Лазер на самоограниченных переходах

 

ОПИСАНИЕ 764026

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИ ЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик

У ъ.. г (61) Дополнительное к авт. сеид-ву(22) Заявлено 281278 (21) 2698549/18-25 (51) М с присоединением звявки ¹

Н 01 э 3/22

Государственный комитет

СССР по делам изобретеиий и открытий (23) Приоритет

Опубликовано 1509ЯО;, Бюллетень ¹ 34 (53) УДК 62 1 . 37 5, . 8 (088. 8) Дата опублйкования описания 15.0980 (72) Авторы изобретения

В.М. Ватенин, A.Ë. Голгер и И.И. Климовский

Институт высоких температур AH СССР (71) Заявитель Ма",3р, 1

Э (54) ЛАЗЕР HA САМООГРАНИЧЕННЫХ ПЕРЕХОДАХ

Предлагаемое устройство относится к лазерам на самоограниченных переходах (СОП) . Ойо предназначено для получения непрерывной генерации .мощностью от нескольких ватт и выше и может быть использовано для диаг" ностики плавил, в медицине, в локации, для зондирования атмосферы, для накачки лазеров на красителях. (Известен целый ряд импульсных газовых лазеров на самоограниченных переходах (1) . Активными частицами в таких лазерах служат атоьы металлов (Cu, Мп, Pb, Са и т.д.) . seне- 15 рация возникает на переходе междунизко расположенными резонансным и метастабильным уровнями, чем и объясняется их высокие средние мсщности генерации (35 Вт) и (1Ъ) 20 (2) . Являясь в настоящее время одними иэ наиболее эффективных газовых лазеров, лазеры на СОП обладают существенным недостатком: невозможностью получения на них. без принятия специальных мер непрерывной генерации, что существенно ограничивает область их применения.

Наиболее близким из известных к заявленному является лазер на СОП, 30

2 описанный в работе (3) и выбранный эа прототип.

Известный лазер содержит рабочую камеру, заполненную парами активного металла и тушащим газом для расселения нижнего лазерного уровня, средства для поддержания разряда, рабочей температуры камеры и вывода из нее лазерного излучения.

Известный лазер 3 работает на смесях Са + Н и Бп + Нэ. Возбуждение резонансного уровня осуществляется элекронным ударом, расселение ьвтастабильного уровня происходит путем реакции:

М + Н (Мн) vot + Í (1) где М - атом в метастабнльном состояний;

{МН) vot - молекула с возбужден ными колебательно вращательными уровняЭ И . Максимальная мощность генерации была получена йа Са и составляет величину 0,1 Вт при КПД 0,07% . Диапазон давления водорода, в котором наблюдалась непрерывная генерация, находится в пределах от 0,1 до 5 мм рт. ст. при уцельной .выходной мощно сти около 10" Вт/смэ.

764026

Наличие в разряде большого количества молекулярного водорода приводит к тому, что основная доля энергии, потребляемого электронами от электрического .поля, расходуется в упругих и особенно в неупругих соударениях с молекулами водорода, чем и объясняется, в первую очередь

Г низкий КПД и маленькая мощность re-.-.; :-.нерации известного лазера. Кроме то. го, большая часть энергии, передаваемая электронами молекулам водорода, расходуется на нагрев газа, что приводит к дополнительному заселению метастабильного уровня, и, как следствие, к ухудшению параметров лазера.

Целью настоящего изобретения является повышение удельной мощности генерации и КПД непрерывного лаэеРа на самоограниченных переходах.

Указанная цель достигается тем, что рабочая камера лазера содержит разрядный и генерирующий -объеьы, разделенные прозрачной перегородкой и заполненные инертным газом при давлении от 0,1 до 10 атмосфер, причем генерирующий объем заполнен тушащим газом, состоящим иэ паров химических элементов, например, щелочных металлов, атомы которых способны.к образованию эксиплексов с атомами инертного газа.

На чертеже схематически изображена одна из возможных конструкций предлагаемого лазера на самоограниченных переходах,.

Лаэер содержит прозрачную трубку из тугоплавкого материала 1, ограничивающую разрядный объем 2, кожух из высокотемпературного материала 3, ограничивающий генерирующий объем 4, активный металл 5, электроды б, источник питания 7, нагреватель 8, тепловую изоляцию 9, оптический резонатор, обраэованнцй зеркалами 10, оптические окна 11 для вывода излучения, обозначенного на рисунке стрелочками 12.

Лазер работает следующим образом, С помощью средств для поддержания рабочей температуры (нагреватель 8, тепловая изоляция 9), лазер нагревается и происходит испарение металла 5. Пары металла заполняют разрядный объем 2 и генерирующий объем 4.

