Способ получения когерентного излучения в лазерах на парах веществ

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

ONI М

РЕСПУБЛИК

0% (11) g g H 0l S 3/22.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЭОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 2787066/18-25 (22) 29.06.79 (46) 07.07.83. Бюл. У 25 (72) Г.А. Месяц, В.М. Орловский, В.В. Осипов, В.В. Рыжов, В.С. Соловьев и А. Г. Ястремский (71) Институт сильноточной электроники Сибирского отделения АН CCCP (53) 621.375.8, 088.8 (56)- 1. Исаев А.А. и др . "Приборы и техника эксперимента".. 1973. М 1, с. 188. 2. Патент США И 3.256.711 кл. 331-94,5, опублик, 1976 (прототип) . (54) (57) СПОСОБ ПОЛУ КНИЯ КОГЕРЕНТНО .

ГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ЛАЗЕРАХ HA ПАРАХ ВЕЩЕСТВ, заключающийся в создании в лазерной кювете паров рабочего вещества .и накачке верхнего лазерного уровня паров электронным пучком, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью увеличения энергии лазерного излучения, лазерную кювету предварительно равномерно заполняют рабочим веществом в виде мелкодисперсной взвеси, а создание паров рабочего вещества производят путем облучения взвеси электронным пучком.

882368

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть . использовано при создании мощных лазеров на парах веществ и в областях . техники, где:требуется получать пары. . высокого давления из тугоплавких металлов и неметвллов;

Известны способ получеНия когерентного излучения на парах веществ, Одной иэ отличительных особенностей 30 этих способов является метод получения паров в рабочем объеме лазера. Наибольшее. распространение получили способы, в которых создание паров осуществляется путем нагрева и испаре- f5 ния вещества от специального термо-, элемента непрерывного действия (1) либо путем испарения мишени лазерным лучом 2j . Способ получения когерентного из" 20 лучения, при котором создание паров осуществляется путем нагрева рабочего вещества непосредственно е лазерной трубке Pj, позволяет получать генерацию на парах различных элемен- 25 тов и их соединений.

Рабочее вещество помещают е лазерную кювету, где производится его нагревание с помощью печи специальной конструкции. Испаряясь, раоочее ее" щество равномерно заполняет лазерную кювету, причем концентрация рабочего вещества в объеме определяется даеле" нием насыщающих паров, задаваемым температурой кюветы. Возбуждение и создание инверсии в среде, производит ся обычно продольным электрическим разрядом, для улучшения характеристик которого в кювету вводится буферный газ.

Недостатком этого способа является низкая удельная энергия лазерного .излучения, поскольку концентрация активных частиц вследствие низкого давления паров вещества в объеме лазера мала. Это связано стем, что приме45 няемые в настоящее время конструктивные материалы, иэ которых выполняется кюветы, позволяют поддерживать в камере температуры, не превышающие

2000 К. При. таких температурах даеле- + ние насыщающих паров большинства ве- ществ не превышает долей торра.

Наиболее близким по технической .сущности к изобретению является способ получения когерентного излучения в лазерах на парах веществ, заключающийся в создании в лазерной кювете паров рабочего вещества и накачке верхнего лазерного уровня паров электронным пучком 21 . При этом рабочее вещество- сосредоточено в виде мишени, при испарении которой с помощью лазерного излучения, вводимого через специальное окно, пары рабочего .вещества заполняют. рабочий объем.

После заполнения кюветы рабочее вещество .облучается электронным пучком, который осуществляет накачку .

Недостатком способа является малая энергия лазерного излучения, поскольку малы концентрация пара и рабочий объем лазера. При испарении мишени лазерным лучом и изотропном разлете пара его давление падает обратно пропорционально кубу расстояния до точки наблюдения. Время выравнивания давления t, по всему объему должно быть, по крайней мере, е 5- 1О раз больше, чем время т., необходимое для переноса паров от мишени до самой удаленной точки рабочего объема.. Если при" нять, что средняя скорость разлета пара V = (5 - 10) 10"c, то для камеры с поперечными размерами гп, =

=10 см,-с = „/V =10 см/105 см/с =10 с и время выравнивания давления по асему объему t, 10 Э и оказывается р сравнимым со временем конденсации паров уже при концентрации частиц

П 10 8 см . Эаметим, что при больших концентрациях паров и = 10 (6»

10 см ) время. конценсации резко уменьшается и становится меньше, чем Р . Эти обстоятельстве ставят ограничения, ео-первых, на величину объема лазера (обычно поперечные размеры активной области при этом способе получения когерентного излучения на парах не превышают нескольких миллиметров), а во-вторых, не позволяют получать е реальном объеме лазера пары с концентрацией hъ 10 1см .

