Устройство и способ для формирования мощных коротких импульсов co2

Изобретение относится к лазерной технике. Устройство для формирования мощных коротких импульсов СO2 лазером состоит из последовательно расположенных задающего генератора на линии Р(20) 10-мкм полосы, трехсекционной резонансно-поглощающей ячейки со смесью SF6 и N2, оптической схемы геометрического преобразования пучка задающего генератора и трехпроходового усилителя, образованного активной средой СO2 лазера, которая размещена внутри и на оси конфокального телескопа с внешним фокусом. Поглощающая ячейка выполняется из трех равных секций, наполняемых газами SF6 и N2 независимо. При этом первая секция содержит смесь высокого давления, а в последующих секциях оно по определенному закону снижается при одновременном росте парциального давления поглощающей компоненты. Технический результат заключается в обеспечении возможности генерации коротких импульсов высокой интенсивности. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области физики и техники лазеров и может быть использовано для генерации мощных коротких импульсов CO2 лазером, под которыми в настоящее время принято понимать устройства с выходным импульсом наносекундного и субнаносекундного масштаба длительности и пиковой мощностью более или порядка 1 ГВт [Р. Ровинский. Мощные технологические лазеры: http://remrovinsky.com/books/laser/lasery.pdf], [Г.А. Баранов, А.А. Кучинский. Мощные импульсные СО2 лазеры высокого давления и их применение: http://www.mathnet.ru/linh/e6fb7b16230ab79ef82313cbeb936a63/qe2856.pdf]. Такие лазеры находят широкое применение в исследовании плазмы, генерации многозарядных ионов в инжекторах ускорителей, экспериментах в области молекулярной физики, в частности диссоциации молекул, инициирования и диагностики химических реакций, требующих высокой интенсивности ИК-излучения. Поскольку для СО2 лазерных устройств (в генераторном или усилительном варианте) с одинаковой энергетикой накачки извлекаемая энергия излучения относительно слабо зависит от длительности импульса, проблема получения импульсов лазера высокой мощности непосредственно связана со способами укорочения длительности излучения тем или иным способом. В соответствии с динамикой излучения в режиме свободной генерации типичная форма импульсов CO2 лазера представляет собой пик длительностью (30÷150) нс с последующим «хвостом» низкоинтенсивного излучения, продолжающегося в течение нескольких микросекунд. Вместе с тем, получившие наиболее широкое распространение CO2 лазерные устройства с разрядом атмосферного давления позволяют, в принципе, формировать импульсы длительностью до (150÷200) пс, в соответствии с шириной полосы усиления, составляющей (5÷7) ГГц для разных составов смеси CO2/N2/He.

В качестве аналогов выбраны наиболее близкие по способам и технике устройства, поскольку они обладают существенными признаками, совпадающими с признаками предлагаемого изобретения.

Известно устройство для управления длительностью импульса CO2 лазера [Макаров Г.Н. Управление длительностью импульсов СО2 лазера с помощью ячейки с поглощающим ИК-излучение газом в резонаторе. Квант, электр., 13, 8, 1665, (1986)], базирующееся на способе укорочения длительности импульса, излучаемого в режиме свободной генерации. Оно представляет собой импульсный CO2 лазерный генератор, в резонаторе которого селективного или неселективного типа размещается ячейка с нелинейно поглощающим ИК-излучение газом, молекулы которого обладают положительным энгармонизмом. Спектр поглощения таких молекул смещается в «красную» сторону при ее колебательном возбуждении под действием излучения. При соответствующем выборе поглощающего газа и линии генерации лазера можно обеспечить условия нарастания коэффициента поглощения внутрирезонаторной ячейки по мере нарастания интенсивности излучения. Это приводит к более раннему срыву генерации и сокращению длительности генерируемого импульса. Так удается сократить длительность импульса до (30÷40) нс без уменьшения его пиковой мощности.

Недостатком устройства является недостаточный эффект уменьшения длительности генерируемого импульса и незначительное увеличение его мощности.

