Лазер с электронным пучком

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (иу Н 01 S 3/09

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСМОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

«« г»

««

:«

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) 1 (21) 2807388/25 (22) 09.е8.79 (46) 30.02.93. Бюл. Р 4 (71) Институт оптики атмосферы Томского филиала СО ЛН СССР ,(72) Г.В.Колбычев и П.А.Бохан (5б) Патент C4IA Р 3972009, кл. 331-94. 5, 1976.

Патент СВА 3789321, кл. 331-94. 5, 1974.

Бычков Ю.И. и др. Письма в ЖТФ, 1978, т. 4, вып. 9, с.. 515-518. (54)(57) ЛАЗЕР С ЭЛЕКТРОННЫМ ПУЧКОМ, содержаций заполненные рабочим газом лазерную кювету с вспомогательными электродами и источник электронов с катодом и анодом, элемент формирования электронного пучка, расположен, -";«

Изобретение относится к обласТи квантовой электроники и может быть использовано в разработках газовых лазеров, в том числе и лазеров íà парах металлов, работающих как в режи.ме генерации, так и в режиме усиления когерентного излучения, Известны лазерные устройства, в которых накачка активной газообразной среды производится электрическим разрядом через нее, который, в свою очередь, осуществляется с помощью электронного пучка. Лазерные устройства с электронным пучком содержат устройство для формирования электронного пучка - электронную пушку, соединенную с наполненной активным га, 5U„„849948A1 ный между источником электронов и лазерной кюветой, о т л и ч а ю ц« и й- . с я тем, что, с целью расширения диапазона. режимов накачки рабочей среды лазера, упроцения устройства и улучшения его компактности, элемент формирования электронного пучка образован анодом источника электронов, выполненным со сквозными отверстиями, равномерно расположенными по его поверхности, и имеюЩим геометрическую прозрачность не менее 50"ь, причем минимальный размер отверстия не превышает 0,4 расстояния катод-анод, которое составляет не более 0,01 м, а давление рабочего газа в источнике электронов равно давлению рабоче-. го газа в лазерной кювете. зом лазерной кюветой, причем в последнюю помещены электроды для осуществления разряда. Электронная пуш- О ка содержит полый корпус, в который . О помещены катод, анод, устройство для фь ввода электронного пучка в лазерную ф) кювету в область между размещенными в ней электродами..Между катодом и анодом выполнен разрядный промежуток, ° аюй заполненный газом давлением не выше

20 — 50. Па. Устройство для ввода электронного пучка в лазерную кювету выполнено в виде металлической фоль.ги или полимерной пленки толщиной

10-100 мкм. Металлическая Фольга и полимерные пленки, имеющие достаточную механическую прочность для обес849948 что удельный энерговклад оТ электрон 15 ного пучка в газ уменьшается с ростом энергии электронов в пучке, а следовательно, уменьшается и влияние пучка на разряд, осуществляющий накачку газового лазера. Таким образом, 20 эффективность использования электронного пучка, энергия электронов в котором превышает 100 кэВ, падает с уменьшением давления газа в лазерной кювете. При давлении активного газа ниже 10 кПа описанная система накачки лазера практически не применяется. Эффективная накачка разрядом, осуществляемым с помощью электронного пучка, в случае, когда давление активного газа не превышает 30 кПа, 25

30 может производиться лишь при условии, что энергия электронов в пучке составляет 1 - 30 кэВ.

Наиболее близким к предложенному является лазер с электронным пучком.

Известное устройство содержит лазер35 ную кювету, заполненную рабочим газом при давлении около 10 кПа, в которую помещены два вспомогательных электро- 40 да. К лазерной кювете подсвединека электронная пушка, содержащая полый корпус, в котором размещены катод, анод, газонаполненный разрядный промежуток между ними, давление газа в 45 котором Па, элемент формирования электронного пучка. Элемент форми- рования электронного пучка содержит три электромагнитные линзы, газодинамические окна и систему дифференции алькой откачки газа, причем оси линз параллельны между собой, а каждая линза соединена с одним из газодина" мических окон. Газодинамические окна представляют собой две параллельные разнесенные на некоторое расстояние пластины, имеющие по три соосных сквозных отверстия диаметром 0,9 мм.

Элемент формирования электронного печения требуемого перепада давлений между газом в лазерной кювете и газом в разрядном промежутке электронной пушки, непрозрачны для электронов с кинематической энергией менее

100 кэВ и пригодны в качестве выпускного устройства лишь для электронов с энергией выше 100 кэВ. Но и в этом случае прохождение электронов через 10 фольгу (пленку) сопровождается их некоторым торможением, что приводит к разогреву фольги (пленки) и ее разрушению. С другой стороны, известно, пучка расположен между источником электронов (электронной пушкой) и лазерной кюветой. Между элементом формирования электронного пучка и ближайшим к нему вспомогательным электродои имеется область, заполненная рабочим газом при давлении около 10 кПа.

