СПОСОБ ВОЗБУЖДЕНИЯ ЛАЗЕРОВ НА ПАРАХ ГАЛОГЕНИДОВ МЕТАЛЛОВ И АКТИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ЛАЗЕРА НА ПАРАХ ГАЛОГЕНИДОВ МЕТАЛЛОВ
METHOD FOR EXCITATION OF LASERS IN VAPOURS OF METAL HALOGENIDES AND ACTIVE ELEMENT OF LASER IN VAPORS OF METAL HALOGENIDES

Изобретение относится к квантовой электронике, а именно к технике возбуждения лазеров на самоограниченных переходах атомов металлов, и может быть использовано при разработке активных элементов лазеров на парах галогенидов металлов, например бромида меди, марганца, свинца.
Лазеры на самоограниченных переходах в парах металлов и их галогенидов являются эффективными источниками когерентного излучения в видимом диапазоне спектра. Традиционные методы возбуждения таких лазеров описаны в [Батенин В.М., Бучанов В.В., Казарян М.А., Климовский И.И., Молодых Э.И. Лазеры на самоограниченных переходах атомов металлов. - М.: Научная книга, 1998. - 544 с.].
Для возбуждения лазеров на самоограниченных переходах в парах металлов наиболее широко применяется способ возбуждения продольным тлеющим разрядом. Также известны работы по применению поперечного разряда, но применение такого разряда ограничивается лабораторными установками, и широкого распространения для накачки лазеров на самоограниченных переходах он не получил. Как в случае продольного, так и поперечного разряда, электроды имеют непосредственный контакт с активной средой, как правило, химически активной. В связи с этим возникает проблема снижения мощности генерации лазера, связанная с износом электродов в результате химического взаимодействия материала электродов с газовой средой.
Известен способ возбуждения емкостным высокочастотным (ВЧ) разрядом, который нашел применение для накачки ионных лазеров [Иванов И.Г., Латуш Е.Л., Сэм М.Ф. Ионные лазеры на парах металлов. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 256 с.]. Для возбуждения такого разряда используются внешние электроды, т.е. электроды, вынесенные за пределы вакуумно-плотной оболочки.
В силу специфики конструкции таких лазеров, в частности в отношении электродов, возбуждаются не атомы, а ионы рабочего вещества, например меди. Соответственно, излучение происходит на ионных переходах с длинами волн, отличными от длин волн атомных переходов.
Известна газоразрядная трубка лазера на парах галогенида металла, содержащая вакуумно-плотную оболочку, снабженную, по крайней мере, двумя электродами, расположенными внутри вакуумно-плотной оболочки и содержащую рабочее вещество, размещенное в контейнерах, выполненных равномерно по всей длине рабочего канала, и одну дополнительную емкость, заполненную адсорбентом, насыщенным галогеноводородом, и имеющую общий объем с активной областью газоразрядной трубки [RU 2295811 C2, 2007].
В лазерах на парах галогенидов металлов, особенно с добавками HBr, происходит загрязнение электродов, т.е. происходит образование CuBr прямо на электродах, а также образование оксида меди, что в конечном итоге приводит к уменьшению срока службы. Кроме того, происходит вынос рабочего вещества в электродную зону, т.е. расходуется CuBr из контейнеров, а обратно из электродной зоны он в активную зону (между электродами) практически не возвращается. При введении добавок водорода или HBr электроды также аккумулируют эту добавку, что не способствует качественному контролю над концентрацией добавки.
Известен активный элемент лазера на парах галогенида металла [N.V.Sabotinov, I.K.Kostadinov, H.W.Bergmann, R.Salimbeni, J.Mizeraczyk. A 50-Watt copper bromide laser. SPIE. 2001. V.4184. P.203-206]. Активный элемент лазера состоит из вакуумно-плотной оболочки, которая снабжена электродами на ее концах, засыпанных медной стружкой. Рабочий металл помещен в отростки, расположенные в нижней части вакуумно-плотной оболочки.
В данной конструкции электроды также имеют контакт с газовой средой и подвержены разрушению. Галогенид, накопленный в электродной области, приводит к разрушению электродов. К тому же, галогенид, сконденсированный на электродах, приводит к неконтролируемому поступлению CuBr в активную среду, что в свою очередь приводит к нарушению условий генерации и, соответственно, снижению мощности генерации и сокращению срока службы.
В качестве прототипа выбрана газоразрядная трубка лазера на парах галогенида меди [US, №4635271, A, 1987], включающая вакуумно-плотную оболочку с, по крайней мере, двумя электродами, выполненными из частиц меди неправильной формы, которыми заполнены уширения оболочки и создан их контакт с вакуумно-плотными вводами; частицы меди нагромождены в кварцевых трубках, расположенных коаксиально уширениям, так что есть полость между ними. Каждая кварцевая трубка перфорирована и заглушена перфорированной медной пластиной, через которую проходит вакуумно-плотный ввод.
