ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР С ЭЛЕКТРОННЫМ ПУЧКОМ
GAS LASER WITH ELECTRON BEAM

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при разработке или изготовлении газовых лазеров, в том числе, лазеров на парах металлов, с поперечной накачкой, работающих как в режиме генерации, так и в режиме усиления когерентного излучения.
Известен газовый лазер с электронным пучком (авторское свидетельство СССР №849948, МПК: 5 H01S 3/09), содержащий высоковольтный источник питания, резонатор, лазерную кювету со вспомогательными электродами, заполненную рабочим газом, являющимся активной средой, в составе лазерной кюветы выполнены источник электронов с катодом и анодом, размещенными с образованием разрядного промежутка, вспомогательный электрод. Анод источника электронов выполнен с равномерно расположенными сквозными отверстиями, имеющим геометрическую прозрачность не менее 50%. Причем минимальный размер отверстия не превышает 0,4 расстояния между катодом и анодом, равного не более 0,01 м. Давление рабочего газа в источнике электронов равно давлению в лазерной кювете.
В объеме лазерной кюветы электронный пучок формируется в активной среде поперечным образом и только в импульсном режиме. При подаче импульса напряжения относительно катода и анода в разрядном промежутке возникает электрический разряд, генерирующий электронный пучок. Электроны пучка проходят через отверстия анода и вызывают возбуждение и ионизацию рабочего газа между анодом и вспомогательным электродом. Часть излучения, испускаемого рабочим газом в ультрафиолетовой области спектра, через отверстия в аноде попадает на катод и стабилизирует разряд в разрядном промежутке. Одновременно или с задержкой относительно импульса напряжения, подаваемого для осуществления электрического разряда, на анод и вспомогательный электрод подают импульс напряжения, вызывающий в области между ними однородный по объему разряд, поддерживаемый, или управляемый, или инициируемый электронным пучком. Этот разряд осуществляет накачку рабочего газа в лазерной кювете.
В описанном устройстве возбуждение импульсным электронным пучком рабочего газа в области между анодом и вспомогательным электродом возможно в следующих режимах: предионизации самостоятельного разряда накачки; поддержания несамостоятельного разряда накачки; управления самостоятельным разрядом накачки; накачки непосредственно электронным пучком.
К недостаткам приведенного известного технического решения относятся недостаточно высокая величина коэффициента полезного действия лазера, мощности генерации когерентного излучения, а также возможность функционирования устройства при осуществлении разряда только в импульсном режиме.
В качестве негативных особенностей устройства следует отметить невысокий ресурс эксплуатации, относительно низкий предел рабочих температур, ограниченный предел рабочих давлений и выбор режимов напряжений.
Причины недостатков заключаются в следующем. Рассмотренной конструкции лазера свойственно наличие значительного тока ионов, являющихся побочными продуктами при реализации процесса накачки лазера. Ионный ток на катод формируется ионами в области катодного падения потенциала. При движении с ускорением в пространстве разрядного промежутка от катода к аноду электроны вызывают ионизацию рабочего газа. Ионы рабочего газа ускоряются в области катодного падения потенциала и, приобретая значительную энергию, замыкают часть тока на катод. Таким образом, конструктивные особенности выполнения источника электронов, а именно размещенные с зазором (меньше 0,01 м) катод и анод в виде сетки, создают область катодного падения потенциала, которая способствует формированию значительных ионных токов. В результате снижается эффективность формирования электронного пучка, приводя к снижению мощности накачки, и, как следствие, коэффициента полезного действия (КПД) лазера и мощности генерации когерентного излучения. Также, с другой стороны, конструктивные особенности выполнения источника электронов, а именно анода в виде сетки с ограниченной геометрической прозрачностью и возможностью перехвата электронов, снижают эффективность формирования электронного пучка, обуславливая снижение мощности накачки активной среды лазера и за счет этого невысокие величины КПД лазера и мощности генерации когерентного излучения. Конструктивное решение лазера позволяет его использовать только при осуществлении разряда в импульсном режиме.
Ресурс эксплуатации известного лазера снижается за счет распыления катода в результате воздействия на него значительного тока ионов. Используемая конструкция источника электронного пучка со свойственной для нее областью катодного падения потенциала лимитирует величины рабочих давлений и выбор режимов и величин напряжений (только импульсный режим, до 1 кВ). Этим же обстоятельством ограничивается и величина рабочих температур, и в результате ассортимент активных сред, способных к накачке в рассмотренной конструкции.
