведет к уменьшению мощности, затрачиваемой на ионизацию атомов буферного газа (фиг. 3, кривые 2). Это ведет к уменьшению степени ионизации неона. Уменьшаются и плотности мощности, которые идут на ионизацию атомов меди (фиг. 3, кривые 4), вследствие этого уменьшается итоговая ионизация меди. Это происходит по причине "перехвата" части энергии, вкладываемой в плазму (фиг. 3, кривая 1), на ионизацию легкоионизуемой добавки (фиг. 3, кривая 5), причем плотность потока мощности, затрачиваемой на нагрев газа в упругих столкновениях, остается неизменной (фиг. 3, кривая 3). При увеличении концентрации атомов добавки этот эффект проявляется наиболее отчетливо. Необходимо заметить, что при этом потоки мощности, затрачиваемые на охлаждение электронов за счет упругих столкновений с атомами неона и ионами меди и цезия, остаются практически неизменными.

В начале импульса возбуждения основным поставщиком электронов являются атомы цезия. Они быстро, практически полностью, ионизируются, причем с гораздо меньшими затратами энергии, чем при ионизации атомов меди. После этого электроны производятся в основном в результате ионизации меди, но итоговая степень ионизации и концентрация электронов оказываются меньше. После ионизации атомов цезия уменьшается скорость нарастания концентрации электронов.

Рассмотрим теперь процессы, происходящие на этапе послесвечения. Известно, что ионизация атомов буферного газа незначительна [Батенин В.М., Бучанов В.В., Казарян М.А., Климовский И.И., Молодых Э.И. Лазеры на самоограниченных переходах атомов металлов. М.: Научная книга. 1998]. Общая концентрация электронов на этапе релаксации в основном определяется вкладом электронов, полученных в результате ионизации атомов меди и электронов, образовавшихся в результате ионизации атомов цезия. Скорость релаксации концентрации электронов определяется следующим выражением:

5,4·10^-27·Т^-45_е,

где Те - температура электронов.

Таким образом, вследствие меньшей ионизации атомов меди уменьшится общая концентрация электронов на этапе послесвечения и, следовательно, значение предымпульсной концентрации электронов.

Значение оптимальной концентрации газообразной легкоионизуемой добавки определено следующим: при значениях, меньших 0,05% от концентрации атомов рабочего металла, наблюдаемое уменьшение значения предымпульсной концентрации электронов не обеспечивает существенного увеличения генерационных характеристик лазера на парах галогенида металла; превышение верхнего предела, т.е. 0,15% от концентрации атомов рабочего металла приводит к увеличению предымпульсной концентрации электронов, что ухудшает выходные характеристики лазера.

Исходя из этого можно заключить, что введение легкоионизуемой добавки приводит к увеличению срока службы и повышению генерационных характеристик лазера до 50%.

Выполнение вакуумно-плотной оболочки активного элемента с предлагаемой конструкцией и соответствующим размещением легкоионизуемой добавки относительно рабочего канала позволяет создать условия саморазогревного режима работы лазера, в котором температура рабочего канала и скорость вращения вентиляторов определяют температуру контейнеров. По мере разогрева активного элемента лазера создаются условия для плавления легкоионизуемой добавки и осуществления подачи ее паров в рабочий канал через отверстия в вакуумно-плотной оболочке.

Значение высоты контейнера выбрано исходя из следующего: при значении, меньшем 2-х диаметров рабочего канала, происходит перегрев контейнера, что ведет к неконтролируемому поступлению паров легкоионизуемой добавки в рабочий канал. Превышение верхнего предела 3,5 диаметра рабочего канала приводит к недогреву контейнеров. Наименьшая длина контейнеров определяется размещением в нем достаточного для длительной работы количества легкоионизуемой добавки и отводом тепла, необходимым для создания его паров. Число контейнеров определяется однородным распределением паров легкоионизуемой добавки по длине рабочего канала и составляет 1 контейнер на 30-40 см длины рабочего канала. Максимальная длина контейнера может быть увеличена вплоть до их соединения между собой, с условием сохранения между ними перегородки для устранения проникновения в них разряда.

Дополнительное утепление рабочего канала теплоизоляцией позволяет ему достичь рабочей температуры.