Известно устройство для повышения мощности импульса CO2 лазера, использующее способ усиления импульса, предварительно полученного в генераторе [J.-L. Lachambre, J. Gilbert, F. Rheault, R. Fortin, M. Blanchard. Performance characteristics of a TEA double-discharge grid amplifier. IEEE Journal of Quantum Electronics, V 9, №4, Apr 1973, 459], основными элементами которого являются задающий генератор, работающий в режиме свободной генерации, и усилитель. При увеличении длины усилителя в соответствии с энергией насыщения активной среды и коэффициентом усиления слабого сигнала может достигаться увеличение энергии и мощности входного импульса.

Недостатками устройства, которое можно назвать схемой прямого усиления, являются:

1. Отсутствие сокращения длительности импульса. Фронт нарастания импульса задающего генератора, работающего в режиме свободной генерации, описывается экспоненциальным законом и в процессе насыщенного усиления не меняется, а только передвигается вперед по фронту, как показано расчетно-теоретически в [Крюков П.Г., Летохов B.C. Распространение импульса света в резонансно-усиливающей (поглощающей) среде. Усиливающая среда. Некогерентное взаимодействие. УФН, 99 (2), 169-227, 1969, УФН, 99 (2), 169-227, 1969].

2. Ограниченное увеличение пиковой мощности: несмотря на увеличение выходной энергии импульса пропорционально длине усилителя, мощность пика импульса стремится к некоторому предельному значению, т.е. после прохождения определенной длины усиления приобретает стационарное значение [там же].

Известно устройство [Сатов Ю.А., Шумшуров А.В., Балабаев А.Н., Турчин В.И. Устройство и способ для формирования мощных импульсов СО2 лазером. Патент РФ 2541724, публикация 20.02.2015, Бюл. №5] для формирования мощных импульсов CO2 лазером, содержащее одномодовый задающий генератор, работающий на линии Р(20) 10-мкм полосы усиления молекулы CO2, оптическую схемы геометрического преобразования пучка задающего генератора для согласования с параметрами трехпроходового конфокального телескопа, внутри и на оси которого последовательно размещены активная среда усилителя и резонансно-поглощающая ячейка со смесью SF6+N2. Для обеспечения достаточного поглощения излучения длина ячейки варьируется в интервале (0.5÷1.5) м, а концентрация SF6 устанавливается равной 1÷5 мм рт.ст. при полном давлении смеси, равном атмосферному. Коэффициент увеличения осевого конфокального телескопа устанавливается достаточно большим (8÷10), чтобы в практически интересных случаях устранить самовозбуждение активной среды усилителя.

Работа устройства основана на способе усиления импульса лазера, на фронте которого формируется крутой участок нарастания за счет нелинейно-поглощающей ячейки. В процессе насыщенного усиления такого импульса одновременно с увеличением его энергии происходит сокращение его длительности [Макаров К.Н., Малюта Д.Д., Рерих В.К., Сатов Ю.А., Смаковский Ю.Б., Степанов А.Е., Хоменко С.В. Исследование динамики распространения импульсов СО2 лазера в цепочке нелинейных поглощающих и усиливающих сред. Квантовая электроника, 2001, 31, 1, стр. 23-29]. Таким образом, нарастание пиковой мощности импульса при таком способе усиления особенно эффективно. Динамика взаимодействия излучения с резонансно-усиливающей средой такова, что увеличение выходной мощности тем выше, чем более близок к «ступеньке» закон нарастания фронта входного импульса. Для «обострения» фронта импульса излучения в устройстве-прототипе используется резонансно-поглощающая среда достаточной плотности, чтобы в достаточной мере воздействовать на форму импульса задающего генератора, работающего в режиме свободной генерации.