2
3
2
3
Известен газовый лазер с электронным пучком (патент США №4641316, МПК: 4 H01S 3/09), содержащий высоковольтный источник питания, резонатор, размещенную в резонаторе лазерную кювету, заполненную рабочим газом, являющимся активной средой, в составе лазерной кюветы выполнены источник электронов с катодом и анодом, размещенными с образованием разрядного промежутка. Лазерная кювета заземлена. Источник электронов выполнен с возможностью формирования аномально тлеющего разряда. Катод сформирован полым, с одной или более гранями, эмитирующими электроны, изготовленными из материала с коэффициентом эмиссии вторичных электронов, соответствующим получению значительного количества вторичных электронов на один бомбардирующий ион. Источник электронов соединен с высоковольтным источником питания и расположен с возможностью инжекции электронного пучка в активную среду продольно или поперечно, в частности с радиальным воздействием на рабочую среду. Устройство дополнительно снабжено средствами формирования магнитного поля, координирующими пространственное положение электронов пучка, требуемое для эффективного взаимодействия электронов с активной средой. Катод выполнен из алюминия или магния с применением окисного покрытия, соответственно, AlO или MgO. Анод снабжен отверстиями.
Для получения электронного пучка осуществляют высоковольтный разряд в непрерывном режиме в разрядном промежутке в объеме лазерной кюветы, заполненном рабочим газом. Ускоряют электроны в области катодного падения потенциала и через отверстие в аноде извлекают электронный пучок.
К недостаткам приведенного известного технического решения относятся недостаточно высокая величина КПД лазера, мощности генерации когерентного излучения, относительно низкий предел рабочих температур, ограниченный предел рабочих давлений и выбор режимов напряжений, а также возможность функционирования устройства с осуществлением разряда только в непрерывном режиме.
Кроме того, негативными особенностями приведенного лазера являются низкий ресурс эксплуатации, низкий предел рабочих температур, ограниченный предел рабочих давлений и выбор режимов напряжений.
Указанные недостатки обусловлены следующим. Для формирования электронного пучка используют эмиссию электронов из катода, инициируемую ускоренными в области катодного падения потенциала ионами, бомбардирующими катод. При этом необходимы: для получения электронного пучка - режим большого тока ионов на катод, для повышения эффективности формирования электронного пучка - высокая энергия ионов. Однако ионы, ускоряясь в области катодного падения потенциала, приобретают значительную энергию и замыкают часть тока на катод. Это обстоятельство снижает эффективность формирования электронного пучка, приводя к снижению мощности накачки активной среды лазера, и, как следствие, обеспечивая невысокую величину КПД лазера, малую мощность генерации когерентного излучения. Анод, снабженный отдельными отверстиями для извлечения электронных пучков, обладает ограниченной геометрической прозрачностью и значительной способностью к перехвату электронов, что снижает эффективность формирования электронного пучка, обуславливая снижение мощности накачки активной среды лазера, и, как следствие, невысокие величины КПД лазера и мощности генерации когерентного излучения. Конструктивное решение лазера позволяет его использовать только при осуществлении разряда в непрерывном режиме.
Кроме того, механизм эмиссии электронов из катода посредством ионов обеспечивает сильное распыление катода, что сокращает срок эксплуатации лазера. Используемые средства получения электронного пучка также накладывают ограничения на величину рабочих давлений, режим и величину напряжений. Верхний предел рабочих давлений составляет порядка 1 Торр, режим подачи напряжения - только непрерывный, до 1 кВ. Наличие области катодного падения потенциала, приводящей к значительным ионным токам, в результате применяемой конструкции источника электронного пучка также лимитирует величину рабочих давлений, выбор режимов и величин напряжений. Этим же ограничивается и величина рабочих температур и, как следствие, возможный ассортимент активных сред, способных к накачке в рассмотренном лазере.