Прототип не лишен тех же недостатков, что и вышеприведенный аналог. Проблема взаимодействия материала электродов с активной средой будет всегда, пока электроды находятся внутри газоразрядной трубки (ГРТ). Только вынос электродов на внешнюю поверхность ГРТ может решить эту проблему.
Задачей группы изобретений является создание эффективных лазеров на парах металлов с модифицированной кинетикой, в которых используются активные, зачастую химически агрессивные, примеси.
Технический результат - простая и надежная конструкция активного элемента лазера на парах галогенидов металлов.
Поставленная задача достигается тем, что в предлагаемом способе возбуждения лазеров на парах галогенидов металлов в разрядном канале газоразрядной трубки лазера возбуждают разряд емкостного типа, который осуществляют между двумя электродами, размещенными коаксиально на концах газоразрядной трубки и изолированными от активной среды стенкой газоразрядной трубки.
При этом кольцевые электроды размещают на внешней стенке газоразрядной трубки так, чтобы расстояние между электродами было больше ширины электродов, для формирования продольного емкостного разряда.
Кроме того, при возбуждении активной среды лазера электрической схемой прямого разряда накопительного конденсатора используют электроды, диаметр которых больше диаметра разрядного канала.
Кроме того, для возбуждения активной среды лазера может быть использована схема частичного разряда накопительного конденсатора при аналогичном расположении электродов.
Предпочтительно, что для возбуждения активной среды лазера используют частоту следования импульсов не менее 50 кГц.
Предпочтительно, что для возбуждения активной среды лазера используют напряжение не менее 4 кВ.
Кроме того, используют электроды, выполненные из токопроводящей фольги, например тантала, или в виде нанесенного на внешнюю стенку ГРТ металлического покрытия.
Желательно, что разрядный канал изолируют от внешней среды теплоизолятором или помещают во внешний нагреватель.
Поставленная задача достигается также тем, что, как и известный предлагаемый активный элемент лазера на парах галогенида металлов, содержит газоразрядную трубку с, по крайней мере, двумя электродами на ее концах и разрядным каналом, содержащим рабочее вещество, размещенное, по крайне мере, в одном контейнере, имеющим выход для рабочего вещества в разрядный канал.
Новым является то, что электроды размещены коаксиально на внешней поверхности стенки газоразрядной трубки.
Целесообразно, чтобы электроды были выполнены замкнутыми по окружности, например, имели кольцевую форму и расстояние между электродами было больше ширины электродов.
Кроме того, электроды выполнены из токопроводящей фольги, например тантала, или в виде нанесенного на внешнюю стенку газоразрядной трубки металлического покрытия.
Предпочтительно, чтобы контейнеры с рабочим веществом были выполнены в виде кольцевых полостей, герметично охватывающих разрядный канал газоразрядной трубки, внутри которых имеются отверстия в местах охвата ее контейнерами для прохождения паров рабочего вещества в разрядный канал.
Контейнеры с рабочим веществом также могут быть выполнены в виде отростков, расположенных в нижней части разрядного канала газоразрядной трубки.
Целесообразно, что контейнеры с рабочим веществом в форме отростков были снабжены внешними нагревателями.
Кроме того, разрядный канал может иметь диаметр, равный диаметру электродной зоны газоразрядной трубки.
Предпочтительно, чтобы разрядный канал имел диаметр меньше, чем диаметр электродной зоны газоразрядной трубки.
Кроме того, в качестве рабочего вещества использован галогенид металла, например бромид меди, бромид свинца, бромид марганца и др.
Кроме того, активный элемент содержит, по крайней мере, одну дополнительную емкость, заполненную адсорбентом, насыщенным галогеноводородом, и имеющую общий объем с газоразрядной трубкой.
Кроме того, в качестве адсорбента, размещенного в дополнительной емкости, использован цеолит, насыщенный галогеноводородом, например бромистым водородом.
Целесообразно, чтобы дополнительная емкость была снабжена нагревателем.
Кроме того, рабочий канал газоразрядной трубки наполнен буферным газом, например неоном.
Кроме того, используют газоразрядную трубку, выполненную из кварца.
Кроме того, участки рабочего канала, заключенные между контейнерами, обмотаны слоем теплоизолятора, например каолиновой ватой.
Кроме того, разрядный канал помещается во внешний нагреватель.