Недостатками этого технического решения являются:

1. Ограниченный эффект обострения фронта импульса задающего генератора и, соответственно, результат нарастания его интенсивности в усилителе. Давление и состав смеси поглощающей ячейки в прототипе вынужденно выбираются оптимальными с точки зрения получения заметного (20%÷30% от энергии задающего генератора) поглощения фронтальной части входного импульса и одновременно значительного увеличения скорости нарастания излучения в момент насыщения поглощения (просветления) ячейки. Эти цели достигаются при различных условиях: поглощенная энергия нарастает с увеличением интенсивности насыщения, и момент наибольшего обострения сдвигается ближе к пику импульса, а скорость просветления смеси, т.е. крутизна проходящего импульса, увеличиваются при сокращении интенсивности насыщения. Интенсивность насыщения в условиях столкновительного уширения спектральной линии пропорциональна квадрату полного давления смеси [Крюков П.Г., Летохов B.C. Распространение импульса света в резонансно-усиливающей (поглощающей) среде. Поглощающая среда. Некогерентное взаимодействие. УФН, 99 (2), 169-227, 1969, УФН, 99 (2), 169-227, 1969], т.е. одна из целей достигается при увеличении полного давления, а другая - при его уменьшении. Оптимальные условия для ячейки указанной длины возникают примерно при атмосферном давлении поглощающей смеси.

2. Нестабильность выхода от «выстрела к выстрелу», связанная с многопроходовым характером работы поглощающей ячейки. Способ работы устройства предполагает использование «насыщающегося» участка характеристики поглощения (зависимости коэффициента поглощения от интенсивности импульса), поэтому незначительные изменения входной мощности задающего генератора и коэффициента усиления активной среды значительно нарастают с номером прохода и могут приводить к смещениям «рабочей точки» ячейки и вызывать нежелательные изменения выходных параметров устройства.

Техническим результатом предложенного изобретения является, во-первых, увеличение крутизны входного в усилитель импульса и, как следствие, интенсивности формируемого устройством импульса излучения, во-вторых, устранение нестабильности работы устройства.

Для достижения указанного результата предложено устройство для формирования мощных коротких импульсов CO2 лазером, содержащее одномодовый задающий генератор, работающий на линии Р(20) 10-мкм полосы усиления молекулы CO2, оптическую схему геометрического преобразования пучка задающего генератора, активную среду CO2 усилителя, в которой организованы три прохода излучения с помощью осевого конфокального телескопа с увеличением не менее 10, поглощающую ячейку длиной 1.5 м с резонансно-поглощающим газом SF6 в смеси с N2, при этом поглощающая ячейка расположена после задающего генератора и выполнена из трех последовательно расположенных изолированных секций равной длины, наполненных газами независимо и разделенных прозрачными для ИК-излучения окнами.

Также полное давление газовой смеси в первой секции поглощающей ячейки равно атмосферному, а величину парциального давления газа SF6 в ней выбирают так, что поглощенная доля излучения составляет (15÷20)% от энергии задающего генератора, при этом величина полного давления в каждой последующей секции поглощающей ячейки вчетверо меньше, чем в предыдущей секции, а величина парциального давления газа SF6 в каждой последующей секции поглощающей ячейки в два раза выше, чем в предыдущей секции.

Для достижения вышеуказанного технического результата предложен способ формирования мощных коротких импульсов СО2 лазера, заключающийся в том, что излучение задающего одномодового генератора, работающего на линии Р(20) 10-мкм полосы усиления молекулы СО2, предварительно проводят через трехсекционную поглощающую ячейку с резонансно-поглощающим газом SF6 в смеси с N2, а затем через трехпроходовый осевой конфокальный телескопический усилитель, при этом полное давление газовой смеси в первой секции поглощающей ячейки равно атмосферному, а величину парциального давления газа SF6 в ней выбирают так, что поглощенная доля излучения составляет (15÷20)% от энергии задающего генератора, при этом величина полного давления в каждой последующей секции поглощающей ячейки вчетверо меньше, чем в предыдущей секции, а величина парциального давления газа SF6 в каждой последующей секции поглощающей ячейки в два раза выше, чем в предыдущей секции.