2
2
3
В качестве ближайшего аналога выявлен газовый лазер с электронным пучком (П.А.Бохан, Д.Э. Закревский, В.И.Мали, А.М.Шевнин, А.М.Янчарина «Квазинепрерывная генерация на λ=583,3 нм в Ne при накачке смеси Ne-H пучком низкоэнергетических электронов». Квантовая электроника, т.16, №6, 1989 г., с.с.1110-1115), содержащий высоковольтный источник питания, резонатор, размещенную в резонаторе лазерную кювету, заполненную рабочим газом, являющимся активной средой, в составе лазерной кюветы выполнен источник электронов в виде пустотелого трубкообразного катода и коаксиально размещенного с образованием разрядного промежутка анода, а также устройство содержит приклеенные к торцам катода стеклянные отростки, срезанные под углом Брюстера. В качестве материала катода использована металлокерамика композитного состава из Mo, Ni, YO, с суммарным содержанием Мо и Ni, равным 23%, при соотношении Mo:Ni=100:l. Коаксиально размещенный с зазором 0,5 мм от катода анод реализован в виде сетчатого цилиндра с геометрической прозрачностью 45% и размером ячейки 0,15 мм. Резонатор выполнен в составе вогнутого (R=2 м) и плоского зеркал с коэффициентами отражения, соответственно, 99% и 70÷99% на длине волны λ=585 нм.
Электронные пучки формируют в активной среде только в импульсном режиме, в открытом разряде, с радиальным введением. На катод и анод, размещенные друг относительно друга с образованием разрядного промежутка, подают напряжение в импульсном режиме. В результате получают электронный пучок. За счет возбуждения электронным пучком рабочего газа и последующего ультрафиолетового излучения рабочего газа обеспечивается фотоэмиссия электронов из катода, в свою очередь обеспечивающая формирование электронного пучка. Получаемый таким образом электронный пучок производит накачку активной среды, которая генерирует когерентное излучение.
К недостаткам рассмотренного ближайшего аналога относятся недостаточно высокая величина коэффициента полезного действия лазера, мощности генерации когерентного излучения, а также возможность функционирования устройства с осуществлением разряда только в импульсном режиме. Также в качестве негативного фактора следует отметить значительную сложность технологии изготовления полупроводящего катода из металлокерамики.
Причины недостатков заключаются в следующем. Конструктивные особенности выполнения источника электронов, а именно анода в виде сетчатого цилиндра с ограниченной геометрической прозрачностью, перехватывающего электроны пучка, снижают эффективность формирования электронного пучка, обуславливая снижение мощности накачки активной среды лазера, и, как следствие, невысокие величины КПД лазера и мощности генерации когерентного излучения. Устройство наиболее эффективно функционирует только при осуществлении разряда в импульсном режиме, так как при увеличении импульса напряжения и при переходе в непрерывный режим работы, протяженность области катодного падения потенциала становится достаточно большой, соответственно, ток ионов, образованных в этой области, возрастает, что приводит к снижению эффективности формирования электронного пучка.
И, наконец, используемый в лазере катод в изготовлении технологически сложен, поскольку требует применения метода взрывного компактирования нанокомпозиционных или ультрадисперсных материалов, основным морфологическим элементом которых являются малые частицы 10÷100 нм.
Техническим результатом изобретения является:
- повышение коэффициента полезного действия лазера;
- повышение мощности генерации когерентного излучения;
- достижение возможности функционирования устройства с осуществлением разряда как в импульсных, так и в непрерывных режимах.
Технический результат достигают тем, что в газовом лазере с электронным пучком, содержащем высоковольтный источник питания, резонатор, размещенную в резонаторе лазерную кювету, заполненную рабочим газом, являющимся активной средой, в составе лазерной кюветы выполнен источник электронов в виде пустотелого катода и анода, размещенного в пустотелом катоде с образованием разрядного промежутка, также в составе лазерной кюветы между катодом и анодом выполнены диэлектрические вставки, размещенные друг относительно друга с зазором, с возможностью формирования в источнике электронов прикатодных полостей, размером по направлению к центру лазерной кюветы, обеспечивающим образование пространственных областей с низким градиентом потенциала, локализованных между катодом и диэлектрическими вставками, а анод реализован с возможностью отсутствия перехвата им электронов.
В газовом лазере пустотелый катод выполнен в виде совокупности катодных колец из электропроводящего материала, набранных вплотную друг к другу или пустотелый катод выполнен цельным, с образованием монолитной конструкции.
В газовом лазере в качестве электропроводящего материала катода использована нержавеющая сталь, или молибден, или тантал.