Размещение контейнеров, содержащих легкоионизуемую добавку, в тепловой камере устраняет необходимость их утепления теплоизоляцией для образования паров рабочего металла и создает возможность контролирования их температуры. Тепловая камера выполняется с воздушным охлаждением и может иметь как прямоугольную, так и цилиндрическую форму. Ее стенки должны отстоять от стенок вакуумно-плотной оболочки на расстоянии, устраняющем возникновение разряда между ними. Количество вентиляторов, встроенных во внешнюю стенку тепловой камеры, определяется длиной рабочего канала активного элемента.

Стационарный режим работы при оптимальном давлении паров легкоионизуемой добавки поддерживается охлаждением контейнеров внутри тепловой камеры. При превышении температуры в камере автоматически включаются вентиляторы и впоследствии также автоматически выключаются при достижении оптимальной температуры.

Дополнительные преимущества ловушек заключаются в снижении степени загрязнения выходных окон и электродов рабочим металлом и легкоионизуемой добавкой и тем самым увеличении срока службы лазера.

В настоящей заявке соблюдено требование единства изобретения, поскольку устройство активного элемента лазера предназначено для осуществления способа уменьшения предымпульсной концентрации электронов в активной среде лазера на парах галогенида металла.

Заявленные изобретения решают одну и ту же задачу - повышение частотных и энергетических характеристик лазеров на парах галогенида металла за счет достижения одного и того же технического результата при осуществлении изобретений - уменьшения предымпульсной концентрации электронов в активной среде лазера на парах галогенида металла.

На фиг. 1 представлена схема газоразрядной трубки лазера на парах меди. На фиг. 2 приведена конструкция газоразрядной трубки лазера на парах галогенида меди. На фиг. 3 изображены временные зависимости мощности Q, вводимой в плазму газоразрядной трубки (1), идущей на ионизацию неона (2), затрачиваемой на нагрев газа в упругих столкновениях (3), идущей на ионизацию меди (4), идущей на ионизацию легкоионизуемой добавки (цезия) (5). Сплошные кривые для N_Сs=9×10¹² см^-3, пунктир для N_Cs=0 см^-3.

На фиг. 4 представлено схематичное изображение газоразрядной трубки лазера на парах галогенида металла.

Активный элемент лазера (фиг. 4) представляет собой цилиндрическую вакуумно-плотную кварцевую оболочку 1 с электродами 2 на ее концах. Электроды 2 засыпаны медной стружкой. Рабочий канал 3 вакуумно-плотной оболочки 1 снаружи снабжен теплоизоляцией 4 и имеет в своей нижней части два отверстия 5. Внутри, в нижней части, рабочего канала 3 расположены четыре навески 6 рабочего металла, например бромида меди. В нижней части рабочего канала 3 расположены два контейнера 7 с легкоионизуемой добавкой, например цезием, в твердом состоянии. На концах вакуумно-плотной оболочки расположены выходные окна 8. По обе стороны от электродов 2 установлены ловушки 9, представляющие собой цилиндрические выступы в вакуумно-плотной оболочке 1. Снизу контейнеры 7 с легкоионизуемой добавкой охвачены тепловой камерой 10. Продольная внутренняя стенка тепловой камеры 10 имеет отверстия 11 для отвода тепла. Внешняя стенка тепловой камеры 10 оснащена двумя вентиляторами 12, а внутри тепловой камеры 10 установлен термодатчик 13, например термопара, электрически связанный с блоком контроля температуры 14 (БКТ), который в свою очередь соединен с вентиляторами 12. Электроды 2 соединены с импульсным источником питания 15 (ИИП).

Теплоизоляция 4 представляет собой, например, каолиновую вату.

Контейнеры 7 с легкоионизуемой добавкой имеют высоту в два диаметра рабочего канала 3 - 6 см и длину в диаметр рабочего канала 3 - 3 см.

Данная конструкция активного элемента лазера на парах галогенида металла может в качестве рабочего металла содержать элементы из группы CuF, CuCl, CuBr, CuI, PbBr, PbCl, SnBr, SnCl, SnF, AuCl, FeCl, HgBr, HgCl, HgF, ReCl, ReBr и другие, а в качестве легкоионизуемой добавки - элементы из группы К, Rb, Cs, Fr и другие.

