Способ создания лазерного излучения и лазер, реализующий этот способ
METHOD OF CREATION OF LASER RADIATION AND LASER IMPLEMENTING THIS METHOD

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области квантовой электроники, и, более точно, к области лазерной техники, и может быть использовано для создания лазерного излучения на основе различных возбужденных атомов и для построения лазеров, позволяющих существенно снизить длину волны лазерного излучения и вследствие этого повысить энергию лазерного излучения. Это является весьма важным для многих применений лазеров, где является критической длина волны лазерного излучения, например, при изготовлении микро- и нано-интегральных схем.
Уровень техники
Известны способы создания лазерного излучения с использованием возбужденных атомов и реализующие эти способы газовые лазеры, содержащие газоразрядную камеру и лазерный резонатор (см., например, патент на полезную модель RU 104785 от 2010 г., опубликованный в 2011 г., МПК H01S 3/00, автор Привалов В.Е.). В известных газовых лазерах на возбужденных атомах газоразрядная камера установлена в лазерном резонаторе. Вследствие этого общий недостаток этих лазеров состоит в том, что рабочие уровни возбужденных атомов оказываются настолько широкими, что требуется высокая мощность для возбуждения атомов.
В качестве способа-прототипа и реализующего его лазера-прототипа выбираем известные способ и лазер, являющиеся наиболее близкими к предлагаемым способу и лазеру и не содержат никаких второстепенных признаков, которые могли бы в чем-то улучшить эти прототипы. Такими способом-прототипом и способом-лазером являются способ и лазер, описанные в статье Javan A., Benneett W.R., Herriott D.R. "Population Inversion and Continious Optical Maser Oscillation in a Gas discharge Containing a He-Ne Mixture. - "Physical Review Letteres", 1961, v. 6, No. 3, pp. 106-110. Способ-прототип и лазер-прототип, представленные в этой статье, описаны также в статье A.M. Леонтовича «Оптический генератор» в «Физическом энциклопедическом словаре», 1963 г. в 5-ти томах, М.: «Советская энциклопедия», 1963 г., том 3, С. 528-530, рис. 6, на котором лазер-прототип назван «оптическим генератором Джавана». Недостаток способа-прототипа и лазера-прототипа заключается в том, что они не обеспечивают низкую длину волны лазерного излучении.
Раскрытие (сущность) изобретения
Задачей предлагаемого изобретения является разработка способа получения лазерного излучения на основе возбужденных атомов и лазера, реализующего этот способ, которые по сравнению с прототипом обеспечили бы технический результат в виде одновременного достижения следующих целей:
- получение лазерного излучения на высокоэнергетических уровнях, например, водорода и гелия,
- получение лазерного излучения на атомных линиях, которые ранее невозможно было использовать для обеспечения необходимой длины волны излучения.
Это позволяет существенно снизить длину волны и повысить энергию лазерного излучения.
Этот технический результат достигается, во-первых, благодаря тому, что в способе создания лазерного излучения на основе возбужденных атомов, состоящем в использовании газоразрядной камеры и лазерного резонатора, на выходе газоразрядной камеры устанавливают ионно-оптическую систему для формирования ускоренного пучка ионов, причем размещают эту камеру и ионно-оптическую систему вне лазерного резонатора, в котором устанавливают узел перезарядки, представляющий проводящее геометрическое тело, одна из границ которого является гладкой плоской поверхностью, а затем из ионов, поступающих из газоразрядной камеры, в ионно-оптической системе формируют ускоренный пучок ионов, падающий на указанную плоскую поверхность, и осуществляют перезарядку этого пучка ионов в пучок возбужденных атомов, исходящих из указанной плоской поверхности, установленной под таким малым углом к пучку ионов, чтобы пучок возбужденных атомов, выходящих из указанной поверхности, находился внутри лазерного резонатора.
Этот же технический результат достигается благодаря тому, что в лазере на возбужденных атомах, содержащем газоразрядную камеру и лазерный резонатор, на выходе газоразрядной камеры установлена ионно-оптическая система для формирования и ускорения пучка ионов, причем газоразрядная камера и ионно-оптическую система установлены вне лазерного резонатора, в котором установлен узел перезарядки, представляющий проводящее геометрическое тело, одна из границ которого является гладкой плоской поверхностью, предназначенной для перезарядки пучка ионов, падающего на эту поверхность, в пучок возбужденных атомов, причем эта поверхность установлена под таким малым углом к пучку ионов, чтобы пучок возбужденных атомов, исходящих из этой поверхности, находился внутри лазерного резонатора.