В газовом лазере диэлектрические вставки с возможностью формирования прикатодных полостей выполнены в виде диэлектрических колец, причем для формирования прикатодных полостей, расположенных между катодом и диэлектрическими вставками, между катодом и диэлектрическим кольцом размещено вспомогательное кольцо из электропроводящего материала с возможностью образования зазора между катодом и диэлектрической вставкой, размер которого задан расположением и размерами вспомогательного кольца из условия образования пространственных областей с низким градиентом потенциала.
В газовом лазере размер зазора между катодом и диэлектрической вставкой, который задан расположением и размерами вспомогательного кольца из условия образования пространственных областей с низким градиентом потенциала, в радиальном направлении равен примерно 1 мм.
В газовом лазере анод, размещенный вне прикатодных полостей, реализованный с возможностью отсутствия перехвата им электронов, выполнен в виде стержней электропроводящего материала, расположенных вдоль обращенных к центру лазерной кюветы поверхностей диэлектрических вставок и электрически связанных между собой на торцах лазера, или в виде коаксиальных электродов из фольги электропроводящего материала, расположенных на торцах лазера.
В газовом лазере анод выполнен в виде стержней из молибдена, или нержавеющей стали, или тантала, плотно примыкающих к диэлектрическим вставкам, собранных в конструкцию «беличье колесо».
В газовом лазере анод выполнен в виде коаксиальных электродов из фольги электропроводящего материала, расположенных на торцах лазера, выполненных из нержавеющей стали, или тантала, или молибдена.
В газовом лазере лазерная кювета снабжена вакуумно-плотным кожухом из нержавеющей стали, в который встроен пустотелый катод.
В газовом лазере вакуумно-плотный кожух выполнен с возможностью охлаждения через прослойку инертного газа с отводом тепла через тонкостенную металлическую трубку на водяное охлаждение.
В газовом лазере резонатор выполнен в виде двух внутренних зеркал на требуемый спектральный диапазон длин волн с заданным пропусканием, размещенных на торцах лазерной кюветы посредством сильфонных узлов или в виде двух внешних зеркал на требуемый спектральный диапазон длин волн с заданным пропусканием, размещенных на торцах, вне лазерной кюветы.
Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми чертежами. На Фиг.1 показана коаксиальная конструкция газового лазера с радиальной инжекцией электронного пучка в продольном сечении; где 1 - прикатодная полость, 2 - анодный стержень, 3 - катодное кольцо, 4 - вспомогательное кольцо из металла, 5 - диэлектрическое кольцо, 6 - вакуумно-плотный кожух, 7 - область взаимодействия электронного пучка с рабочим газом. На Фиг.2 показана коаксиальная конструкция лазера с радиальной инжекцией электронного пучка в поперечном сечении; где 2 - анодный стержень, 3 - катодное кольцо, 4 - вспомогательное металлическое кольцо, 5 - диэлектрическое кольцо, 6 - вакуумно-плотный кожух. На Фиг.3 показана в увеличенном масштабе часть прикатодной полости с эквипотенциальными кривыми, характеризующими распределение электрического поля в прикатодной полости, и траектория движения ионов в этом поле, где 1 - прикатодная полость, 2 - анодный стержень; 3 - катодное кольцо; 5 - диэлектрическое кольцо; 8 - эквипотенциальные кривые; 9 - траектория движения ионов. На Фиг.4 представлены вольтамперные характеристики (ВАХ) разрядного промежутка в случае использования чистого гелия в качестве рабочего газа при различных давлениях; где 10 - ВАХ при давлении гелия 2,6 Topp, 11 - ВАХ при давлении гелия 4,2 Topp, 12 - ВАХ при давлении гелия 5 Topp, 11 - ВАХ при давлении гелия 5,7 Topp, 14 - ВАХ при давлении гелия 6,9 Topp, 15 - ВАХ при давлении гелия 7,5 Topp. На Фиг.5 показана зависимость мощности генерации электронного пучка от давления гелия, используемого в качестве рабочего газа, при постоянном напряжении, нормированная на Т=20°С. На Фиг.6 приведены осциллограммы разряда и интенсивность свечения на длине волны λ=538 нм для активной среды He-Cd; где 16 - осциллограмма напряжения, 17 - осциллограмма тока, 18 -осциллограмма мощности излучения, 19 - сглаженная осциллограмма мощности излучения. На Фиг.7 даны зависимости интенсивности излучения паров кадмия на длине волны λ=538 нм для активной среды He-Cd от вкладываемой в разряд мощности; где 20 - зависимость при рабочей температуре 152°С, 21 - зависимость при рабочей температуре 176°C.
