Способ возбуждения генерации излучения в лазере на парах стронция

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано для создания лазера на парах стронция. Через внутренний объем газоразрядной трубки с навеской металлического стронция пропускают продольный импульсно-периодический электрический разряд. Возбуждают генерацию излучения с длинами волн в диапазоне 1,0-3,1 мкм. Селектируют излучение на этих длинах волн. Измеряют интенсивность этого излучения, а мощность этого разряда поддерживают такой, чтобы интенсивность или мощность отселектированного излучения была максимальной. Или была меньше максимальной не более чем на 50% при понижении мощности указанного электрического разряда. Или равнялась нулю при повышении мощности этого же электрического разряда, причем повышение мощности указанного разряда прекращают при достижении нулевого значения мощности или интенсивности излучения на указанных длинах волн. Технический результат - повышение мощности генерируемого излучения и повышение срока работы газоразрядной трубки. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Настоящее изобретение относится к устройствам со стимулированным излучением, в частности к способам для возбуждения газового лазера путем управления активным веществом, например путем управления способами для возбуждения генерации в газовых лазерах. Данное изобретение может быть использовано для создания лазеров на парах стронция.

Известен способ возбуждения генерации излучения в лазере на парах стронция, описанный в ж-ле «Квантовая электроника», вып.5, №1, 1978 г. В соответствии с этим способом во внутренний объем газоразрядной трубки помещают навеску металлического стронция, в этот же объем напускают гелий (Не) или неон (Ne) и, выдерживая давление внутри трубки в пределах 0,1÷5 тор, через этот же объем пропускают продольный импульсный электрический разряд с напряжением ˜10 кВ и с частотой повторения импульсов 0,5÷2,0 кГц, причем характеристики этого разряда (напряжение и/или частоту повторения импульсов) подбирают такими, чтобы внутри газоразрядной трубки создавалась температура в пределах 700÷800°С. При этом величина температуры внутри трубки поддерживается неточно и колеблется во всем указанном диапазоне.

При таком способе возбуждения излучение генерируется с невысокой мощностью, особенно на линии спектра 6,45 мкм, а сама газоразрядная трубка работает без перезагрузки короткое время - не более 20 часов. Объясняется это тем, что если поддерживать температуру внутри газоразрядной трубки во всем указанном диапазоне без отслеживания ее более точного значения, то в определенные периоды времени эта температура будет превосходить температуру плавления стронция. При превышении же температуры плавления стронция создаваемые разрядом температурные неоднородности приводят - вследствие высокой подвижности жидкого стронция - к уходу паров стронция из области локального повышения температуры. Это приводит, в конце концов, к тому, что внутри газоразрядной трубки формируются участки, в которых отсутствует как стронций, так и пары стронция, а СМИ эти участки перестают работать как активная среда. Вследствие этого в газоразрядной трубке уменьшается активный объем и, соответственно, падают мощность генерации и срок службы активного элемента.

Ближайшим из известных является способ возбуждения генерации излучения в лазере на парах стронция, описанный в статье Прокопьева В.Е. и Соломонова В.И. «Лазер на парах Sr» из ж-ла «Квантовая электроника», Т.12, №6, 1985 г. В соответствии с этим способом во внутренний объем газоразрядной трубки помещают навеску металлического стронция и через этот объем пропускают продольный импульсный электрический разряд с напряжением 8÷12 кВ и с частотой повторения импульсов 0,5÷1,5 кГц, причем характеристики этого разряда подбирают такими, чтобы температура внутри объема газоразрядной трубки создавалась в пределах от 500 до 600°С, т.е. была значительно ниже температуры плавления стронция, т.е. ниже, чем 772°С.

При таком способе возбуждения генерации излучение генерируется с невысокой мощностью или интенсивностью и в целом, и на каждой линии генерации в отдельности. Объясняется это тем, что температурная область генерации стронция является очень узкой, поэтому слишком сильное снижение температуры внутри газоразрядной трубки сильно снижает интенсивность генерации, а также снижает концентрацию паров стронция внутри ее объема, что, естественно, приводит к снижению мощности или интенсивности генерируемого излучения.

