Устройство и способ для формирования мощных импульсов co2 лазером

Изобретение относится к области лазерной физики и технике формирования мощных импульсов СО₂ лазера. Оно обеспечивает генерацию коротких импульсов большой энергии, имеющих минимальную угловую расходимость, что позволяет получать высокоинтенсивные пучки СО₂ лазера, предназначенные, в частности, для создания лазерно-плазменного источника ионов.

Устройство состоит из одномодового задающего генератора, работающего на линии Р(20) 10-мкм полосы СО₂, оптической системы согласования и трехпроходового СО₂-усилителя, образованного широкоапертурной активной средой СО₂ лазера и резонансно-поглощающей ячейкой SF₆+N₂ (воздух) атмосферного давления, которые последовательно размещены внутри и на оси конфокального телескопа, включающего большое вогнутое и малое выпуклое зеркала. Изобретение базируется на многократном прохождении импульса задающего генератора последовательно через резонансно-усиливающую и резонансно-поглощающую среду, что увеличивает крутизну нарастания начального импульса и приводит к компрессии импульса по длительности при нелинейном усилении, эффективно повышая его мощность. Трехкратное прохождение резонансных сред поглотителя и усилителя в аксиально-симметричной геометрии, во-первых, позволяет многократно применить описанный способ, а во-вторых, позволяет использовать пространственные эффекты повышения светового поля в соответствующих точках среды за счет интерференции, что повышает эффективность компрессии импульса в усилителе. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к лазерной физике и лазерной технике, оно может быть использовано для создания устройств, предназначенных для генерации СО₂ лазером импульсов оптического излучения высокой интенсивности, в частности, для создания мощного лазерного источника ионов для инжекции в ускорители.

В качестве прототипа выбраны два наиболее близких по технике аналога, поскольку оба обладают существенными признаками, совпадающими с признаками предлагаемого изобретения.

Известно устройство (Звелто О., Принципы лазеров. Неустойчивые резонаторы: Пер. с англ. - 3-е перераб. и доп. изд. - М.: Мир, 1990. - 560 с., ил.) для получения лазерного излучения из широкоапертурной активной среды. Оно представляет собой широко распространенный неустойчивый конфокальный резонатор, внутри которого заключена активная среда. Резонатор состоит из двух софокусных зеркал, в частности, одного вогнутого, имеющего диаметр, охватывающий всю апертуру активной среды, и другого выпуклого, меньшего диаметра, в сторону которого производится вывод излучения из резонатора. Такая конструкция резонатора позволяет реализовать требования для получения пучков лазерного излучения высокой интенсивности, например, на поверхности мишени как путем 1) получения большой выходной энергии за счет охвата активной среды большого объема, так и 2) улучшения расходимости излучения за счет возможности формирования одномодового пучка большого диаметра.

Добротность конфокального резонатора определяется числом М, называемым увеличением, которое равно отношению диаметров зеркал или отношению их фокусных расстояний M=d1/d2=f1/f2, где d1, d2, f1, f2 - диаметры и фокусные расстояния фокусирующего большого зеркала и дефокусирующего зеркала меньшего диаметра, соответственно. Эффективный коэффициент отражения излучения резонатора составляет R_эф=1/M².

Если коэффициент отражения выше критического (порогового) значения R_эф>R_пор=exp(-2g₀l) (g₀ - коэффициент усиления слабого сигнала активной среды, l - ее длина), устройство работает в надпороговом режиме как традиционный лазерный генератор. В случае импульсной накачки активной среды генерация начинается, когда коэффициент усиления нарастает до порогового значения, и заканчивается, когда он падает ниже этого значения. Длительность импульса генерации определяется кинетикой лазерных уровней, включая процессы накачки, межмодового обмена, релаксации и эффекты самовоздействия, такие как насыщение инверсной населенности под действием собственного поля излучения. При этом, пространственные эффекты, связанные с интерференцией пучков внутри резонатора, существенно влияют на локальные значения коэффициента усиления: где интенсивность светового поля выше, там и насыщение среды выше, и наоборот. Однако усреднение по всему объему среды приводит также и к усредненному результату по основным лазерным параметрам, таким как энергия и длительность импульса.