Получение технического результата в предлагаемом изобретении обеспечивается благодаря предложенной перезарядке ускоренного пучка ионов в пучок возбужденных атомов, которая реализуется при помощи описанных аппаратных средств.
Перезарядка ионов происходит при их отражении от проводящей гладкой поверхности с участием части электронов твердого тела, находящихся над этой поверхностью и обладающих той же скоростью, что и ионы. Причем перезарядка ионов в возбужденное состояние атомов происходит с высокой эффективностью. Физика этой перезарядки, называемой резонансной, описана в обзоре H. Winter «Collisions of atom and ions with surfaces under grazing incidence» в журнале «Physics Reports», 2002, vol. 367, p.p. 387-582 и в статье P.A. Alexandrav, V.V. Beloshitsky «Charge exchange at grazing Reflection of swift ions from a solide surface» в журнале «Radiation Effect and Defects in Solids», 1991, vol. 117, p.p. 95-98. Однако предложенная в данном изобретении перезарядка пучка ионов в пучок возбужденных атомов на проводящей гладкой поверхности ранее для создания лазерного излучения не предлагалась. Указанная перезарядка дает преимущественное заселение возбужденного атомного состояния и, следовательно, возникновение усиления излучения, необходимое для работы лазера.
Краткое описание чертежей
На фигуре показана схема предлагаемого лазера.
Осуществление изобретения
Предлагаемый лазер содержит газоразрядную камеру 1 (ионный источник) со щелью 2 для выхода ионов, ионно-оптическую систему («ионную оптику») 3, представляющую собой пластину с отверстием 4 для выхода ускоренного пучка 5 ионов, лазерный резонатор 6 с зеркалами 7 и 8 и установленный в лазерном резонаторе 6 узел 9 перезарядки, представляющий проводящее геометрическое тело, одна из границ которого является гладкой плоской поверхностью 10, предназначенной для перезарядки пучка 5 ионов, падающего на эту поверхность 10, в пучок 11 возбужденных атомов, причем эта поверхность 10 установлена под таким малым углом α к пучку 5 ионов, чтобы пучок 11 возбужденных атомов, исходящих из этой поверхности 10, находился внутри лазерного резонатора 6. Этот малый угол α составляет примерно 2°-5°.
Узел 9 перезарядки может быть выполнен, например, в виде плоской пластины, одна из поверхностей которой является гладкой плоской поверхностью 10.
Корпус газоразрядной камеры 1 и невзаимодействующая с пучком 5 ионов часть корпуса узла 9 перезарядки заземлены. А на корпус ионно-оптической системы 3 подан потенциал Е.
Предлагаемый лазер работает следующим образом. Из газоразрядной камеры 1 через щель 2 ионы поступают в ионно-оптическую систему 3, которая формирует и ускоряет пучок 5 ионов. Ускоренный пучок 5 ионов через отверстие 4 в системе 3 падает на проводящую гладкую плоскую поверхность 10 узла 9 перезарядки, в результате чего в узле 9 происходит перезарядка пучка 5 ионов в пучок 11 возбужденных атомов, исходящих из поверхности 10. Поскольку поверхность 10 установлена под соответствующим малым углом α к пучку 5 ионов, то пучок 11 возбужденных атомов, выходящих из поверхности 10, находится внутри лазерного резонатора 6.
Предлагаемый способ создания лазерного излучения состоит в том, что на выходе газоразрядной камеры 1 устанавливают ионно-оптическую систему 3 для формирования ускоренного пучка 5 ионов, причем размещают эту камеру 1 и ионно-оптическую систему 3 вне лазерного резонатора 6, в котором устанавливают узел 9 перезарядки, представляющий проводящее геометрическое тело, одна из границ которого является гладкой плоской поверхностью 10, и затем из ионов, поступающих из газоразрядной камеры 1 через щель 2, в ионно-оптической системе 3 формируют ускоренный пучок 5 ионов, падающий на указанную плоскую поверхность 10, и осуществляют перезарядку этого пучка 5 ионов в пучок 11 возбужденных атомов, исходящих из указанной плоской поверхности, 10 установленной под таким мальм углом α к пучку 5 ионов, чтобы пучок 11 возбужденных атомов, выходящих из указанной поверхности 10, находился внутри лазерного резонатора 6.