Поэтому для того чтобы получить генерацию излучения с высокой мощностью или интенсивностью, необходимо задавать внутри газоразрядной трубки температуру, не сильно отличающуюся от температуры плавления стронция, и поддерживать ее в достаточно узком интервале. При этом следует учитывать, что контролировать величину температуры, создаваемой во внутреннем объеме газоразрядной трубки и на поверхности ее внутренних стенок, прямыми измерениями температуры очень сложно, т.к. сама газоразрядная трубка является герметично запаянной и помещена в непрозрачный кожух. Поддерживать же заданную температуру простым подбором характеристик электроразрядных импульсов без контроля за создаваемой внутри трубки температурой тоже невозможно, т.к. сами эти характеристики сильно зависят от параметров газоразрядной трубки и к тому же не являются стабильными во времени.

Задачей настоящего изобретения является создание внутри газоразрядной трубки такого температурного режима, который приведет к повышению мощности генерируемого излучения и, одновременно, к повышению срока работы самой газоразрядной трубки при обеспечении надежного контроля за поддержанием этого температурного режима в процессе всего времени работы газоразрядной трубки.

Поставленная задача решается тем, что, как и в известном, в данном способе возбуждения генерации излучения в лазере на парах стронция во внутренний объем газоразрядной трубки помещают навеску металлического стронция и через этот объем с напряжением 8÷12 кВ и с частотой повторения импульсов 1÷2,5 кГц, причем продольный импульсный электрический разряд пропускают такой мощности, при которой внутри объема газоразрядной трубки создается температура ниже температуры плавления стронция, т.е. была ниже, чем 772°С.

В отличие от известного, в данном способе мощность этого разряда устанавливают такой, чтобы осуществлялась генерация излучения с длинами волн в диапазоне 1,0-3,1 мкм, селектируют это излучение и измеряют его мощность, затем постепенно изменяют мощность указанного электрического разряда до тех пор, пока не получат максимальное значение мощности или интенсивности излучения на какой-нибудь из длин волн в диапазоне 1,0-3,1 мкм, после чего мощность указанного электрического разряда поддерживают такой, чтобы мощность или интенсивность излучения на указанных длинах волн - отдельно на каждой или интегрально на всех - была максимальной или меньше максимальной, но при этом отличалась от максимальной более чем на 50% при понижении мощности электрического разряда или равнялась нулю при повышении мощности этого же электрического разряда, причем повышение мощности указанного электрического разряда должно быть прекращено при достижении нулевого значения мощности или интенсивности излучения на указанных длинах волн. Если же повышать мощность указанного электрического разряда внутри газоразрядной трубки до тех пор, пока мощность или интенсивность излучения на длинах волн в диапазоне 1,0-3,1 мкм по своему значению станет максимально близкой к нулю, то в этом случае мощность или интенсивность излучения на длине волны 6,45 мкм станет максимальной, в то время как на всех других длинах волн она приблизится к нулевому значению. При дальнейшем повышении мощности этого электрического разряда мощность или интенсивность излучения на длине волны 6,45 мкм также станет резко падать и, в конце концов, опустится до нуля.

Целесообразно при этом из генерируемого излучения с указанным диапазоном длин волн - 1,0-3,1 мкм - выделить излучение с длинами волн в диапазоне 2,6-3,1 мкм, а мощность указанного электрического разряда поддерживают такой, чтобы мощность или интенсивность излучения с длинами волн в этом диапазоне - отдельно на каждой или интегрально на всех - сохранялась максимальной или отличалась от максимальной, но не более чем на 10% при понижении мощности электрического разряда, а при повышении мощности этого же электрического разряда максимально приближалась к нулю. Объясняется это тем, что излучение с длинами волн в этом диапазоне, во-первых, имеет более высокую интенсивность, чем излучение на всех других длинах волн в этом же диапазоне, а, во-вторых, снижение интенсивности излучения в этом диапазоне длин волн имеет гораздо более резко выраженный характер и этот спад очень точно совпадает с резким спадом интенсивности излучения на длине волны 6,45 мкм, что позволяет достаточно точно контролировать наиболее оптимальный режим генерации данного лазера.