Недостатком устройства является невозможность существенного уменьшения длительности импульса оптического излучения генератора при заданной выходной энергии для повышения интенсивности в импульсе.

Известно устройство (Квантовая электроника. Маленькая энциклопедия, М., 1969; Басов Н.Г., Беленое Э.М., Сверхузкие спектральные линии и квантовые стандарты частоты, ″Природа″, 1972, №12.) для стабилизации длины волны лазерного генератора, состоящее из активной среды и резонансно-поглощающей ячейки, заключенных в общем оптическом резонаторе. Данная ячейка наполнена газом до низкого давления (меньше 1 мм рт.ст.) так, что ширина спектральной линии поглощения имеет малую величину и ее уширение из-за столкновительных механизмов несущественны ввиду малого числа частиц. В процессе работы лазерного генератора, в том числе и в импульсном режиме, происходит насыщение как линии усиления, так и линии поглощения ячейки, что приводит к появлению, именно на малых давлениях, Лэмбовского провала на спектральной линии поглощения. Наличие такого провала стабилизирует частоту генерации лазера вблизи центральной частоты поглощения.

Недостатком устройства является то, что оно не может быть использовано для значительного увеличения мощности импульса ввиду малого давления в резонансно-поглощающей ячейке. Техническим результатом предложенного изобретения является увеличение интенсивности формируемого импульса.

Этот результат достигается за счет того, что в предлагаемом устройстве, содержащем, как и аналоги, активную среду лазера и резонансно-поглощающую ячейку, расположенные на оси и внутри конфокального резонатора, вносятся следующие технические изменения.

1) Диаметры зеркал телескопа выбираются так, что R_эф=1/M₂<R_пор=exp(-2g₀l), а в большом зеркале выполняется осевое отверстие, равное диаметру малого зеркала. В результате порог генерации среды не достигается, и активная среда играет роль усилителя. При этом, в отличие от аналога 1, импульс излучения вводится извне от задающего генератора аксиально-симметрично оси телескопа с помощью оптической системы согласования.

2) Резонансно-поглощающая ячейка наполняется смесью газов SF₆ и N₂ до полного давления не менее атмосферного, а величину парциального давления SF₆ и длину ячейки можно изменять таким образом, чтобы обеспечить требуемое воздействие на форму входного импульса.

Использование конфокального резонатора (телескопа) в предлагаемом режиме позволяет заполнить активную среду большого объема излучением одномодового задающего генератора, обладающего дифракционной (минимальной) расходимостью. Для предотвращения генерации практически достаточно установить М=8÷10. Преимущество усилительной схемы заключается в том, что она позволяет получить (Виттеман В. СO₂ лазер. Лазерные процессы в СO₂: пер. с англ. - М.: Мир, 1990. - 360 с., ил.) предельную длительность импульса ~0.15 нс при атмосферном давлении, в то время как в генераторном режиме, таким как в аналоге 1, длительность первого пика излучения составляет ≥50 нс (Виттеман В. СО₂ лазер. Импульсные системы: пер. с англ. - М.: Мир, 1990. - 360 с., ил.).

Наполнение ячейки смесью резонансно-поглощающего и буферного газов до высоких полных давлений приводит к увеличению скорости релаксации рабочих уровней, в результате можно установить это время меньше длительности лазерного импульса. Это, в отличие от аналога 2, позволяет обеспечить заметное влияние на форму импульса лазерного излучения. Для достижения технического результата путем сокращения длительности импульса необходимо обеспечить полное давление в ячейке, близкое к атмосферному, а давление SF₆ и длину ячейки выбрать так, чтобы поглощенная энергия составляла не менее 0.2÷0.3 от энергии импульса задающего генератора. Поскольку поглощение носит нелинейный характер, начальная часть импульса поглощается в большей степени, чем близкая к вершине - это приводит к увеличению скорости нарастания фронта импульса после поглощающей ячейки. Прямое сокращение длительности импульса в этом случае составляет 15÷20% и не является существенным.

