Способ получения лазерного излучения

 

Союз Советских

Социалистииеских

Республик

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (111547167 (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено16.03.70 (2l) 1516407/25 с присоединением заявки № (23) Г1риоритет (43) Опубликовано25.07 77 Бюллетень № 27 (45) Дата опубликования описания 31.08.77 (51) М. Кл.

Н 01 5 3/22

Государственный комитет

Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий (5З) У гЦ(621.375. .8(088.8) (72) Авторы Л. М. Биберман, .В. С. Воробьев, Б. М. Смирнов и А. Е. Шейндлин изобретения

Институт высоких температур AH ССС1» (71) Заявитель (54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЛАЗЕРНОГО 11ЗЛУЧЕ1111Я

Изобретение относится к области квантовой электроники и может, быть использовано при конструировании газовых лазеров с прокачкой рабочего вещества.

Известные газовые лазеры, работаюшие в непрерывном t режиме, по своей мошности и КПД значительно превосходят твердотельные и другие типы лазеров, работаютцих в том же режиме. Мощные газовые лазеры возбуждаются газовым разрядом, причем особенности разряда ограничивают выходную мошность лазера. Действительно, инверсная заселенность может быть получена только при не слишком вьтсокой темйературе тяжелых частиц. Так, например, для лазеров, работающих на

СОе, температура не должна превышать о

700 К. При большей температуре столкновительные процессы приводят к увеличению концентрации молекул на нижнем лазерном уровне. Это обстоятельство ограничивает возможности повышения выходной мощности лазера за счет увеличения поперечных размеров разрядной трубки или плотности газа. При необходимости создать лазер большой мощности, нужно составлять его из отдельных элементов, причем стыковка этих элементов приводит к тому, что мощность лазера возрастас т HL>ö>îii îðïè Dнально размерам (1)

Эти трудности B эпачптельной мере лпквидируются прп использовании б„|стропроточных электрораз1идпьсх лазе-11ов, U которых

crroco6 rzo>iyче ппя качку газовой смеси в газодпнампческом тракте, содержашем резонатор и раз11ядный канал (2) В этом случае в энергию излучения

15 преобразуется электроэнергпя внешней сети. Система питания современных электроразрядпьix лазеров пмеет значительные габариты. Роль п1>стока газа сводится к устранению перегрева смеси. Можно пред 0 видеть, что по мере увели еппя мэшностн затраты энергии па прокачку будут возрастать, снижая КГ1Д лазера как энерге-, тической машины ь целом.

Цель изобретения — увелцче выходной

25 мошности и КПД проточных лазеров.

Это достигается тем, что по предлагаемому способу осуществляют прямое ïðeобразование энергии газового потока в энергию лазерного излучения. Этот способ включает прокачку газовой смеси в газодинамическом тракте, содержащем разрядный канал с резонатором. Однако прокачку осу цествляют в поперечном магнитном поле, создающем индуцированный разряд в лазерной смеси.

Гаэ, протекающий в поперечном магнитном поле, циркулирует так же, как в МГД- генераторе закрытого цикла, являясь одновременно рабочим телом МГД-генератора и ак тивной средой лазера. При движении газа в поперечном магнитном поле возникает индуцированное электрическое поле, которое действует на слабоионизированный газ так же, как электрическое поле, создаваемое внешним источником в известных газоразрядных лазерах, и создает инверсную засепенность на каком-либо уровне активной среды. Таким образом, . энергия газового потока пребразуется в устройстве непосредственно в энергию лазерного излуче- р5 ния

Предлагаемый способ реализуют при помощи устройства, которое можно назвать магнитогидродинамическим лазером (МГДЛ) .

Это устройство включает в себя газодина- 30 мический тракт с резонатором и разрядным

«аналом с непроводящими стенками, из которых две противолежащие снабжены секционированными электродами. Устройство отличается оТ известных лазеров тем, что 35 для получения лазерного излучения по описанному способу, разрядный канал с резонатором помещен между полюсами магнитной системы, магнитное поле которой перпендикулярно направлению " потока газа, 40 а противолежащие электроды попарно эакорочеиы.