Этот результат достигается за счет того, что в предлагаемом устройстве (см. чертеж), содержащем, как и прототип, одномодовый задающий генератор 1, резонансно-поглощающую ячейку 2 и активную среду усилителя 5, в которой организуется три прохода излучения с помощью осевого трехпроходового конфокального телескопа, образованного большим 4 и малым 6 зеркалами, и схемы геометрического преобразования пучка задающего генератора 3, вносятся следующие технические изменения:

1. Поглощающая ячейка располагается сразу после задающего генератора и выполняется из трех равных по длине последовательно расположенных секций, наполняемых газами независимо и разделенных прозрачными для ИК-излучения окнами. Полная длина ячейки выбирается, как и в прототипе, максимальной, ограничиваемой расходимостью излучения задающего генератора, что в практически интересных случаях составляет ~1.5 м.

2. Наполнение ячеек смесью SF6+N2 выполняется следующим образом:

2.1 полное давление в первой секции поглощающей ячейки равно атмосферному, а величина парциального давления газа SF6 в ней выбирается так, чтобы поглощенная доля излучения составляла (15÷20)% от энергии задающего генератора;

2.2 величина полного давления в каждой последующей секции поглощающей ячейки устанавливается вчетверо меньшей, чем в предыдущей секции, а парциальное давление SF6 в каждой последующей секции в два раза выше, чем в предыдущей секции.

Коэффициент увеличения конфокального телескопа, определяемого отношением радиусов кривизны большого и малого зеркал, как и в прототипе, устанавливается достаточно большим (≥10), чтобы устранить самовозбуждение усилителя.

В качестве задающего генератора используется, как и в прототипе, типичный CO2 лазер, аналогичный описанному в [Ю.А. Сатов, Б.Ю. Шарков, Н.Н. Алексеев, А.В. Шумшуров, А.Н. Балабаев, С.М. Савин, 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].

Новые физические свойства в предложенном изобретении возникают в результате того, что необходимые при работе данного устройства преобразования формы импульса задающего генератора, состоящие в одновременном поглощении значительной энергии начальной части импульса и увеличении закона роста излучения, проводятся независимо в разных секциях поглощающей ячейки.

Первая секция содержит «плотную» среду и наполняется, как и в прототипе, до атмосферного давления и с таким содержанием SF6, чтобы обеспечивать поглощение значительной части энергии фронта импульса. Скорость просветления среды в этой секции невысока из-за высокого давления и, соответственно, большой интенсивности насыщения, поэтому на фронте прошедшего импульса не формируется предельно высокой крутизны.

В каждой последующей секции ячейки полное давление смеси SF6+N2 существенно снижается, а концентрация поглощающей компоненты увеличивается, что приводит к одновременному увеличению скорости просветления и уменьшению темнового пропускания соответствующей секции. В результате закон нарастания интенсивности на фронте становится существенно более «крутым», чем в прототипе, а интенсивность предимпульса (фона) уменьшается. Это обеспечивает значительно большее укорочение импульса в такой же, как в прототипе, трехпроходовой схеме усиления и, соответственно, повышение его мощности.

Вынесение ячейки из трехпроходовой схемы усиления обеспечивает формирование более стабильных характеристик импульса на выходе устройства.

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

1. Устройство для формирования мощных коротких импульсов CO2 лазером, содержащее одномодовый задающий генератор, работающий на линии Р(20) 10-мкм полосы усиления молекулы CO2, оптическую схему геометрического преобразования пучка задающего генератора, активную среду CO2 усилителя, в которой организованы три прохода излучения с помощью осевого конфокального телескопа с увеличением не менее 10, поглощающую ячейку длиной 1.5 м с резонансно-поглощающим газом SF6 в смеси с N2, отличающееся тем, что поглощающая ячейка расположена после задающего генератора и выполнена из трех последовательно расположенных изолированных секций равной длины, наполненных газами независимо и разделенных прозрачными для ИК-излучения окнами.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что полное давление газовой смеси в первой секции поглощающей ячейки равно атмосферному, а величину парциального давления газа SF6 в ней выбирают так, что поглощенная доля излучения составляет (15÷20) % от энергии задающего генератора, при этом величина полного давления в каждой последующей секции поглощающей ячейки вчетверо меньше, чем в предыдущей секции, а величина парциального давление газа SF6 в каждой последующей секции поглощающей ячейки в два раза выше, чем в предыдущей секции.