Достижение технического результата базируется на использовании новой конструкции лазерной кюветы для накачки активных сред газовых лазеров. Генерация когерентного излучения обеспечивается возбуждением атомов или молекул активных сред пучками электронов, которые формируют в прикатодных полостях (1) (см. Фиг.1, Фиг.3) лазерной кюветы.
Принципиальное значение для достижения технического результата имеет следующее. Во-первых, наличие диэлектрических вставок (диэлектрических колец (5)), размещенных друг относительно друга с зазором, и формирующих прикатодные полости (1), расположенные в радиальном направлении между катодом и диэлектрическими вставками. Данные конструктивные особенности препятствуют формированию ионного тока на катод (см. Фиг.1-Фиг.3), чем увеличивают эффективность формирования электронного пучка, обуславливая высокую мощность накачки активной среды лазера. В результате последнего возрастают величины КПД лазера и мощности генерации когерентного излучения. Кроме того, увеличивается срок эксплуатации катода, и в целом, лазера, за счет отсутствия явления формирования ионного тока на катод и, как следствие, распыления катода. Во-вторых, конструктивная реализация анода, при которой отсутствует перехват электронов, например, в виде стержней электропроводящего материала, расположенных вне прикатодных полостей (1) и электрически связанных между собой на торцах лазера, или в виде коаксиальных электродов из фольги электропроводящего материала, которые расположены на торцах лазера. В первом случае анодные стержни (2), плотно примыкающие к диэлектрическим вставкам, собраны в конструкцию «беличье колесо» с общим электрическим контактом на торцах (см. Фиг.1).
В приведенных конструктивных вариантах реализации анод «не перехватывает» ток ускоренных электронов, как это имеет место в вышеприведенных технических решениях, где анод выполнен в виде сетки с ограниченной геометрической прозрачностью. Такие конструкции анода характеризуются высокой геометрической прозрачностью, что повышает эффективность формирования электронного пучка, обуславливая высокую мощность накачки активной среды лазера, и, соответственно, в результате возрастают величины КПД лазера и мощности генерации когерентного излучения.
Перечисленные конструктивные особенности в силу приведенных причин, прежде всего отсутствия негативного влияния областей катодного падения потенциала, обеспечивают также повышение рабочих давлений, расширяют выбор режимов и величин напряжений, обеспечивают возможность работы в режиме высоких температур, и, следовательно, позволяют производить накачку активных сред более широкого ассортимента, в том числе работать с парогазовыми смесями.
Следует отметить, что в силу уже упомянутых причин, конструкция позволяет реализовать лучшее взаимодействие электронного пучка с рабочим газом, что положительно влияет на увеличение тока электронного пучка. Это обстоятельство являет собой еще один фактор достижения указанного технического результата.
к
При подаче напряжения высоковольтного разряда UK между катодом и анодом, электроны, эмитированные катодом, переходят в режим ускорения. Часть электронов, эмитированных катодом, попадая на поверхность диэлектрической вставки (диэлектрическое кольцо (5)), заряжает ее до потенциала U=E/e, где Е и е, соответственно, энергия и заряд электрона. Таким образом, в прикатодной полости (1), сформированной в пространстве, ограниченном катодным кольцом (3), вспомогательным кольцом (4) и диэлектрическим кольцом (5) (см. Фиг.1, Фиг.3), формируется область с низким градиентом потенциала (эквипотенциальные кривые 8 расположены на значительном расстоянии друг от друга), препятствующая воздействию генерированных побочных ионов на катод. В целом, в области лазерной кюветы, локализованной около катода, возникает сильно выраженное неоднородное радиально-продольное распределение электрического поля (на Фиг.3 иллюстрируемое характером распределения эквипотенциальных кривых (8)), благодаря низкому градиенту потенциала внутри прикатодной полости (1) и высокому градиенту непосредственно вблизи катода между образованными соседними диэлектрическими вставками прикатодными полостями (1), на выходе из прикатодных полостей (1), входе в зазор между диэлектрическими кольцами (5) (см. Фиг.1, см. Фиг.3).