Известное лазерное устройство с электронным пучком обладает следующими недостатками °

Электронный пучок формируется на основе высоковольтного тлеющего разряда при давлении газа в разрядном промежутке 1 Па. Вследствие этого ток формируемого электронного пучка составляет лишь десятки миллиампер (á0 МА),:и известное устройство может работать только в режиме предионизации активного газа электронным пучком. Устройство неспособно работать в режимах управления разрядом накачки и накачки непосредственно электронным пучком, для которых требуются электронные пучки с плотностью тока >1е менее 1 А/см и интегральным током пучка 100 А и выше.

При осуществлении импульсного режима работы источника электронов в известном лазерном устройстве возникают серьезные трудности, связанные с неодновременностью зажигания разрядов, генерирующих электронный пучок перед каждым газодинамическим окном. Эта неодновременность столь велика, что для ее преодоления обычно применяют принудительную инициа- . цию разрядов. Применение принудительной инициации ведет к дальнейшему ус- ложнению устройства.

Известное устройство работоспособно лишь при наличии интенсивной откачки газа из системы газодинамических окон и разрядного промежутка источника электронов. Это влечет как большие габариты и сложность известного устройства, так и большой расход газа. В результате этого известное устройство без дополнительной системы возврата газа в лазерную кювету неприменимо для работы с дорогими, химически агрессивными лазерными средами.

Известное лазерное устройство неприменимо для работы с парами метал

C лов в качестве лазерных сред, поскольку пары металлов при интенсивной откачке газа будут уходить из лазер849948! 5

35

50 ной кюветы и осаждаться на элементах газодинамических окон. В результате этого паров металла будет недостаточно для получения лазерного излучения, а отверстия в газодинамических окнах быстро забьются осаждающимся на них металлом и выйдут из строя.

Ввиду сложности элемента формирования электронного пучка, необходимости интенсивной откачки газа увеличение количества газодинамических окон связано со значительными трудностями. Однако ограничение числа газодинамических отверстий приводит к ограничению объема газа, накачиваемого в лазерной кювете, а следовательно, к ограничению энергетических параметров лазерного излучения, Таким образом известное устройство ограничено по энергии и мощности генерируемого им лазерного излучения ввиду малости рабочего объема его лазерной кюветы.

Целью изобретения является расширение диапазона режимов накачки рабочей среды лазера с помощью электронного пучка, что обеспечивает повышение энергетических характеристик ла". вера, а также улучшение компактности и упрощение устройства, что делает возможным его работу при температурах, типичных для лазеров на парах металлов.

Поставленная цель достигается тем, что в лазере с электронным пучком, содержащем заполненные рабочим газом лазерную кювету с вспомогательными электродами и источник электронов с катодом и анодом, элемент формирования электронного пучка, расположенный между источником электронов и лазерной кюветой, элемент формирования электронного пучка образован анодом источника электронов, выполненным со сквозными отверстиями, равномерно расположенными по его поверхности, и имеющим геометрическую прозрачность не менее 503, причем минимальиый размер отверстия в аноде не превышает 0,4 расстояния катод-анод, которое составляет не более 0,01 м, а давление рабочего газа в источнике электронов равно давлению рабочего газа в лазерной кювете.

Выполнение элемента формирования электронного пучка в виде анода источника электронов упрощает лазер, а выравнивание давления рабочего газа в лазерной кювете и в разрядном промежутке источника электронов позволяет исключить откачку газа из источника электронов и сделать лазер более компактным. Выполнение анода с . равномерно расположенными сквозными отверстиями позволяет, во-первых, ввести .в лазерную кювету однородный ленточный электронный пучок любого наперед заданного сечения. В этом случае нет необходимости в выполне1 нии буферной области между элементом формирования электронного пучка и ближайшим к нему дополнительным электродом, которая в известном устройстве необходима для трансформации трех штыревых пучков в ленточный. Во-вто20 рых, осуществить равномерную ультрафиолетовую (УФ) подсветку катода от источника Ntb-излучения, расположенного в лазерной кювете. При рабочих для лазера давлениях газа источником Уфподсветки служит газ, заполняющий лазерную кювету, возбуждаемый электронным пучком и спонтанно высвечивающийся в УФ-области спектра. Равномерная УФ"подсветка катода инициирует одновременное и однородное протекание разряда в промежутке катод-анод со всей площади катода, т.е. способствует генерации ленточного электронного пучка.

Как известно, электронный пучок генерируют в BblcoKQBQJlbTHoH разряде.

При рабочих давлениях газа в лазерной кювете такой разряд можно реализовать лишь кратковременно: за времена 10 -10 с разряд самопроизвольно переходит в, низковольтную стадию, и генерация электронного пучка прекращается, Наиболее быстро срыв высоковольтной стадии разряда происходит гри неоднородном распределвнии электрического поля на катоде. Для обеспечения однородности распределения поля катод и анод размещают параллельно друг другу, однако отверстия в аноде вносят искажения в поле.