3. Способ формирования мощных коротких импульсов CO2 лазера, заключающийся в том, что излучение задающего одномодового генератора, работающего на линии Р(20) 10-мкм полосы усиления молекулы CO2, проводят через трехпроходовый осевой конфокальный телескопический усилитель и поглощающую ячейку с резонансно-поглощающим газом SF6 в смеси с N2, отличающийся тем, что излучение задающего генератора предварительно проводят через трехсекционную поглощающую ячейку, полное давление газовой смеси в первой секции которой равно атмосферному, а величину парциального давления газа SF6 в ней выбирают так, что поглощенная доля излучения составляет (15÷20) % от энергии задающего генератора, при этом величина полного давления в каждой последующей секции поглощающей ячейки вчетверо меньше, чем в предыдущей секции, а величина парциального давление газа SF6 в каждой последующей секции поглощающей ячейки в два раза выше, чем в предыдущей секции.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к лазерной технике. Лазерное устройство содержит плоский кристалл, снабженный поверхностью обратного отражения, и материал резонаторного фильтра, по существу прозрачный для частотного диапазона видимого света, обеспеченный по меньшей мере на одной стороне этого кристалла и выполненный с возможностью приема световой энергии.

Изобретение относится к лазерной технике. Способ получения атомов йода для активной среды кислородно-йодного лазера включает последовательное прохождение через электроразрядный генератор и узел транспортировки газовой смеси, состоящей из инертного газа, йод содержащих молекул и атомов йода.

Изобретение относится к лазерной технике. Способ получения генерации лазерных импульсов включает получение генерации путем накачки активного элемента мощностью больше пороговой, регулирование генерации модулятором добротности, формирование импульсов генерации излучения положением активного элемента относительно оси резонатора.

Изобретение относится к лазерной технике. Волоконный лазер для генерации высокоэнергетических световых импульсов содержит источник накачки, ответвитель ввода излучения накачки, волоконный кольцевой резонатор длиной ~10 м, включающий в себя активное волокно, устройство нелинейных потерь и ответвитель вывода генерируемого излучения из кольцевого резонатора.

Изобретение относится к лазерной технике. Способ возбуждения импульсов лазерных систем генератор-усилитель на самоограниченных переходах включает в себя подачу периодической последовательности пакетов импульсов возбуждения на генератор и усилитель с возможностью временного сдвига между ними, при которых импульс излучения либо гасится, либо усиливается.

Способ включает предварительный расчет количества слоев пленкообразующих материалов - диоксида циркония и диоксида кремния для длин волн 1,351 мкм и 1,54 мкм и введение рассчитанных данных и длин волн в фотометрическое устройство вакуумной установки, нанесение на одну поверхность подложек и первого контрольного образца зеркального покрытия в виде чередующихся равнотолщинных четвертьволновых слоев пленкообразующих материалов, первый слой выполняют из диоксида циркония, защитный слой - из диоксида кремния, с контролем толщины каждого слоя фотометрическим устройством вакуумной установки по изменению коэффициента пропускания первого контрольного образца на длине волны 1,067 мкм, нанесение на обратную поверхность подложек и поверхность второго контрольного образца слоев пленкообразующих материалов, рассчитанных для другой из указанных длин волн с контролем толщины слоев по изменению коэффициента пропускания второго контрольного образца на длине волны 1,067 мкм.