Новое физическое свойство в предложенном изобретении возникает в результате того, что импульс с высокой скоростью нарастания фронта интенсивности усиливается в нелинейном режиме. А именно, одновременно с усилением импульса оптического излучения по энергии происходит и компрессия по длительности импульса, в отличие от усиления импульса генератора обычной формы, когда его длительность в процессе усиления практически не меняется (Крюков П.Г., Летохов В.С. Распространение импульса света в резонансно-усиливающей (поглощающей) среде. Усиливающая среда. Некогерентное взаимодействие. УФН, 99 (2), 169-227, 1969).

В предложенном изобретении взаимодействие излучения с нелинейными резонансными средами усилителя и поглотителя происходят на каждом из трех проходов конфокальной оптической системы, что позволяет трехкратно использовать эффект компрессии и повысить эффективность взаимодействия с усиливающей и поглощающей средой.

Поскольку эффект сокращения длительности тем больше, чем выше амплитуда световой волны, поэтому в предложенном изобретении усиливающиеся пучки проходят, именно, аксиально-симметрично оси усилителя, и их пересечение в среде сопровождается, как и в обычном резонаторе, интерференционными эффектами. Это приводит к значительному увеличению светового поля в соответствующих точках усиливающей среды, а значит и более эффективному сокращению длительности импульса. Реализованные в результате предложенных в данном изобретении конструктивных особенностей пространственные эффекты увеличивают эффективную длину усиления и повышают эффективность компрессии импульса.

Таким образом, в результате предложенных конструктивных изменений и появляющихся новых физических свойств, можно считать, что предложенная работа соответствует критерию изобретения.

Схема работы предложенного изобретения поясняется чертежом, приведенным на Фиг. 1. Изобретение состоит из задающего генератора 1, оптической системы согласования 2 и усилителя, образованного активной средой СО₂ лазера 4 и поглощающей ячейкой атмосферного давления 5, которые последовательно размещены внутри и на оси конфокального телескопа, включающего большое вогнутое 3 и малое выпуклое 6 зеркала.

Способ формирования мощных импульсов СО₂ лазера основывается на усилении излучения в нелинейном режиме при предварительном обострении его начального фронта с помощью нелинейно поглощающего фильтра, в качестве которого применяется газовая ячейка. Способ осуществляется следующим образом. Излучение СО₂ лазера на основной поперечной моде и на линии Р(20) 10-мкм полосы генерации вырабатывается задающим генератором 1. Усиление осуществляется в конфигурации трехпроходового аксиального телескопа, увеличение которого устанавливается таким, что собственная генерация активной среды предотвращается. Во всех практических случаях для этого достаточно установить М=8÷10. Ввод излучения производится через осевое отверстие в большом зеркале 3 диаметром, совпадающим с размером малого зеркала. Для согласования размера основной моды задающего генератора и входного размера усилителя применяется оптическая схема 2. Необходимым условием формирования является обострение фронта импульса излучения за счет пропускания через резонансный поглотитель, в качестве которого применяется гексафторид серы (SF₆), обладающий подходящими лазерно-спектральными характеристиками именно на частоте излучения линии Р(20) 10-мкм полосы СО₂ молекулы, в смеси с азотом или воздухом в качестве буферного газа. При этом установка давления буферного газа, равного атмосферному, позволяет увеличить величину интенсивности насыщения, так что при давлении рабочего газа в диапазоне 1÷5 мм рт.ст. поглощенная ячейкой энергия может достигать заметной доли от всей энергии импульса задающего генератора, что обеспечивает необходимое предварительное воздействие на его форму. В качестве задающего генератора должен применяться одномодовый одночастотный лазер, по параметрам аналогичный описанному в (Ю.А. Сатов, Б.Ю. Шарков, Н.Н. Алексеев, А.В. Шумшуров, А.Н. Балабаев, С.М. Савин, А.Д. Белокуров, А.Д. Белокуров, И.А. Хрисанов, К.Н. Макаров. Стабилизированный СО₂ лазер импульсно-периодического действия для лазерно-плазменного генератора высокозарядных ионов. ПТЭ, №2, 1-9, 2012).