Кроме того,. для взрыеа вещества мишени е состав установки лазера на парах должен быть включен дополнительно достаточно мощный сложный лазер.

Целью изобретения является увеличение удельной и полной энергии излучения лазеров на парах веществ.

Эта цель достигается тем, что по способу получения когерентного излучения е лазерах на парах веществ, заключающемуся в создании е лазерной кювете паров рабочего вещества и накачке верхнего лазерного уровня паров электронным пучком, лазерную кювету

882368 4 пучок. Это дает возможность осуществить режим одновременного взрыва частиц во всем объеме. Время. установления давления паров в камере С в способе порядка времени переноса паров на расстояние между частицами. Это дает воэможность повысить. однородность и концентрацию пара, а следовательно, иметь большую удельную и полную энер1О гию излучения. предварительно равномерно заполняют рабочим веществом в виде мелкодисперс ной взвеси, а создание паров рабочего вещества производят путем облучения взвеси электронным пучком.

Способ обеспечивает такие режимы ввода энергии в среду, при которых происходит взрыв мелкодисперсных частиц. Для обеспечения оптимального режима работы лазера энергию электронов и плотность тока пучка необходимо выбрать таким ооразом, чтобы обеспечить скорости ввода энергии, при которых эа времена, меньшие, чем характерное время заполнение рабочего объема парок t, „= 6 / Ч, где - среднее расстояние между частицами вкладывается энергия, необходимая для гревращения данного количества вещества в парообразное состояние.

При таком способе получения паров их давление в рабочем объеме, лазера задается не температурой кюветы, а количеством вещества, взорванного в объеме. Образующиеся в результате взрыва частиц, равномерно распределенных в объеме, пары равномерно заполня. ют рабочий, объем за время порядка

Возбуждение паров осуществляют ч электронным пучком или электрическим разрядом. Снятие инверсии, т.е. получение лазерной генерации, производят с помощью резонатора, состоящего из глухого и полупрозрачного зеркал, через которое выводится излучение.

Преимущества предложенного способа связаны с тем, что вместо одной мишени имеется большое количество мишеней частиц вещества, равномерно распределенных в рабочем объеме лазера. Расстояния между частицами E всегда можно сделать много меньше, чем поперечные размеры камеры и, следовательно, рабочий объем, который можно заполнить паром, может быть как угодно большой (ее поперечные размеры ограничены длиной пробега электронов, а ширина и длина - размерами катода ускорителя). В качестве источника энергии для взрыва вещества использует ся объемный нагреватель — электронный

В способе для взрыва вещества используется тот же источник электронов который возбуждает среду, и не требуется мощный лазер, предназначенный для испарения вещества мишени,. как в прототипе.

Рассмотрим пример получения когерентного излучения на парах меди по предложенному способу, в .котором соз- дание паров осуществляется с ускорителем с энергией электронов

Е100 кэВ, сечением электронного пуч" ка 5 = (10 О, 5} см, полным током

$ 10 10 А и длительностью импульса

3 тока 1; 300 нс. Энергия пучка определяется выражением Е = — f (где о

B — - заряд электрона) и для рассматриваемого случая равна 450 Дж. Рассчеты и эксперимент показывают, что в в данном случае энергия электронного пучка достаточна для взрыва 0,1 г меди. Взрыв такого количества меди в объеме (10 0,5 1 ) смЗ приведет к увеличению давления до 15 атм, что соответствует концентрации паров

4 ° 10 Осм . При достаточном превыше нии порога генерации удельная энергия .излучения определяется скоростью накачки на верхний рабочий уровень.

При возбуждении электронами с основного состояния скорость накачки про" порциональна концентрации паров. В рассматриваемом случае концентрация паров порядка 10 О см, что примерно в 10 раз выше, чем в лазерах, в которых пары получают путем подогрева рабочего вещества, и на порядок выше, чем в способе с использованием лазер; ного излучения для получения паров рабочего вещества.

ВНИИПИ Заказ 6374/1

Тираж 590 Подписное

Филиал ППП "Патент", r, Ужгород, ул. Проектная, 4