Блок контроля температуры 14 может быть выполнен на основе микроконтроллера Intel 8051. Импульсный источник питания 15 может быть выполнен по одной из стандартных схем [Батенин В.М., Бучанов В.В., Казарян М.А., Климовский И.И., Молодых Э.И. Лазеры на самоограниченных переходах атомов металлов. М.: Научная книга. 1998. С.86], например следующим образом: от промышленной трехфазной сети с помощью высоковольтного трехфазного трансформатора и выпрямителя, реализованного по схеме Ларионова, осуществляется заряд накопительного конденсатора разрядного контура, который содержит активный элемент лазера. С заданной частотой коммутатор, например, тиратрон ТГИ-1000/25, подключает накопительный конденсатор к электродам активного элемента лазера.

Активный элемент лазера на парах бромида меди с цезием в качестве легкоионизуемой добавки работает следующим образом. При включении импульсного источника питания 15 на электроды 2 вакуумно-плотной оболочки 1 подается напряжение. В рабочем канале 3 формируется разряд. С течением времени в тепловой камере 10 создаются условия, при которых навески 6 бромида меди внутри рабочего канала 3 достигают необходимой температуры и начинают плавиться и в виде паров поступать в разряд, где пары бромида меди диссоциируют на атомы брома и меди с последующим возбуждением атомов меди и возникновением генерации. При этом температура контейнеров 7 становится достаточной для плавления легкоионизуемой добавки и цезий в газообразном состоянии поступает в разряд. Потенциал ионизации цезия J_д=3,89 эВ имеет гораздо меньшую величину по сравнению с потенциалом ионизации меди J_w=7,72 эВ. Этим посредством плазмохимических реакций обеспечивается увеличение генерационных характеристик лазера на парах галогенида металла. Концентрация введенной добавки цезия составляет 0,1% от концентрации атомов меди. При повышении температуры внутри тепловой камеры 10 выше необходимой для достижения концентрации атомов цезия в 0,1% от концентрации атомов меди срабатывает обратная связь через термодатчик 13 и блок контроля температуры 14 включает вентиляторы 12 до тех пор, пока температура не достигнет прежнего уровня.

Таким образом, предлагаемая конструкция активного элемента лазера на парах галогенида металла позволяет реализовать способ уменьшения предымпульсной концентрации электронов. Наличие обратной связи позволяет поддерживать постоянную разность температур рабочего канала вакуумно-плотной оболочки и контейнеров, обеспечивая оптимальную концентрацию паров легкоионизуемой добавки в активной среде, без использования внешних нагревателей в отличие от известных газоразрядных трубок на парах галогенида металла. Это приводит к значительному увеличению срока службы активного элемента и повышению генерационных характеристик лазера.

Формула изобретения

1. Способ уменьшения предымпульсной концентрации электронов в активной среде лазера на парах галогенида металла, включающий введение в активную среду газообразной добавки, отличающийся тем, что в качестве газообразной добавки выбирают легкоионизуемое вещество, атомы которого имеют потенциал ионизации J_д, меньший потенциала ионизации атомов рабочего металла J_м, причем его концентрация составляет от 0,05 до 0,15% концентрации атомов рабочего металла.

2. Активный элемент лазера на парах галогенида металла, содержащий вакуумно-плотную оболочку, снабженную двумя электродами на ее концах и периодично расположенными в нижней ее части N контейнерами, а также тепловую камеру, термодатчик и блок контроля температуры, отличающийся тем, что вакуумно-плотная оболочка выполнена с цилиндрическими выступами по обе стороны от электродов, причем внутри ее рабочего канала периодично по его длине помещены навески рабочего металла, снаружи рабочий канал снабжен теплоизоляцией, а тепловая камера расположена под вакуумно-плотной оболочкой, охватывая контейнеры, в которые помещена легкоионизуемая добавка, причем контейнеры присоединены к объему вакуумно-плотной оболочки через отверстия в ней и высота контейнеров выбрана от 2,0 до 3,5 диаметра рабочего канала, а их длина - не менее диаметра рабочего канала, кроме того, в тепловой камере помещены, по крайней мере, один термодатчик и один вентилятор, которые электрически связаны с блоком контроля температуры.

3. Активный элемент лазера на парах галогенида металла по п.2, отличающийся тем, что тепловая камера снабжена продольной перегородкой с отверстиями для отвода тепла.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4