ИМПУЛЬСНО-ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЛАЗЕР НА ПАРАХ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано при создании импульсно-периодических лазеров на парах химических элементов.

Известен лазер на парах химических элементов с газоразрядной трубкой, которая состоит из разрядного канала, электродов – катода и анода, токовводов, активного вещества, вакуумно-плотной оболочки, теплоизолятора и окон для выхода лазерного излучения. Электроды внесены в горячую зону теплоизолированного разрядного канала и электрически подключены к токовводам. Анод и катод через токовводы подключены к источнику импульсной накачки активной среды. Запуск источника импульсной накачки осуществляется от задающего генератора [А.Н. Солдатов, Е.Л. Латуш, Г.Д. Чеботарев, Н.А. Юдин, А.В. Васильева, Ю.П. Полунин, О.О. Пруцаков. Импульсно-периодические лазеры на парах стронция и кальция / Томск: ТМЛ-Пресс. 2012. – С.111-115].

Недостатком данной конструкции является ограничение энергетических характеристик лазеров на парах химических элементов (КПД, частоты следования импульсов генерации и средней мощности генерации). Можно выделить две основные причины ограничения энергетических характеристик лазера. Первая из них связана с тем, что формирование импульсов накачки активной среды лазеров на парах химических элементов осуществляется за счет разрядки накопительного конденсатора через газоразрядную трубку. В качестве коммутаторов в источниках накачки используются водородные тиратроны, типа ТГИ1-1000/25, с допустимой скоростью нарастания тока в тиратроне ~ 4А/нс [Кацнельсон Б.В., Калугин А.М., Ларионов А.С. Электровакуумные электронные и газоразрядные приборы: Справочник. Под общей ред. Ларионова А.С. / М.: Радио и связь. – 1985. – С. 574-575]. Очевидно, что время нарастания напряжения на активной составляющей импеданса ГРТ в этом случае должно составлять ~ 250 нс при токе в контуре ~ 1 кА. Это обуславливает заселение метастабильных состояний на фронте импульса возбуждения активной среды лазеров на самоограниченных переходах атомов химических элементов и, как следствие, ограничение энергетических характеристик излучения. Возможность устранения вышеуказанной причины появилась с разработкой нового поколения коммутаторов – тиратронов с холодным полым катодом, типа ТПИ [Бочков В. Д., Королев Ю. Д. Импульсные газоразрядные коммутирующие приборы / Энциклопедия низкотемпературной плазмы. Под ред. академика В. Е. Фортова, вводный том. Кн. 4. - М.: Наука. – 2000. – С. 446-459]. Псевдоискровой разрядник – тиратрон с холодным полым катодом, например, ТПИ1-10k/20 – это сильноточный высоковольтный ключ, способный коммутировать токи в импульсе ~ 10 кА при анодном напряжении до 20 кВ с беспрецедентной скоростью коммутации ~ 1 кА/нс. Вторая из возможных причин, препятствующих достижению высоких значений средней мощности генерации и КПД лазера, обусловлена тем, что активные среды лазеров на парах химических элементов характеризуются высокой предымпульсной концентрацией электронов (n_e0) ~ 10¹³ см^-3, а импульсный разряд при этом имеет все признаки тлеющего разряда с большим катодным падением потенциала. Например, импульсный разряд имеет также все признаки тлеющего разряда в лазерах высокого давления с предионизацией, когда n_e0 ~ 10⁵ см^-3, при этом катодное падение потенциала составляет ~ 200 В при ~ 10 кВ на положительном столбе разряда. Наличие n_e0 ~ 10¹³ см^-3 в лазерах на парах химических элементов, в сравнении с лазерами высокого давления, определяет диаметрально противоположное распределение потенциала между катодом и положительным столбом тлеющего разряда. Большое катодное падение потенциала снижает напряжение на активной среде и, соответственно, эффективность накачки. Это обуславливает также перераспределение скоростей заселения лазерных уровней в пользу метастабильных состояний с ростом частоты следования импульсов возбуждения (т.е. с ростом n_e0) даже в случае использования высокоскоростных коммутаторов и определяет ограничение энергетических характеристик лазеров (КПД, частоты следования импульсов генерации, средней мощности генерации).