Изобретение относится к лазерной технике. Кислородный лазерный излучатель содержит генератор синглетного кислорода, имеющий корпус, в котором содержится щелочной раствор перекиси водорода (ЩРПВ), и вращающийся диск, который вращается в корпусе и инжекционную трубку, подающую газообразный хлор, реагирующий с раствором ЩРПВ на поверхности вращающегося диска, в верхнее пространство в корпусе для генерации синглетного кислорода.

Способ вывода из осаждённого из газовой фазы алмаза электромагнитного излучения центров окраски, в котором у поверхности алмазного образца формируется собирающая излучение центров окраски оптическая система, состоящая из конуса с круглым основанием из оптического стекла, окружающего конус конического зеркала и собирающей линзы.

Группа изобретений относится к лазерной технике. Лазер для генерации импульсного светового пучка содержит выходное зеркало, выполненное с возможностью отражения отраженной части импульсного светового луча обратно в лазер и для добавления к выходящей из лазера части импульсного светового пучка.

Изобретение относится к технологии получения монокристаллических материалов для лазерной техники, предназначенных для модуляции добротности лазерного излучения (пассивным лазерным затворам - ПЛЗ).

Изобретение относится к лазерной технике. Способ селекции поперечных мод многомодового волоконного лазера включает использование брэгговских решеток, при этом выполненных с равными резонансными длинами волн отражения излучения, соответствующими селектируемой поперечной моде многомодового волоконного световода; формирование торца выходного многомодового волоконного световода с углом более 8°между осью световода и нормалью к торцевой поверхности выходного световода, расположенного после выходной волоконной брэгговской решетки. Выходную брэгговскую решетку дополнительно формируют обладающей поперечно-неоднородным профилем показателя преломления в сердцевине многомодового волоконного световода. Поперечно-неоднородный профиль определяется расположением одиночных областей модификаций показателя преломления внутри сердцевины световода и обеспечивает максимальное значение коэффициента связи kmp в выходной решетке для селектируемой моды и минимальное значение коэффициента связи km'p' для других поперечных мод многомодового световода, который определяют согласно формуле где Δn(r,φ) - величина изменения показателя преломления в точке с координатами (r,φ), Emp(r,φ) - распределение поля поперечной моды многомодового волоконного световода с радиальным индексом p и азимутальным индексом m где - полином Лагерра, r0 - радиус поля основной поперечной моды многомодового волоконного световода. Выходную решетку выполняют в сердцевине световода на расстоянии длины резонатора от входной решетки. Техническим результатом является повышение стабильности работы многомодового волоконного лазера и упрощение его конструкции. 10 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к лазерной технике. Способ герметизации блока охлаждения активного элемента в твердотельном лазере включает два этапа: установку трубки для активного элемента и установку активного элемента в трубку, на первом этапе устанавливают трубку с прижимами и уплотнениями, на втором этапе устанавливают активный элемент в трубку, прижимы и уплотнения активного элемента. На каждом этапе осуществляют прижатие прижимов к корпусу и друг к другу, последовательно нагревая и охлаждая блок охлаждения. Технический результат заключается в обеспечении возможности надежной герметизации блока охлаждения. 2 ил.

Изобретение относится к лазерной технике. Устройство для формирования мощных коротких импульсов СO2 лазером состоит из последовательно расположенных задающего генератора на линии Р 10-мкм полосы, трехсекционной резонансно-поглощающей ячейки со смесью SF6 и N2, оптической схемы геометрического преобразования пучка задающего генератора и трехпроходового усилителя, образованного активной средой СO2 лазера, которая размещена внутри и на оси конфокального телескопа с внешним фокусом. Поглощающая ячейка выполняется из трех равных секций, наполняемых газами SF6 и N2 независимо. При этом первая секция содержит смесь высокого давления, а в последующих секциях оно по определенному закону снижается при одновременном росте парциального давления поглощающей компоненты. Технический результат заключается в обеспечении возможности генерации коротких импульсов высокой интенсивности. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Наверх