Атомы активного металла в разрядном объеме возбуждаются с помощью разряда горящего между электродами 6 и поддерживаемого источником питания 7; Резонансное"иэлучение атомбв активного металла через прозрачную трубку из тугоплавкого металла 1 попадает в объем 4, где и поглощается атомами активного металла. В результате поглощения излучения накачки активные атомы возбуждаются и возникает инверсия населенностей резонансного и метастабильного уровня атомов активного металла. Поддержание стационарной инверсии населенностей обеспечивается с одной стороны непрерывным поглощением излучения накачки, с другой — расселением метастабильного уровня в неупругих coy=

5 дарениях со специально введенными в генерирующий объем атомами тушащего газа (например, пары Cs, Na), путем резонансной передачи энергии от атомов активного металла в метастабильном состоянии к атомам тушащего газа путем возбуждения их резонансных состояний.

Для эффективного вывода излучения накачки разрядный объем заполняется инертным газом при давлении от 0,1

15 до 10 атмосфер, уширяющим контур .

65 линии излучения накачки и преобразующим его из допплеровского в лоренцовский, в результате чего значительно уменьшается реабсорбция (4) и увеличивается интенсивность резонансного излучения иэ разрядного объема.

Для полного использования энергии накачки и увеличения тем самым

КПД лазера линия поглощения накачки в генерирующем объеме уширяется до линии излучения накачки путем заполнения генерирующего объема инертным газом при давлении от 0,1 до

10 атмосфер.

При давлениях ниже 0,1 атмосферы уширение буферным газом становится незначительным по сравнению с допплеровским уширением. При давлениях выше 10 атмосфер возникают серьезные технические трудности при создании разрядного и генерирующего объемов .

Релаксация резонансно возбужденных атомов тушащего газа происходит в результате быстрого обраэоьания эксиплексов из резонансно возбужденных атомов тушащего газа и атомов инертного газа с последунцим спонтанным радиационным распадом (51 .

Индуцированное излучение 12 выводится через оптические окна 11 и одно из зеркал резонатора 10.

Расчет непрерывного лазера на па.-. рах марганца, длина и поперечное сечение ытивной среды которого равны соответственно 1 м и 3 см, для случая, когда метастабильный уровень атома марганца расселяется в соуда рениях с натрием, концентрация атомов которого в объеме с активной средой составляет 10 см э, а давление буферного газа неона равно атмосферному, дает значение мощности непрерывной генерации на инфракрасных переходах (a "- 1,3 мкм) 30 Вт и КПД=1% при удельной мощности около

О, 1 Вт/см .

Указанные параметры предложенно го лазера на СОП значительно превышают мощность генерации и КПД из-, вестного непрерывного лазера на са моограниченных переходах.

Формула изобретения

764026

1 2

Составитель . ьгоров

Редактор Л. Новожилова Техред Н.Барадулина Корректор Г. Решетник

Заказ 6297/47 Тираж 844 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-.35, Раушская наб., д. 4/5 филиал ППП Патент, r. Ужгород, ул . Проектная, 4

Лазер на самоограниченных переходах, содержащий рабочую камеру, заполненную парами активного металла и тушащим газом для расселения нижнего лазерного уровня, средства для поддержания разряда, рабочей температуры камеры и вывода иэ нее лазерного излучения, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью увеличения КПД и удельной мощности, рабочая камера лазера содержит разрядный и генерирующий объемы, раз деленные прозрачной перегородкой и заполненные инертным газом при давлении от 0,1 до 10 атмосфер, причем генерирующий объем заполнен тушащим газом, состоящим из паров химических элементов, например, щелочных металлов, атомы которых способны к образованию эксиплексов с атомами инертного газа.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Петраш Г.Г. Импульсные га— зораэрядные лазеры . У.Ф.Н., 1971

2. Исаев A.A, Леммерман Г t0. Исследование импульсного лазера на парах меди при повышенных мощностях, Квантовая электроника .

4, Р 7, 1977.

6 3. Климкин В.М., Монастырев С.С, Прокопьев В.Е.Селективная релаксация долгоживущих состояний атомов металлов в газоразрядной плазме. Стационарная генерация на переходах P "

10 кальция и стронция. Письма в ЖЭТФ, 26, Р 4, 1974.

4. Елецкий A. .; Палкина Л .A., Смирнов Б .М. Явления переноса в слабоиониэированной плазме. Атомиздат, 1975, с. 252-258.

5. J.Pascafe and Vandept angue Exated mofecu8arterues of the а()са11 narc gas at ompairs the

journal of chemical Physics," vof 60, в 6, 1974.