На Фиг.3 видно, что электрическое поле в прикатодной полости (1), под диэлектрическим кольцом (5), практически отсутствует. Электрическое поле значительной величины локализовано вне прикатодной полости (1) (см. Фиг.3, позиция 8), на выходе из нее электронов (см. Фиг.3, траектория движения электронов (9)), вблизи катода между прикатодными полостями (1) и на входе электронов в зазор между диэлектрическими кольцами (5). В связи с этим ионы, рожденные в зазоре между диэлектрическими кольцами (5) под действием электронного пучка и размножения электронов в остаточном поле, концентрируются к периферии зазора, к выходу из него, вне области сильно выраженной неоднородности электрического поля (см. Фиг.3). Ускоренные ионы, сформированные в областях существенного градиента потенциала, показанных на Фиг.3, густо расположенными эквипотенциальными кривыми (8), попадают затем в область слабого градиента потенциала, образующейся в прикатодной полости (1), где теряют энергию в результате упругих соударений с атомами или молекулами рабочего газа, и на катод попадают в результате амбиполярной диффузии, не переносящей ток. Этим объясняется незначительность ионного тока на катод и, таким образом, практически весь перенос тока осуществляется электронами.
Расстояние между диэлектрическими вставками (диэлектрическими кольцами (5)), величина зазора, выбирается из условий: максимум расстояния не должен приводить к формированию разряда по типу «полый катод»; минимум расстояния не должен препятствовать выходу электронов из прикатодных полостей (1). В количественном выражении величина зазора на практике задается интервалом от 0,2 до 3 мм.
Электроны, эмитированные катодом, ускоренные в областях существенного градиента потенциала на выходе из прикатодных полостей (1) и в зазорах между диэлектрическими вставками, обеспечивают в зоне за анодом (область взаимодействия электронного пучка с рабочим газом (7)) возбуждение и ионизацию рабочего газа, вызывающие излучение, и тем самым формируют источник светового потока, направленного на катод и вызывающего фотоэмиссию электронов. Направление на катод светового потока при осуществлении высоковольтного разряда увеличивает выход эмиссии электронов с катода, а также подавление ионного тока на катод описанным выше механизмом, обеспечивает преобладание механизма фотоэмиссии электронов, что приводит к реализации высокой эффективности генерации электронного пучка, и, соответственно, к повышению мощности генерации когерентного излучения.
Использование сформированного вышеуказанным путем источника излучения в области взаимодействия электронного пучка с рабочим газом (7), вызывающего фотоэмиссию, позволяет получать как непрерывный, так и импульсный режим формирования электронного пучка.
В качестве рабочего газа, являющегося активной средой, используют инертный газ или парогазовую смесь - совокупность инертного, в качестве буферного, газа и пара металла, которыми заполняют объем лазерной кюветы.
Получаемый технический результат и достигаемые параметры разработанной конструкцией лазера наглядно иллюстрируют приведенные экспериментальные данные (см. Фиг.4-Фиг.7). Эксперименты проведены либо при непрерывном возбуждении (режим постоянного тока), либо при возбуждении активной среды длинными импульсами (квазинепрерывный режим - импульсами длительностью 10 мс при частоте накачки 50 Гц).
На Фиг.4 и Фиг.5 представлены экспериментальные зависимости при непрерывном и квазинепрерывном режимах функционирования макета лазера с использованием в качестве рабочего газа чистого гелия. Диапазон используемых давлений рабочего газа в объеме лазерной кюветы, диапазон достигаемых напряжений и тока пучка при устойчивом протекании разряда (позиции (10)-(15)) свидетельствует, в отличие от вышеприведенных известных технических решений, о повышении эффективности формирования электронного пучка с увеличением давления и напряжения. Мощность электронного пучка в непрерывном режиме составляет 1,1 кВт при давлении гелия 7,7 Topp, напряжении 0,9 кВ и токе 1,2 А. При квазинепрерывном возбуждении (см. Фиг.4, позиция 15 и Фиг.5), мощность электронного пучка, составляет 5,1 кВт при давлении гелия 10 Topp, напряжении 1,5 кВ и токе 3,4 А.
В лазере, используемом в качестве тестового, получена непрерывная генерация когерентного излучения с электронно-пучковым возбуждением в ксеноне (длина волны 2,02 мкм).