Наиболее близким по назначению и совокупности признаков к предлагаемому устройству является лазер на парах химических элементов [Бохан П.А., Закревский Д.Э., Лаврухин М.А. Исследование газоразрядного лазера на самоограниченном переходе таллия // Квантовая электроника. – 2009. – Т.39. – №10. – С.911-916], содержащий газоразрядную трубку, помещенную в резонатор, источник импульсной накачки, задающий генератор и дополнительный источник питания. Газоразрядная трубка состоит из разрядного канала, электродов – катода и анода, токовводов, активного вещества, вакуумно-плотной оболочки, теплоизолятора, имеет окна для выхода лазерного излучения. Электроды внесены в горячую зону теплоизолированного разрядного канала и электрически подключены к токовводам. Поверх разрядного канала помещен омический нагреватель. Анод и катод через токовводы подключены к источнику импульсной накачки активной среды, а дополнительный источник питания к омическому нагревателю. Запуск источника импульсной накачки осуществляется от задающего генератора.

Использование омического нагревателя позволяет разогревать объем активной среды до рабочей температуры независимо от параметров импульсов возбуждения. Однако в этих условиях электроды газоразрядной трубки разогреваются только до рабочей температуры, например, рабочая температура активной среды лазера на парах меди ~ 1550° С, что ниже температуры ~ 2000° C, при которой возникает термоэлектронная эмиссия. Недостатком данной конструкции является большое катодное падение потенциала, что снижает напряжение на активной среде и, соответственно, эффективность накачки.

Задачей изобретения является создание лазера на парах химических элементов с повышенными энергетическими характеристиками (КПД, частоты следования импульсов генерации, средней мощности генерации) путем независимого от параметров импульсов накачки предварительного прогрева катода газоразрядной трубки до температуры, при которой возникает термоэлектронная эмиссия.

Технический результат достигается тем, что в импульсно-периодическом лазере на парах химических элементов, содержащем помещенную в резонатор газоразрядную трубку, источник импульсной накачки, задающий генератор и дополнительный источник питания, причем упомянутая газоразрядная трубка состоит из вакуумно-плотной оболочки, разрядного канала, электродов – катода и анода, токовводов для каждого электрода, активного вещества, теплоизолятора, имеет окна для выхода лазерного излучения, электроды внесены в горячую зону теплоизолированного разрядного канала и электрически соединены с токовводами, а анод и катод через токовводы подключены к выходу источника импульсной накачки, вход которого подключен к задающему генератору, согласно изобретению в газоразрядную трубку введены дополнительный электрод и дополнительный токоввод, при этом дополнительный электрод расположен со стороны катода газоразрядной трубки и электрически соединен с дополнительным токовводом, а выход дополнительного источника питания через токовводы подключен к катоду газоразрядной трубки и к дополнительному электроду.

В импульсно-периодический лазер на парах химических элементов может быть введен омический нагреватель, расположенный на внешней стороне разрядного канала со стороны катода газоразрядной трубки, соизмеримый по длине с длиной катода и электрически соединенный с катодом и с дополнительным электродом.

В импульсно-периодический лазер на парах химических элементов могут быть введены линия задержки и развязывающий трансформатор, при этом выход дополнительного источника питания электрически подключен к дополнительному электроду и к катоду газоразрядной трубки через упомянутый развязывающий трансформатор, вход дополнительного источника питания подключен к задающему генератору, а задающий генератор электрически подключен к входу источника импульсной накачки через упомянутую линию задержки.

Сущность изобретения поясняется иллюстрациями фиг.1-3.

На Фиг.1 приведена блок-схема заявляемого устройства.

На Фиг.2 приведена блок-схема заявляемого устройства со встроенным омическим нагревателем катода.

На Фиг.3 приведена блок-схема заявляемого устройства с импульсным подогревом катода перед импульсом возбуждения.

На Фиг. 1-3 использованы обозначения: 1 – резонатор лазера; 2 – выходные окна газоразрядной трубки; 3 – вакуумно-плотная оболочка; 4 - дополнительный токоввод (электрод); 5 – токоввод катода; 6 – катод; 7 – активное вещество; 8 – разрядный канал; 9 – теплоизолятор; 10 – анод; 11 – токоввод анода; 12 - дополнительный источник питания; 13 – импульсный источник накачки; 14 – задающий генератор.

На Фиг.2 дополнительно показан омический нагреватель 15.

На Фиг.3 дополнительно показаны: 16 - развязывающий трансформатор; 17 – линия задержки.

Устройство по изобретению работает следующим образом.

