Способ получения оптического разряда в газе и устройство для его осуществления

Изобретение относится к области лазерных технологий. Способ получения оптического разряда в газе состоит в оптическом пробое газа с образованием поглощающей плазменной области и ее поддержании в луче лазера в течение длительности его воздействия. При этом пробой газа с образованием плазменной области осуществляют путем фокусировки излучения короткоимпульсного лазера, а поддержание плазменной области осуществляют в резонаторе непрерывного лазера или лазера с большой длительностью импульса за счет многократного прохождения излучения непрерывного лазера или лазера с большой длительностью импульса через оптический разряд. Технический результат заключается в повышении эффективности использования энергии лазера. 4 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области лазерной физики и лазерных технологий и может быть использовано при разработке и создании плазмохимических систем на основе лазеров.

Известен способ [1] получения оптического разряда в газе, состоящий в оптическом пробое газа с образованием поглощающей плазменной области и ее поддержании в луче квазистационарного лазера в течение длительности его воздействия.

Недостатком данного способа являются большие потери лазерного излучения вследствие высокого пропускания лазерного излучения плазмой разряда, 40% и более даже на длине излучения СО₂ лазера, что делает затруднительным применение более коротковолновых лазеров.

Наиболее близким к предлагаемому способу является представленный в [2] способ получения непрерывного оптического разряда в газе.

Недостатком данного способа является сложность осуществления, большие потери лазерного излучения вследствие высокого пропускания лазерного излучения плазмой разряда.

Задачей заявляемого изобретения является расширение области применения оптического разряда путем использования компактных лазерных систем ближнего ИК, видимого и УФ диапазона и повышение эффективности использования энергии лазера.

Для решения поставленной задачи предложен способ получения оптического разряда в газе, состоящий в оптическом пробое газа с образованием поглощающей плазменной области и ее поддержании в луче в течение длительности его воздействия.

В заявляемом способе пробой газа с образованием плазменной области осуществляют путем фокусировки излучения короткоимпульсного лазера, а ее поддержание осуществляют в концентрическом резонаторе непрерывного лазера или лазера с большой длительностью импульса, предназначенного для поддержания разряда (фиг. 1а). Пробой газа осуществляют путем острой фокусировки объективом 5 излучения короткоимпульсного лазера 4. Благодаря многократному прохождению через плазменную область излучения непрерывного лазера или лазера с большой длительностью импульса с активным элементом 1 в концентрическом резонаторе, образованном полностью отражающими лазерное излучение зеркалами 2,6 и линзой 3, вся мощность лазера расходуется только на поддержание оптического разряда в перетяжке резонатора 7 и полностью вкладывается в разряд независимо от длины волны лазерного излучения при добротности резонатора не хуже 10⁵. Ввиду низкого показателя поглощения плазмы оптического разряда влияние плазмы на генерационные характеристики лазера будет незначительно.

Для их уменьшения при необходимости можно использовать трехзеркальный резонатор (фиг. 1б) и располагать область оптического разряда в перетяжке 7 дополнительного концентрического резонатора (фиг. 1б). Для симметризации оптического разряда его поддержание осуществляют в фокальной области сфокусированного конического лазерного пучка (фиг. 2).

Известно устройство [3] для получения оптического разряда в газе, содержащее квазистационарный Nd-лазер, оптически связанный с фокусирующим объективом.

Недостатком данного устройства явлеются малая длина волны излучения лазера и соответственно низкий показатель поглощения плазмы разряда α~λ²~10^-2 см^-1 (воздух, λ=1,06 мкм) и соответственно большие потери мощности лазерного излучения.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство [4] для получения непрерывного оптического разряда в газе, содержащее непрерывный CO₂-лазер, оптически связанный с фокусирующим объективом.

Недостатком данного устройства являются большие потери излучения, несмотря на большую длину волны излучения СО_2-лазера. В разряде с характерным размером 1 см поглощается около 50% лазерного излучения.

Задачей заявляемого изобретения является создание устройств, обеспечивающих пробой газовой среды для инициирования оптического разряда и обеспечение многократного прохождения излучения лазера, поддерживающего разряд, через плазменную область с целью полного поглощения мощности излучения.

Для решения поставленной задачи предложены новые технические решения.

Устройство для получения оптического разряда в газе содержит лазер, оптически связанный с фокусирующим объективом.

Новым по мнению автора является то, что устройство дополнительно содержит непрерывный лазер или лазер с большой длительностью импульса с концентрическим резонатором, оптически связанным с фокусирующим объективом.

Новым по мнению автора является то, что устройство дополнительно содержит непрерывный лазер или лазер с большой длительностью импульса, оптически связанный с дополнительным концентрическим резонатором, оптически связанным с фокусирующим объективом. Сущность устройств поясняется на фиг 1 а,б.

Устройство на фиг. 1а содержит лазерный активный элемент 1, глухие зеркала 2, 6, а также линзу 3, мощный короткоимпульсный лазер 4 с объективом 5. Перетяжка концентрического резонатора совмещена с фокусом объектива 5.