Чтобы постепенно изменить мощность указанного электрического разряда, можно постепенно изменять частоту повторения импульсов этого разряда, или постепенно изменять напряжение электрического тока на разрядных электродах, или же постепенно изменять одновременно и частоту повторения импульсов этого разряда, и напряжение электрического тока на разрядных электродах.

В данном способе впервые величину температуры внутри газоразрядной трубки контролируют по мощности или интенсивности излучения с длинами волн в диапазоне 2,6-3,1 мкм.

Возможность такого контроля определяется тем, что авторами впервые установлено, что генерация излучения с длиной волны в диапазоне 1,0-3,2 мкм происходит только при температуре внутри газоразрядной трубки, близкой к температуре плавления стронция, причем максимальная интенсивность или мощность излучения с длиной волны в диапазоне 2,6-3,1 мкм сохраняется при температуре внутри газоразрядной трубки, находящейся в интервале 660÷750°С. При температуре ниже 660°С интенсивность излучения на все других линиях генерации резко падает. При температуре выше 750°С интенсивность излучения на длинах волн ˜1 мкм также резко падает, но при этом резко увеличивается интенсивность излучения на длине волны 6,45 мкм и увеличение интенсивности излучения на длине волны 6,45 мкм происходит до тех пор, пока интенсивность излучения на длине волны в диапазоне 1,0-3,1 мкм не уменьшится до нуля. При дальнейшем повышении температуры внутри газоразрядной трубки резко падает интенсивность излучения также и на длине волны 6,45 мкм, а металлический стронций начинает плавиться. Расплавленный же стронций обладает сверхвысокой текучестью и начинает просачиваться даже через поры в стенках газоразрядной трубки, что приводит к быстрой его потере из объема газоразрядной трубки и, как следствие, к малому сроку службы самой газоразрядной трубки (см. чертеж).

Данный способ реализуется следующим образом. Во внутренний объем газоразрядной трубки помещают кусочки металлического стронция, на электроды этой газоразрядной трубки подают импульсно-периодическое напряжение и через этот внутренний объем этой трубки продольный импульсно-периодический электрический разряд с напряжением 8÷12 кВ и с частотой повторения импульсов 1÷2,5 кГц. При этом частоту повторения импульсов указанного электрического разряда постепенно изменяют - повышают или понижают - до тех пор, пока в газоразрядной трубке не возникнет генерация излучения с длинами волн 3,0÷3,1 мкм. Из состава всего генерируемого излучения селектируют излучение с длинами волн 1,0-3,1 мкм, измеряют суммарную интенсивность отселектированного излучения, после чего постепенно изменяют - повышают или понижают - частоту повторения импульсов или напряжение на электродах указанного электрического разряда до тех пор, пока суммарная интенсивность излучения с длинами волн в диапазоне 1,0-3,1 мкм не достигнет максимума. В дальнейшем частоту повторения импульсов или напряжение на электродах указанного разряда указанного электрического разряда поддерживают такой, чтобы интенсивность излучения с длинами волн в диапазоне 1,0-3,1 мкм была максимальной или при понижении мощность разряда внутри газоразрядной трубки отличалась от максимальной, или была меньше максимальной, но не более чем на 50%, или равнялась нулю, причем увеличение мощности указанного электрического разряда должно быть прекращено, как только интенсивность излучения с длинами волн в диапазоне 1,0-3,1 мкм достигнет нулевого значения.