2
2
2
5/2
3/2
В случае совокупности инертного, в качестве буферного, газа и паров металла, а именно активной среды - парогазовой смеси He-Cd, при непрерывном возбуждении электронным пучком при токе 1,5 А, напряжении 1,6 кВ, давлении буферного газа гелия 10 Торр получена генерация когерентного излучения на ионных переходах кадмия с длиной волны 441,6 нм (переход 5sD-5p Р) и 538 нм (переход
2
2
3
2
2
2
5/2
3/2
3/2
5/2
5/2
5/2
F-D). Также в случае другой активной среды - парогазовой смеси He-Zn получена генерация когерентного излучения на ионных переходах цинка с длиной волны 491,2 нм (на ионном переходе D/-Р) и 492,4 нм (на ионном переходе D-P)- Фиг.6 для случая генерации когерентного излучения с длиной волны 538 нм (активная среда - парогазовая смесь He-Cd) демонстрирует осциллограммы напряжения, тока и импульс генерации. Фиг.7 демонстрирует увеличение интенсивности излучения (позиции (20) и (21)) в зависимости от вкладываемой мощности. Экспериментальные зависимости также демонстрируют возможность расширения интервала рабочих температур. В отношении генерации излучения на других упомянутых здесь длинах волн зависимости аналогичны.
Газовый лазер с электронным пучком содержит в общем случае выполнения высоковольтный источник питания, резонатор, лазерную кювету, заполненную рабочим газом, являющимся активной средой. В составе лазерной кюветы выполнен источник электронов в виде пустотелого катода, диэлектрических вставок, образующих в совокупности с катодом, в его внутреннем объеме, прикатодные полости (1), и анода, размещенного вне прикатодных полостей (1), с образованием разрядного промежутка. Диэлектрические вставки между катодом и анодом для образования прикатодных полостей (1), размещены друг относительно друга с зазором. Размер прикатодных полостей (1) в радиальном направлении (по направлению к центру лазерной кюветы) задан обеспечивающим образование пространственных областей с низким градиентом потенциала, локализованных между катодом и диэлектрическими вставками. Конструктивно анод реализован с возможностью отсутствия перехвата им электронов.
В частном случае реализации в газовом лазере с электронным пучком пустотелый катод выполнен в виде совокупности катодных колец (3) из электропроводящего материала, набранных вплотную друг к другу (см. Фиг.1 и Фиг.2). Возможен также вариант выполнения пустотелого катода цельным, а не набранным из отдельных катодных колец (3). В качестве электропроводящего материала использована нержавеющая сталь, или молибден, или тантал.
Диэлектрические вставки с возможностью формирования прикатодных полостей (1) выполнены в виде диэлектрических колец (5) из кварца. Причем для формирования прикатодных полостей (1), расположенных между катодом и диэлектрическими вставками, между катодом и диэлектрическим кольцом (5) размещено вспомогательное кольцо (4) из электропроводящего материала с возможностью образования зазора между катодом и диэлектрической вставкой. Назначение вспомогательного кольца (4) - формирование прикатодной полости (1), а именно зазора между катодом и диэлектрической вставкой. Размер зазора, получаемого в результате размещения вспомогательного кольца (4), зависит от его расположения (насколько оно утоплено в катод) и самих размеров кольца. Размер зазора выбран из условия образования пространственных областей с низким градиентом потенциала. Он может составлять, например, в радиальном направлении, от 1 мм до 1,5 мм. Вспомогательные кольца (4) могут выполняться цельными с пустотелым катодом, образующими с ним монолитную конструкцию.
Анод, размещенный в пустотелом катоде, но вне прикатодных полостей, реализованный с возможностью отсутствия перехвата им электронов, выполнен либо в виде стержней электропроводящего материала, расположенных вдоль обращенных к центру лазерной кюветы поверхностей диэлектрических вставок (см. Фиг.1) и электрически связанных между собой на торцах лазера, или в виде коаксиальных электродов из фольги электропроводящего материала, расположенных на торцах лазера (на Фиг.1 не показано). Так, анод, например, выполняют в виде стержней из молибдена, или нержавеющей стали, или тантала, плотно примыкающих к диэлектрическим вставкам, собранных в конструкцию «беличье колесо». Также в альтернативном варианте, в котором анод может быть выполнен и в виде коаксиальных электродов из фольги, используют указанные материалы: нержавеющую сталь, или молибден, или тантал.