Устройство, реализукнцее предлагаемый способ, показано на чертеже, где 1 — соп ло, 2 — диффузор, 3 — канал, 4 — попар- 45 но короткозамкнутые электроды,5 и 6— зеркала резонатора, 7 — магнитная система.

Принцип действия предлагаемого лазера сводится к следующему. 50

Газ, являющийся активной средой, через сопло 1 поступает в канал 3, обладая достаточно низкой температурой,и высокой скоростью течения, которая сравнима или превосходит скорость звука. После 55 прохождения канала гаэ тормозится диффуэором 2, проходит через теплообменник и компрессор (не показанные на чертеже) и ,вновь попадает в сопло. Магнитной систе, мой 7 в канале 3 создается магнитное по- 60 ле, вектор напряженности которого направ- лен перпендикулярно оси канала и параллельно плоскости электродов 4.

Электроды размещены вдоль стенок канала, секционированы и попарно эакорочены.

Секционирование устраняет появление холлов ских токов, текущих вдоль образующих канала и приводящих к снижению проводимости. Закорачивание обеспечивает отсутствие падения напряжения во внешней цепи, в результате ч его напряженность электр ическ ого поля в канале равна индуцированной напряженности.

Конкретный расчет параметров устройства проводят исходя из состава активной среды. Состав смеси, например гелия и углекислого газа, должен быть подобран

T&K, чтобы средняя энергия электронов составляла примерно 0,5-0,7 эВ. Плотность гелия определяется иэ условия, что время разрушения верхнего лазерного уровня в результате столкновения с гелием должно бьггь больше времени вынужденного высвечивания этого уровня. Исходя из этого, плотность гелия Оценивается величиной

38 -Э и „" (1-5) 10 см . ПлОтнОсть углекислого газа и (1-5) 10 см со, Оценивается иэ уравнения баланса энергии электронов таким образом, чтобы средняя энергия электронов оказалась в районе

0,5-0,7 эВ., что приводит к оптимальному заселению верхнего лазерного уровня.

Исходя из условия равенства числа актов ионизации и объемной рекомбинации при средней энергии электронов 0,5-0,7 эВ, находят концентрацию заряженных частиц (1-5) 10 см

B рассматриваемых условиях потеря энергии электронов происходит в основном в результате возбуждения лазерного уров ня. Из-за этого можно ожидать, что эквивалентный электрический КПД предлагаемого лазера приближается к теоретическому значению. КПД для лазеров на СС .

Оценки показывают, что в предлагаемом лазере при скорости течения газа

IQ м/сек и напряженности индуцированного электрического поля 5 10 В/м, возЭ можно увеличение выходной мощности излучения с единицы длины резонатора при площади сечения канала 10 см до величины

100 кВт/м. B отличие От известных газовых лазеров увеличение размеров предлагаемого лазера не приводит к срыву генерации, так как подбором профиля канала можно добиться того, чтобы температура га547167

Составитель С. Рыжих

Редактор И. Шубина Техред М. Левицкая Корректор, С. Патрушева

Заказ 2581/46 Тираж 976 Подписное

Ц11ИИ11И Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ПП!! "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4 за оставалсь ниже допустимого предела. Расчеты показывают, что при достижимых в настоящее время магнитных полях предлагаемый лазер может превосходить известные газовый лазеры по своей выходной мошнос- 5 ности (хотя выходные мошности с единицы объема у них одного порядка) .

Отсутствие внешнего источника электрического питания само по себе является существенным преимуществом предлагаемого 10 устройства и, кроме того, приводит к существенному уменьшению габаритов устройства и его веса особенно при использовании сверхпроводящей магнитной системы.

Это обстоятельство может иметь решаю- 15 шее значение для использования предлагаемого лазера.

Формула изобретения

Способ получения лазерного излучения

Ф включающий прокачку газовой смеси в газодинамическом тракте, содержащем резонатор и разрядный канал, о т л и ч аю ш и и с я тем, что, с целью увеличения выходной мощности и КПД путем прямого преобразования энергии газового потока в энергию лазерного излучения, про-. качку газовой смеси осуществляют в поперечном магнитном поле, создающем в ней индуцированный разряд.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:

1. E Гесt -он iсв,1968, .31, р, 34. K B. " Ка y ai сИ "AppP T-1iув 1969, 15, р. 91.