2
В настоящее время основное внимание в исследовании и разработке лазеров на парах металлов и их галогенидов приковано к лазерам, активная среда которых модифицирована добавлением малых примесей, таких как: H, HCl, HBr и др. к основному буферному газу. Это так называемые лазеры на парах металлов с модифицированной кинетикой. Введение примесей позволяет в два и более раз повысить энергетические и частотные характеристики, существенно улучшить качество пучка излучения лазера. Однако указанные примеси являются агрессивными по отношению к материалам электродов.
Предлагаемый в настоящем изобретении способ возбуждения рабочей смеси CuBr+Ne - лазера емкостным разрядом позволяет исключить необходимость контакта рабочей смеси с электродами, и осуществить возможность относительно простого получения генерации с частотой более 100 кГц.
Авторам изобретения не известны работы, где для получения генерации в лазерах на самоограниченных переходах в парах металлов использовались бы внешние электроды, изолированные от газовой среды стенкой газоразрядной трубки.
Для лазеров на самоограниченных переходах характерна отличительная особенность, что возбуждение происходит в начальной стадии развития разряда в соударениях атомов металла с быстрыми электронами. Это имеет место как в случае тлеющего, так и емкостного разряда. Это является сходством емкостного и тлеющего разряда для возбуждения ЛПМ (лазеры на самоограниченных переходах в парах металлов) и, одновременно, отличием возбуждения ионных лазеров на парах металлов и лазеров на самоограниченных переходах.
Для лазеров на самоограниченных переходах в парах металлов характерны высокие значения средней мощности излучения и КПД при традиционном способе возбуждения, поэтому очевидны перспективы получения высокой средней мощности излучения и КПД при возбуждении емкостным разрядом. Экспериментально установлено, что наибольший эффект должен проявится при высоких частотах следования импульсов.
Физический КПД - отношение энергии в импульсе генерации к введенной энергии до окончания импульса генерации достаточно высокий (на уровне 1% по предварительным оценкам) за счет малой вводимой энергии за импульс. Если повысить частоту следования импульсов и снизить энерговклад после окончания импульса генерации, то КПД будет выше. Или повысить энерговклад до окончания генерации. Это решается за счет увеличения диаметра электродов по отношению к диаметру разрядного канала. Например, в конструкции, приведенной на фиг.2, диаметр рабочего (разрядного) канала 10 мм, а диаметр электродной зоны ГРТ, на которую намотаны электроды из фольги, 50 мм. Увеличение диаметра электродов приводит к увеличению электродных емкостей, и так как энерговклад в емкостном разряде определяется величиной электродных емкостей, то энерговклад повышается.
Одной из проблем предлагаемого способа является также необходимость обеспечения высокого напряжения на ГРТ, т.к. емкостной способ накачки не реализуется при напряжениях меньше 4 кВ. В этом случае не происходит пробоя разрядного промежутка.
Традиционно для накачки ЛПМ применяется схема прямого разряда накопительного конденсатора [Батенин В.М., Бучанов В.В., Казарян М.А., Климовский И.И., Молодых Э.И. Лазеры на самоограниченных переходах атомов металлов. - М.: Научная книга, 1998. - 544 с.]. Работа с емкостным разрядом требует использования малых величин рабочих емкостей (100-200 пФ), в связи с этим большая часть энергии выделяется на коммутирующем элементе.
Но возможно осуществление возбуждения емкостным разрядом с иным схемным решением электрической схемы накачки, например с частичным разрядом накопительного конденсатора.
Для формирования емкостного продольного разряда необходимо, чтобы расстояние между электродами было больше ширины электродов.
Чтобы величина электродной емкости была соизмеримой с емкостью накопительного конденсатора (при использовании электрической схемы накачки прямого разряда накопительного конденсатора), необходимо, чтобы диаметр электродов был больше диаметра разрядного канала. Т.е. ГРТ выполняют с разными диаметрами - концы ГРТ, где располагают цилиндрические электроды, имеют диаметр больше диаметра разрядного канала.
Использование для формирования внешних электродов гальванического покрытия позволяет получить герметичное расположение электродов на стенке ГРТ, что уменьшает ее локальный перегрев.
Изобретение иллюстрируется графическими материалами.
2
2
На фиг.1 приведена конструкция активного элемента CuBr (MnBr, PbBr) - лазера, в которой рабочее вещество размещено в контейнере в форме отростка.
2
2
На фиг.2 приведена конструкция активного элемента CuBr (MnBr, PbBr) - лазера, в которой рабочее вещество размещено в кольцевых контейнерах.
2
2
На фиг.3 приведена конструкция активного элемента CuBr (MnBr, PbBr) - лазера, в которой разрядный канал и кольцевые контейнеры с рабочим веществом помещены во внешний нагреватель.
На фиг.4 приведены типичные осциллограммы напряжения (1), тока (2) и генерации (3), f=35 кГц, C=200 пФ, p=20 кПа: а) напряжение и ток, б) напряжение и мгновенная мощность генерации.