В частных случаях реализации устройства лазерная кювета снабжена вакуумно-плотным кожухом (6) из нержавеющей стали, в который встроен пустотелый катод. Вакуумно-плотный кожух (6) выполнен с возможностью охлаждения через прослойку инертного газа с отводом тепла через тонкостенную металлическую трубку на водяное охлаждение.
Резонатор выполнен в виде двух внутренних зеркал на требуемый спектральный диапазон длин волн с заданным пропусканием, размещенных на торцах лазерной кюветы. Зеркала установлены посредством сильфонных узлов.
Резонатор может быть выполнен в виде двух зеркал на требуемый спектральный диапазон длин волн с заданным пропусканием, размещенных на торцах, но внешним образом относительно лазерной кюветы.
В качестве высоковольтного источника питания может использоваться источник питания, функционирующий в непрерывном режиме (вырабатывающий постоянное напряжение), а также источник питания, функционирующий в импульсном режиме (вырабатывающий импульсы напряжения с миллисекундной длительностью), со следующими параметрами: напряжение до 5 кВ, мощность до 5 кВт.
Использование газового лазера с электронным пучком осуществляют следующим образом.
В отношении катода, набранного из катодных колец (3), и анода, выполненного, например, в составе анодных стержней (2) (см. Фиг.1-2), от высоковольтного источника питания подают напряжение и осуществляют между ними разряд. Если потенциальным электродом является катод, то на него подают отрицательное напряжение, а анод при этом заземлен. Если потенциальным электродом является анод, то, наоборот, на него подают положительное напряжение, а катод - заземлен. Высоковольтный разряд проводят в разрядном промежутке между анодом и катодом в объеме лазерной кюветы, заполненной рабочим газом, ускоряют и извлекают электронный пучок через зазор между диэлектрическими кольцами (5) и свободное пространство в отношении анода.
Электроны пучка возбуждают атомы рабочего газа в зазоре между диэлектрическими кольцами (5) и/или в зоне за анодом, формируя источник излучения, инициирующий фотоэмиссию электронов. Причем вблизи катода образуется область с низким градиентом потенциала (см. Фиг.3), в результате того, что электроны пучка заряжают диэлектрические вставки до потенциала катода, тем самым, препятствуя воздействию побочных ионов на катод, обеспечивая в качестве доминирующего механизма эмиссии электронов фотоэмиссию.
Напряжение для высоковольтного разряда подают в непрерывном или в квазинепрерывном режиме. При реализации непрерывного режима величина подаваемого напряжения составляет от 0 до 1,4 кВ, а давление рабочего газа в лазерной кювете - от 3 до 9 Topp при температуре рабочего газа 90°C. В квазинепрерывном режиме величина напряжения составляет от 0 до 2 кВ, а давление рабочего газа - от 3 до 10 Topp при температуре рабочего газа 120°C.
В предлагаемом газовом лазере возбуждение активной среды в лазерной кювете может осуществляться поперечным по отношению к оптической оси лазера электронным пучком.
Электронные пучки воздействуют на рабочий газ (газовую или парогазовую смесь), производится инверсия населенности и, как следствие, происходит генерация когерентного излучения.
Лазер может функционировать как в режиме слабой прокачки газа, так и в режиме отсутствия последней («отпаянном режиме»).
Таким образом, разработанным газовым лазером обеспечиваются следующие преимущества:
- практическое отсутствие распыления катода при разряде в газе приводит к значительному повышению ресурса эксплуатации лазера;
- простота конструкции, технологическая простота изготовления;
- увеличение КПД лазера по сравнению с КПД описанных ранее технических устройств, поскольку используемый подход к генерации электронного пучка имеет почти 100% эффективность электронного пучка;
- работоспособность устройства при высоких температурах, то есть применимость для работы с парами металлов, в качестве активных сред;
- возможность генерации электронного пучка как в непрерывном, так и в импульсном режимах, что позволяет получать генерацию когерентного излучения как в непрерывном, так и в импульсном режиме;
- возможность генерации электронного пучка в импульсно-периодическом режиме с большой мощностью, что позволяет получать генерацию когерентного излучения с высокой средней мощностью;
- отсутствие сеток в качестве анода разрядной структуры, с ограниченной геометрической прозрачностью (около 50+80%), существенно снижающих практическую КПД генерации электронного пучка, и обуславливающих серьезную техническую проблему при создании лазерных кювет с большим рабочим объемом, работающих при высоких температурах;
- возможность реализации больших объемов возбуждаемой активной среды.