Поддерживая частоту повторения импульсов указанного электрического разряда или напряжение на электродах электрического разряда, как указано выше, поддерживают определенную величину мощности этого разряда внутри газоразрядной трубки, значит, поддерживают температуру внутри газоразрядной трубки такой, при которой генерация излучения в лазере на парах стронция обеспечит получение максимально возможной мощности или интенсивности излучения, генерируемого на длинах волн в диапазоне 1,0-3,1 мкм. При этом температура внутри газоразрядной трубки не будет достигать температуры плавления стронция, что исключит возможность выноса стронция из газоразрядной трубки, обусловленного его высокой текучестью, что, в свою очередь, обеспечит большой срок работы лазера без перезагрузки его стронцием. Проведенные эксперименты показали, что реализация такого способа генерации в лазере на парах стронция обеспечивает работу газоразрядной трубки без перезагрузки ее стронцием, по меньшей мере, в течение 500 (пятисот) часов, в то время как реализация известных способов генерации такого лазера обеспечивает работу газоразрядной трубки без перезагрузки ее стронцием в течение не более 20 (двадцати) часов.

Реализовать данный способ можно путем изменения электрического напряжения на разрядных электродах или одновременного изменения и электрического напряжения на разрядных электродах, и частоты повторения импульсов указанного электрического разряда. При этом последовательность всех операций остается такой же, как указано выше.

1. Способ возбуждения генерации излучения в лазере на парах стронция, по которому во внутренний объем газоразрядной трубки помещают навеску металлического стронция и через этот объем пропускают продольный импульсно-периодический электрический разряд с напряжением 8-12 кВ и с частотой повторения импульсов 1,0-25 кГц, причем мощность указанного импульсно-периодического электрического разряда устанавливают такой, чтобы температура внутри объема газоразрядной трубки создавалась ниже температуры плавления стронция, отличающийся тем, что в нем мощность указанного электрического разряда устанавливают такой, чтобы осуществлялась генерация излучения с длинами волн в диапазоне 1,0-3,1 мкм, селектируют излучение на этих длинах волн и измеряют интенсивность этого излучения, после чего постепенно изменяют мощность указанного электрического разряда до тех пор, пока не получат максимальное значение интенсивности излучения на длинах волн в указанном диапазоне, после чего мощность указанного электрического разряда поддерживают такой, чтобы интенсивность отселектированного излучения была максимальной или мощность или интенсивность излучения на указанных длинах волн - отдельно на каждой или интегрально на всех - была максимальной или была меньше максимальной не более чем на 50% или равнялась нулю при повышении мощности этого же электрического разряда, причем повышение мощности указанного электрического разряда прекращают при достижении нулевого значения мощности или интенсивности излучения на указанных длинах волн.

2. Способ возбуждения генерации излучения в лазере на парах стронция по п.1, отличающийся тем, что в нем селектируют излучение с длинами волн в диапазоне 2,6-3,1 мкм, а мощность указанного электрического разряда поддерживают такой, чтобы мощность или интенсивность излучения с длинами волн в этом диапазоне - отдельно на каждой длине волны или интегрально на всех длинах волн - сохранялась максимальной или отличалась от максимальной не более чем на 10% при понижении мощности электрического разряда, или равнялась нулю при повышении мощности этого же электрического разряда, причем повышение мощности указанного электрического разряда прекращают при достижении нулевого значения мощности или интенсивности излучения на указанных длинах волн.

3. Способ возбуждения генерации излучения в лазере на парах стронция по п.1, отличающийся тем, что в нем постепенно изменяют частоту повторения импульсов указанного электрического разряда.

4. Способ возбуждения генерации излучения в лазере на парах стронция по п.1, отличающийся тем, что в нем постепенно изменяют напряжение на электродах электрического разряда.

5. Способ возбуждения генерации излучения в лазере на парах стронция по п.1, отличающийся тем, что в нем постепенно изменяют одновременно и напряжение на электродах электрического разряда, и частоту повторения импульсов электрического разряда.