Для максимального проявления эффекта компрессии импульса необходима точная настройка давления SF₆, длины ячейки, длины усиливающей среды, параметров конфокального телескопа и др. в соответствии с заданными параметрами задающего генератора и усилителя. Однако установление величины поглощенной ячейкой энергии в диапазоне 20÷30% от энергии лазерного импульса является гарантирующим для заметного проявления эффекта компрессии импульса и повышения его мощности. Параметры ячейки, соответствующие заданной доле поглощенной энергии, могут быть установлены заранее путем расчета или измерения.

Для увеличения эффективности устройства усиление лазерного пучка осуществляется тремя последовательными проходами активной среды и поглощающей ячейки и аксиально-симметрично оси конфокального телескопа. Это приводит к интерференции пучков и образованию области повышенного светового поля, где эффект компрессии проявляется сильнее, и увеличение мощности импульса происходит более эффективно.

Работоспособность устройства проверена в модельных экспериментах при распространении импульса задающего генератора в цепочке нелинейных сред усилителя и поглощающей ячейки, где достигнута компрессия импульса в ≈5 раз. Численные расчеты показывают более существенное сокращение выходного импульса и увеличение его мощности в многокаскадных оптических схемах, подобных предложенному устройству.

Данное изобретение может быть широко использовано для формирования мощных импульсов СО₂ лазера, например в лазерно-плазменном генераторе многозарядных ионов для создания эффективного сильноточного инжектора заряженных частиц.

Краткое описание чертежей.

Фиг. 1 - Схема устройства для формирования мощных импульсов СО₂ лазера.

1 - одномодовый задающий СО₂ лазерный генератор, работающий на линии Р(20) 10-мкм полосы усиления, обеспечивающий плотность энергии импульса 1 Дж/см²; 2 - оптическая схема согласования пространственных характеристик задающего генератора и усилителя; 3 - большое зеркало телескопа; 4 - активная среда; 5 - поглощающая ячейка; 6 - малое зеркало телескопа.

1. Устройство для формирования мощных импульсов CO₂ лазером, содержащее одномодовый задающий генератор, работающий на линии Р(20) 10-мкм полосы усиления молекулы СО₂, оптическую схему согласования пучков и трехпроходовый усилитель, образованный конфокальным телескопом, внутри и на оси которого последовательно размещены активная среда и резонансно-поглощающая ячейка со смесью SF₆+N₂, а в большом зеркале выполнено вводное осевое отверстие, равное диаметру малого зеркала, отличающееся тем, что отношение диаметра большого вогнутого зеркала к диаметру малого выпуклого устанавливается в диапазоне 8÷10.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что резонансно-поглощающая ячейка наполняется газовой смесью до полного давления, равного атмосферному, величина парциального давления газа SF₆ устанавливается в диапазоне 1÷5 мм рт.ст., а длина ячейки имеет возможность варьироваться в интервале 0.5÷1.5 м.

3. Способ формирования мощных импульсов СО₂ лазера посредством устройства по пп. 1, 2, включающий схему трехкратного прохождения импульса задающего генератора через последовательно расположенные активную среду и резонансно-поглощающую ячейку,посредством конфокального телескопа и аксиально-симметрично его оси, отличающийся тем, что давление SF₆ и длина ячейки выбираются такими, что поглощенная данной ячейкой за первые два прохода энергия составляет не менее 20%÷30% от энергии на ее входе.