Способ накачки активной среды непрерывного газоразрядного лазера с электродами с диэлектрическими покрытиями

 

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано при создании газоразрядных лазеров непрерывного действия. Кроме того, оно может быть применено и в других областях, где необходимо возбуждать большие объемы пространственно-однородной плазмы, например в плазмохимии. В известном способе накачки активной среды непрерывного газоразрядного лазера с электродами с диэлектрическими покрытиями, включающем возбуждение тлеющего разряда гармоническим электрическим полем, одновременно производят стабилизацию тлеющего разряда импульсным напряжением звуковой частоты. Длительность импульса не превышает 10^-7 с. Амплитуда U удовлетворяет условию l≤2λ_i(e•U), где l - межэлектродное расстояние, е - заряд электрона, λ_i(e•U) - длина свободного пробега электрона с энергией е • U по отношению к акту ионизации. Технический результат заключается в повышении удельной мощности, вкладываемой в активную среду лазера, и увеличении мощности когерентного излучения, снимаемого с единицы объема активной среды.

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано при создании газоразрядных лазеров непрерывного действия. Кроме того, оно может быть применено и в других областях, где необходимо возбуждать большие объемы пространственно-однородной плазмы, например в плазмохимии.

Известные в настоящее время способы получения пространственно-однородной плазмы большого объема для накачки активной среды газоразрядных лазеров, или для целей плазмохимии, ограничены по уровню вкладываемой в разряд удельной мощности из-за формирования контрагированных структур в результате развития ионизационных неустойчивостей [1].

Наиболее близким к предлагаемому изобретению, выбранным авторами изобретения за прототип, является способ накачки активной среды газоразрядного лазера с электродами с диэлектрическими покрытиями, включающий возбуждение тлеющего разряда гармоническим электрическим полем [2].

Плазма такого разряда обладает сравнительно высокой устойчивостью по отношению к контракции благодаря стабилизирующей роли диэлектрических покрытий, выполняющих функцию распределенных в пространстве балластных сопротивлений.

Однако наличие этих покрытий не решает проблему контракции в должной мере. Дело в том, что существуют два типа ионизационных неустойчивостей, развитие одного из которых (пространственно-однородного) подавляется диэлектрическими покрытиями, а другого (пространственно-неоднородного) - нет. Последнее обстоятельство объясняется тем, что в случае пространственно-неоднородных неустойчивостей плотность разрядного тока на торцах плазменного столба остается неизменной и такие неустойчивости не могут быть стабилизированы внешними (балластными) сопротивлениями. Наличие неустойчивостей подобного типа существенно ограничивает в известном способе возможности повышения уровня удельной мощности, вкладываемой в пространственно-однородную плазму большого объема для накачки активной среды непрерывных газоразрядных лазеров.

С помощью предлагаемого изобретения достигается технический результат, заключающийся в повышении удельной мощности, вкладываемой в активную среду лазера, и увеличении мощности когерентного излучения, снимаемого с единицы объема активной среды.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе накачки активной среды непрерывного газоразрядного лазера с электродами с диэлектрическими покрытиями, включающем возбуждение тлеющего разряда гармоническим электрическим полем, одновременно производят стабилизацию тлеющего разряда импульсным напряжением звуковой частоты длительностью, не превышающей 10^-7 с, и амплитудой U, удовлетворяющей условию l≤2λ_i(e•U), где: l - межэлектродное расстояние, е - заряд электрона, λ_i(e•U) - длина свободного пробега электрона с энергией eU по отношению к акту ионизации.

Способ реализуется следующим образом. Импульсное напряжение приводят к тому, что во время его действия формируется аномальный тлеющий разряд. Если длительность импульсов невелика (меньше или много меньше 10^-7 с), емкостное сопротивление диэлектрических покрытий, а следовательно, и падение напряжения на этих покрытиях будут сравнительно небольшими. Одновременно в силу довольно значительной проводимости плазмы , которая имеет место даже при относительно невысоких (порядка нескольких Вт/см³) величинах вкладываемой в разряд удельной мощности, падение напряжения на плазменном столбе тоже будет небольшим. Поэтому можно считать, что все напряжение U, подводимое к электродам во время действия импульса, практически полностью сосредоточится на катодном слое аномального тлеющего разряда, сформированного этим импульсом. В результате в данном слое образуется электронный пучок с энергией ≈ eU, который обеспечивает предварительную ионизацию лазерной смеси во всем разрядном промежутке и одновременно подавляет пространственно-неоднородные неустойчивости, поднимая тем самым пороговую величину вкладываемой в разряд удельной мощности, при которой еще не происходит контракция. При этом, очевидно, имеет место и повышение мощности когерентного излучения, снимаемого с единицы объема активной среды. Следует подчеркнуть, что импульсы напряжения осуществляют только предыонизацию и подавление пространственно-неоднородных неустойчивостей, накачка же активной среды происходит под действием гармонического электрического поля, подводимого к электродам одновременно с импульсами. Очевидно, что частота следования импульсов не должна быть меньше обратной величины характерного времени распада плазмы β_rn_e, где β_r - коэффициент диссоциативной рекомбинации, n_e - плотность электронов в плазме.

Обычно β_r ~ 10^-6÷10^-7см³/с. Тогда, полагая для оценок n_e ~ 10¹¹см^-3, находим, что соответствующая частота принадлежит звуковому диапазону и оказывается порядка 10-100 кГц.

Интенсивность электронного пучка резко (экспоненциально) ослабевает с увеличением расстояния от электрода (точнее говоря, от катодного слоя). Если импульсы напряжения являются знакопеременными, то электронный пучок формируется поочередно со стороны каждого из двух электродов. Тогда зона наиболее эффективного действия этого пучка определяется условием Величину λ_i легко определить при заданном составе лазерной смеси, исходя из широко представленных в литературе значений сечений ионизации атомов и молекул электронным ударом: где N_k и σ^(k)_i - плотность и сечение ионизации k-ого компонента лазерной смеси. При этом σ^(k)_i должны соответствовать энергии электрона, равной eU.

Использование предложенного способа позволяет подавить контракцию и добиться максимально возможных величин вкладываемых в разряд и снимаемых в виде когерентного излучения удельных мощностей, значения которых лимитируются только перегревом лазерной смеси.

Источники информации 1. Липатов Н.И., Минеев А.П., Мышенков В.И., Пашинин П.П., Прохоров А.М. "Нелинейные структуры в газовом разряде и возбуждение активной среды в мощных газоразрядных молекулярных лазерах". Труды ИОФАН, т. 17, с.3-52, М., Наука, 1989.

2. Yasui К. , Kuzumoto M., Ogawa S., Tanaka M. and Yagi S. "Silent - Discharge Excited TEM₀₀ 2.5kW CO₂ Laser.IEEE Journal of Quantumn Electronics, vol. 25, 4, pp. 836-839, 1989 - прототип.

Формула изобретения

Способ накачки активной среды непрерывного газоразрядного лазера с диэлектрическими покрытиями, включающий возбуждение тлеющего разряда гармоническим электрическим полем, отличающийся тем, что одновременно производят стабилизацию тлеющего разряда импульсным напряжением с частотой следования импульсов β_r•n_e, где β_r - коэффициент диссоциативной рекомбинации, n_е - плотность электронов в плазме, и амплитудой U, удовлетворяющей условию l≤2λ_i(e•U), где l - межэлектродное расстояние, е - заряд электрона, λ_i(e•U) - длина свободного пробега электрона с энергией е•U по отношению к акту ионизации.