Опыт показал, что когда минимальный . размер отверстий в аноде не превышает 0,4 расстояния катод-анод, эти искажения роли не играют.

Выполнение анода с геометрической прозрачностью не менее 503 обеспечивает достаточный для накачки рабочего газа лазера во всех режима: элект7 84 ронный пучок и Уф-подсветку катода описанным выше способом.

Экспериментальные исследования показали, что эффективность генерации электронного пучка в разряде в газе давлением свыше 100 Па при прочих равных условиях падает с увеличением расстояния катод-анод. Оказалось, что при оптимальных условиях максимальное значение средней энергии

-7„ электронов в пучке составляет = 10

x d, эВ, где d — расстояние между катодом и анодом, м. Выполнение рассгояния между катодом и анодом в ис" точнике электронов не более 0,01 м позволяет формировать электронный пучок с энергией электронов ниже

100 кэВ с эффективностью и током пуч" ка, достаточными для работы лазера.

На Фиг =- 1 и 2 показаны сечения одного из вариантов предложенного лазера с электронным пучком. В заполненную рабочим газом лазерную кювету

1 помещен вспомогательный электрод

2, С лазерной кюветой соединен источник электронов, содержащий анод 3, катод 4 и образуемый ими газоразрядный промежуток. Элемент формирования электронного пучка образован анодом

3 и расположен между источником электронов и лазерной кюветой 2. Катод 4 и анод 3 параллельны между собой и расположены на расстоянии друг от друга 5 10"4м (меньшем 0,01 м). Анод

3 изготовлен в виде плоской решетки

-4 с шириной отверстия равной 1,2 10 м (0,24 расстояния катод 4 - анод 3), причем геометрическая прозрачность решетки составляет 753. Рабочий газ в лазерной кювете 2 является одновременно и рабочим газом в разрядном промежутке источника электронов и давления их равны. Иежду анодом 3 и катодом 4 расположена диафрагма из изолятора 5.

Устройство работает следующим об разом.

При подаче импульса напряжения на катод 4 и анод 3 в газонаполненном разрядном промежутке между ними возникает электрический разряд, генерирующий электронный пучок. Электроны пучка проходят через решетку анода

3 и производят возбуждение и ионизацию рабочего газа между анодом 3 и вспомогательным электродом 2. Часть спонтанного излучения этого газа в Уф-области спектра через отверстия

9948 8 в аноде 3 попадает на катод 4 и стабилизирует требуемый для получения электронного пучка разряд в промежутке между катодом и анодом. Одновременно или с некоторой задержкой по отношению к упомянутому импульсу напряжения на анод 3 и электрод 2 подают импульс напряжения, и в обер ласти между ними происходит однород" ный по объему разряд, поддерживаемый, или управляемый, или инициированный вышеописанным электронным пучком.

Этот разряд и производит накачку ра" бочего газа в лазерной кювете 1.

Поскольку в описанном лазерном .устройстве источник электронов способен генерировать ленточный электронный пучок с плотностью тока в де20 сятки ампер на 1 см и интегральным током пучка вплоть до килоампер, то устройство может работать в следующих режимах накачки рабочего газа лазера:

25 в режиме предионизации самостоятельного разряда накачки; в режиме поддержания несамостоя.тельного разряда накачки, в режиме управления самостоятельЭО ным разрядом накачки; в режиме накачки непосредственно электронным пучком.

При всем этом предложенныч лазер с электронным пучком может работать как в режиме свободной генерации, так и в режиме усиления лазерного излучения. !

В предложенном устройстве источник электронов и элемент.формирования электронного пучка, а также уст4р ройство Уф - подсветки катода разме-: щены внутри лазерной кюветы, и форми-, рование электронного пучка происходит непосредственно в рабочем газе, заполняющем кювету, и нет необходи45 мости откачки газа из ускорительной области источника электронов. Поэтому устройство отличают компактность и малые габариты, Вследствие слабого распыления катода в разряде в газе

5р давлением свыше l00 Па устройство имеет повышенный ресурс работы. Ввиде простоты конструкции устройство работоспособно при высоких температурах, т.е. применимо для работы с па55 рами металлов в качестве рабочих сред лазера. Возможность генерации элект- ронного пучка с частотой следования вплоть до 10 кГц позволяет получать лазерное излучение с высокой средней

849948

Составитель, Редактор T.Ûàðãàíoaà Техред M.Mîðãeíòàë Корректор И.Самборская. Заказ 1090 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР . 113035, Иосква, М-35, Раушская наб., д. 4/5

« »»

Производственно-издательский комбинат "Патент", r.. Ужгород, ул, Гагарина, 101 мощностью. При этом генерация электронного пучка происходит одновременно во всей ускорительной области, что

1 исключает трудности, связанные с одновременностью зажигания разряда, генерирующего электронный пучок. г