На фиг.5 приведены осциллограммы напряжения и тока через ГРТ при времени развертки 1 мкс, f=35 кГц, C=200 пФ, p=20 кПа.
Активный элемент лазера (фиг.1-3) содержит газоразрядную трубку (ГРТ) 1, выполненную из кварца, с выходными окнами 2 и электродами 3, теплоизолятор рабочего канала 4 (фиг.1, 2) или внешний нагреватель 9 (фиг.3), контейнеры для размещения рабочего вещества 6, нагреватели контейнеров 5, дополнительную емкость с адсорбентом 7, отверстия 8 (фиг.2, 3) для выхода паров рабочего вещества в разрядный канал.
Длина ГРТ (фиг.1) составляла 68 см, диаметр разрядного канала - 12 мм. Рабочие электроды выполнены из фольги тантала шириной 10 см и расположены на внешней стенке ГРТ, на расстоянии 28 см друг от друга. Для фиг.2, 3 диаметр ГРТ 10 мм, диаметр электродов 50 мм, длина разрядного канала 30 см, расстояние между электродами 38 см. Давление буферного газа - неона было выбрано типичное для такого типа лазера и составляло 20 кПа.
Накачка активной среды осуществлялась по схеме прямого разряда накопительного конденсатора с шунтирующей индуктивностью. В качестве коммутатора использовался водородный тиратрон ТГИ1-1000/25 или таситрон ТГУ1-1000/25. Величина накопительной емкости С от 70 до 330 пФ. Регистрация импульсов тока, напряжения и генерации производилась с помощью пояса Роговского, пробника напряжения Tektronix P6015A и коаксиального фотоэлемента ФК-22, соответственно. Регистрируемые датчиками сигналы подавались на осциллограф Tektronix TDS 3032. Мощность излучения контролировалась измерителем мощности Ophir 20C-SH, а температура стенки ГРТ - хромель-алюмелевой термопарой. Амплитудное значение напряжения на электродах изменялось от 4 до 9 кВ. Максимальное амплитудное значение тока через ГРТ составляло 20 А.
На фиг.4 приведены типичные осциллограммы напряжения, тока и генерации.
На фиг.5 приведены осциллограммы напряжения и тока через ГРТ при времени развертки 1 мкс, f=35 кГц, C=200 пФ, p=20 кПа.
Как можно видеть (фиг.4, 5), генерация реализуется только в основном максимуме накачки и возникает после достижения максимума напряжения. Это качественно согласуется с результатами, полученными при накачке импульсно-периодическим тлеющим разрядом. Ток носит ярко выраженный колебательный характер с частотой колебаний ~10 МГц в начальной стадии. Амплитудное значение тока достигает всего 20 А. Длительность импульса генерации (суммарная по обеим линиям) составляет 30-40 нс по уровню 0,1 от амплитудного значения.
Вслед за основным максимумом накачки следует фаза колебаний напряжения (и тока). Наиболее наглядно это видно на фиг.4c. Эксперименты с различными шунтирующими индуктивностями показали, что эти колебания происходят в контуре ГРТ-Ls, где Ls - шунтирующая индуктивность. Частота определяется величиной Ls и емкости ГРТ.
Оцененная величина электродных емкостей C1 и C2 в предположении, что электрод является цилиндрическим конденсатором, обкладками которого являются внешний электрод с одной стороны, и газовая среды с другой, а диэлектриком является кварцевая стенка ГРТ, емкость составила 30 пФ для электродов диаметром 10 мм и 140 пФ для электродов диаметром 50 мм. При приложении напряжения к электродам начинают заряжаться электродные емкости. Генерация происходит главным образом в этот период.
Получена средняя мощность излучения ~1 Вт при потребляемой от высоковольтного выпрямителя мощности ~1 кВт (C=100 пФ, f=100 кГц, p=20 кПа). Эксперименты показали, что генерация имеет место до частот следования импульсов излучения 300 кГц.
2
2
В результате экспериментов была получена генерация на длинах волн 510.6 и 578.2 нм в CuBr-лазере, на длине волны 722.9 нм в PbBr-лазере и на длинах волн 548.1, 542.0 и 551.7 нм в MnBr-лазере с частотой следования импульсов более 100 кГц.
Таким образом, известный метод возбуждения емкостным разрядом, применяемый для возбуждения эксимерных и ионных лазеров, а также эксимерных ламп (некогерентных источников излучения), возможно применять и для накачки лазеров на самоограниченных переходах, в частности лазеров на парах галогенидов металлов. Метод позволяет увеличить срок службы с наработкой, превышающей значения типичные для лазеров подобного типа (сотни часов).