Активное вещество 7 (см. Фиг.1) располагается в газоразрядной трубке равномерно по поверхности разрядного канала 8, а объем газоразрядной трубки заполняют инертным газом, как правило гелием или неоном. Введение инертного газа в газоразрядную трубку необходимо для инициирования разряда при поступлении на электроды 6 и 10 через токовводы 5 и 11 импульсов возбуждения от импульсного источника накачки 13, запуск которого осуществляется от задающего генератора 14. За счет диссипации энергии при высокой частоте следования импульсов возбуждения (~ 10 кГц) осуществляется разогрев разрядного канала 8 до рабочей температуры, при которой реализуется оптимальное давление паров активного вещества 7. Параметры импульсов возбуждения и их частота следования выбираются из условия поддержания рабочей температуры и обеспечения накачки активной среды лазера (принцип работы импульсно-периодических лазеров на парах химических элементов в режиме саморазогрева). Соответственно электроды 6 и 10 будут разогреты также до рабочей температуры, поскольку расположены в горячей зоне разрядного канала 8. Например, рабочая температура в лазере на парах меди составляет ~ 1550° С, а в лазере на парах стронция ~ 600-700° С, в то время как термоэлектронная эмиссия с катода возникает при более высоких значениях температуры ~ 2000° С. Импульсный разряд в активной среде газоразрядной трубки будет иметь в этих условиях все признаки тлеющего разряда с большим катодным падением потенциала, что снижает напряжение на активной среде и эффективность ее накачки. Следовательно, необходимо обеспечить дополнительный подогрев катода до температуры, при которой возникает термоэлектронная эмиссия с катода, чтобы повысить эффективность накачки. Для решения этой задачи в газоразрядную трубку введены дополнительный токоввод (электрод) 4, со стороны катода 6. Дополнительный токоввод (электрод) 4 и катод 6 подключены к дополнительному источнику питания 12. Напряжение дополнительного источника питания 12 выбирается из условия пробоя в инертном газе промежутка между дополнительным токовводом (электродом) 4 и катодом 6 и подержания разряда в этом промежутке. Дополнительный токоввод (электрод) 4 расположен со стороны катода 6 в холодной буферной зоне газоразрядной трубки, где отсутствуют пары активного вещества. Поддержания разряда в промежутке между дополнительным токовводом (электродом) 4 и катодом 6 будет обеспечивать дополнительный подогрев катода 6 до температуры, при которой возникает термоэлектронная эмиссия.

На Фиг.2 приведена блок-схема заявляемого устройства со встроенным омическим нагревателем 15 катода 6 газоразрядной трубки, что позволяет использовать в качестве дополнительного источника питания 12 низковольтный источник.

Выше рассмотрены варианты подогрева катода 6 от дополнительного источника питания 12 и поддержания условий постоянной термоэлектронной эмиссии с катода 6. В действительности достаточно для эффективной накачки активной среды обеспечить условие термоэлектронной эмиссии с катода 6 перед импульсом возбуждения, осуществляя импульсный подогрев катода 6. Поэтому дополнительный источник подогрева 12 должен быть импульсным и обеспечивать реализацию импульсного подогрева катода 6 перед импульсом возбуждения. Для этого в устройство введены развязывающий трансформатор 16 и линия задержки 17.

При импульсном подогреве катода перед импульсом возбуждения (Фиг.3) подогревающий импульс подается на дополнительный токоввод (электрод) 4 и катод 6 через развязывающий трансформатор 16 от дополнительного импульсного источника питания 12 и с задержкой, необходимой для прогрева катода 6, на электроды 6 и 10 подается импульс возбуждения от импульсного источника накачки 13. Запуск дополнительного импульсного источника питания 12 и импульсного источника накачки 13 осуществляется от задающего генератора 14 для синхронизации работы дополнительного импульсного источника питания 12 и импульсного источника накачки 13, причем импульсный источник накачки 13 запускается от задающего генератора 14 через линию задержки 17. Время задержки определяется временем прогрева катода до температуры, при которой возникает термоэлектронная эмиссия с катода 6. Поскольку дополнительный импульсный источник питания 12 должен обеспечивать только лишь подогрев катода, то соответственно нет особых требований на форму и длительность подогревающего импульса. Это определяет большое количество возможных вариантов исполнения дополнительного импульсного источника питания 12 с использованием различных коммутаторов, включая тиристоры и транзисторы.

Технический результат - повышение энергетических характеристик лазера на парах химических элементов (КПД, частоты следования импульсов генерации, средней мощности генерации) путем предварительного прогрева катода газоразрядной трубки до температуры, при которой возникает термоэлектронная эмиссия, независимо от параметров импульсов накачки.