Устройство на фиг. 1б содержит лазерный активный элемент 1, глухие зеркала 2, 6 и полупрозрачное зеркало 8, а также линзу 3, мощный короткоимпульсный лазер 4 с объективом 5. Перетяжка дополнительного резонатора (фокус линзы 3 и зеркала 6) совмещена с фокусом объектива 5. Устройство работает следующим образом. Коротким мощным импульсом излучения лазера 4 осуществляют оптический пробой газа в фокусе объектива 5. Возникший в фокальной области оптический разряд 7 поддерживается за счет поглощения излучения активного элемента непрерывного лазера или лазера с большой длительностью импульса 1 при многократных прохождениях излучения (не менее 10⁵) через оптический разряд.

Новым по мнению автора является то, что устройство дополнительно содержит непрерывный лазер или лазер с большой длительностью импульса, оптически связанный с фокусирующим объективом, системой формирования кольцевого пучка в виде отражательного аксикона и конического зеркала, а также коническое поворотное зеркало, причем угол схождения конического пучка равен 180°.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлен общий вид предлагаемого устройства (фиг. 2).

Устройство (фиг. 2) содержит лазерный активный элемент 1, глухое зеркало 2, линзу 3, отражательный аксикон 9, поворотные конические зеркала 10, 11, мощный короткоимпульсный лазер 4, поворотное зеркало 12, объектив 5. Оптическая система из аксикона 9 и поворотных конических зеркал 10, 11 эквивалентна глухому зеркалу резонатора.

Устройство работает следующим образом. Коротким мощным импульсом излучения лазера 4 осуществляют оптический пробой газа в фокусе объектива 5, совпадающем с фокусом линзы 3 в фокальной области конического пучка. Возникший в фокальной области 7 оптический разряд поддерживается за счет поглощения излучения активного элемента лазера 1 при многократных прохождениях излучения (не менее 10⁵) через оптический разряд. В данном устройстве может быть реализована схема 2-зеркального резонатора, так и 3-зеркального резонатора путем установки полупрозрачного зеркала 8.

Таким образом заявляемый способ и устройство позволяют существенно расширить область применения оптического разряда путем использования компактных лазерных систем ближнего ИК, видимого и УФ диапазона и повысить эффективности использования энергии лазера.

Список литературы

1. Ф. Бункин, В. Конов, А. Прохоров // Письма в ЖЭТФ. Т. 9. С. 599. 1964.

2. S. Metev, A. Stephen et al. // Riken Review. №50. pp. 47-52. 2003.

3. И. Буфетов, А. Прохоров, В. Федоров, В. Фомин // Труды ИОФАН. Т. 10. С. 3-70. 1988

4. В.Конов, С.Углов // Кв. электр. Т. 25. С. 291-292. 1998.

1. Способ получения оптического разряда в газе, состоящий в оптическом пробое газа с образованием поглощающей плазменной области и ее поддержании в луче лазера в течение длительности его воздействия, отличающийся тем, что пробой газа с образованием плазменной области осуществляют путем фокусировки излучения короткоимпульсного лазера, а поддержание плазменной области осуществляют в резонаторе непрерывного лазера или лазера с большой длительностью импульса за счет многократного прохождения излучения непрерывного лазера или лазера с большой длительностью импульса через оптический разряд.

2. Способ по п. 1 отличающийся тем, что в качестве указанного резонатора используется дополнительный концентрический резонатор непрерывного лазера или лазера с большой длительностью импульса.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что пробой газа с образованием плазменной области и ее поддержание осуществляют в фокальной области сфокусированного конического пучка непрерывного лазера или лазера с большой длительностью импульса.

4. Устройство для получения оптического разряда в газе, содержащее лазер, оптически связанный с фокусирующим объективом, отличающееся тем, что дополнительно содержит непрерывный лазер или лазер с большой длительностью импульса с концентрическим резонатором, оптически связанным с фокусирующим объективом, причем в концентрическом резонаторе осуществляется поддержание плазменной области за счет многократного прохождения излучения непрерывного лазера или лазера с большой длительностью импульса через оптический разряд.

5. Устройство для получения оптического разряда в газе, содержащее лазер, оптически связанный с фокусирующим объективом, отличающееся тем, что дополнительно содержит непрерывный лазер или лазер с большой длительностью импульса, содержащий трехзеркальный резонатор, включающий концентрический дополнительный резонатор, оптически связанный с фокусирующим объективом, причем в дополнительном концентрическом резонаторе осуществляется поддержание плазменной области за счет многократного прохождения излучения непрерывного лазера или лазера с большой длительностью импульса через оптический разряд.

6. Устройство для получения оптического разряда в газе, содержащее лазер, оптически связанный с фокусирующим объективом, отличающееся тем, что дополнительно содержит непрерывный лазер или лазер с большой длительностью импульса, оптически связанный с фокусирующим объективом, системой формирования кольцевого пучка в виде отражательного аксикона и конического зеркала, а также поворотное коническое зеркало, причем угол схождения конического пучка равен 180°.