RU1407365C - Metal-vapor laser - Google Patents

Abstract

HsoepeTeHHe относитс  к области квантовой электроники и может быть использовано в разработках лазеров на атомах и ионах химических элементов. Цель изобретени  - повышение мощности излучени  лазера и расширение его функциональных возможностей. Лазер содержит кювету с надетым на нее сек- шюнированным соленоидом. В лазерном канапе внутри кюветы расположены на вески рабочего вещества. Электронный источник возбуждена выполнен в виде блоков: катод - изолирующа  диафрагма - анод. Блоки герметично устайов- лены в отверсти х в стенках лазерной , кюветы так, что нормали к центру каждого блока пересекают оптическую ось кюветы перед входом в лазерный канал. С помощью блоков катод - анод полу-, чают злектронные пучки, которые накачивают активную среду в лазерном канапе . 1 з.п. ф-лы, 1 ил. i If СHsoepeTeHHe belongs to the field of quantum electronics and can be used in the development of lasers based on atoms and ions of chemical elements. The purpose of the invention is to increase the laser radiation power and expand its functionality. The laser contains a cell with a secured solenoid on it. In the laser canapes inside the cuvette are located on the hanging of the working substance. The electronic source is excited in the form of blocks: cathode - insulating diaphragm - anode. The blocks are tightly mounted in the holes in the walls of the laser cell, so that the normals to the center of each block intersect the optical axis of the cell before entering the laser channel. Using blocks of the cathode - anode, electron beams are produced that pump the active medium in a laser canap. 1 s.p. f-ly, 1 ill. i If C

Description

44

- ОС- OS

а сгa c

Изобретение относитс  к облас ПЕ квантовой электроники и может быть использосаио н разработках лазеров на атомах и ионах химических эле- йентоп.The invention relates to the field of PE quantum electronics and can be used in the development of atoms and ions of chemical elements.

Целью изобретени   вл етс  повыше- лие мощности излучени  лазера, управление параметрами вьпсодного излуче (си ,The aim of the invention is to increase the laser radiation power, control the parameters of all-ray radiation (si,

На чертеже представлен лазер на парах металлов, общий вид,The drawing shows a metal vapor laser, General view,

Лазер на парах металлов содержит кювету 1р заполненную буферным газом, секционированный соленоид 2, охватывающий снаружи кювету, секции которого установлены с возможностью перемещени  вдоль оси кюветы и капшш р 3 с внутренним диаметром S- внутри которого размещена навеска металла i, Стенки капилл ра выполнены из жаропрочной керамики 5. На наружной по верхности капилл ра размещен нагреватель б, выполненный в виде спирали из тугоплавкого материала,, изолированной от стенок кюветы слоем 7 теп лоизол тора,г Электронный источник возбуждени  лазера на парах металла выполнен в виде расположенных на на ружной поверхности кюветы напротив отверстий 8 диаметром D -в торцовых ее стенках электродных пар катод анод. В каждой паре анод 9 выполнен в В1аде плоской сетки с шшимапьным размером  чейки, перекрывающей отверстие , .катод 10 выполнен в виде плоской герметичибй К15ьшки установ - ленной с зазором Д относительно анода па изолирующей диафрагме 11 Элек тродные пары катод анод установлены таКр что нормали к шюскост м анодов проход пще через центры отверстий, пересекают ось кюветы перед ближайшим к отверсти м торцом кап -шл ра. Велиf5A metal vapor laser contains a cuvette 1p filled with buffer gas, a sectioned solenoid 2, covering the outside of the cuvette, sections of which are mounted with the possibility of movement along the axis of the cuvette, and cup p 3 with an inner diameter S - inside which a metal sample i is placed. The capillary walls are made of heat-resistant ceramics 5. On the outer surface of the capillary, a heater b is placed, made in the form of a spiral of refractory material, isolated from the cell walls with a layer 7 of a heat insulator, g Electronic excitation source a metal vapor laser is made in the form of cuvettes located on the outer surface of the cell opposite the holes 8 with a diameter D — in the end faces of the electrode pairs of the cathode anode. In each pair, the anode 9 is made in V1ad of a flat grid with a large mesh size of the cell overlapping the hole. The cathode 10 is made in the form of a flat tightness of K15 mounted with a gap D relative to the anode and an insulating diaphragm 11 Electrode pairs of the cathode anode are installed so that they are normal to the m of anodes, it passes through the centers of the holes; they intersect the axis of the cuvette in front of the end of the cap closest to the holes. Velif5

плитудой 10 кВ и длительностью по по лувысоте НС от reiiepaTopa импульсного напр жени , при этом в каж дом промежутке катод 0 - анод 9 воз никает электрический разр д, генерирующий поток убегающ гх электронов, со средней энергией- 8 кэВ, током 15- 20 А и длительностью импульса доa 10 kV wafer and a half-wave length of pulsed voltage from reiiepaTopa, while in each gap the cathode 0 - anode 9 produces an electric discharge generating a runaway electron flux with an average energy of 8 keV and a current of 15-20 A and pulse duration up to

JQ 150-200 НС. Импульсы тока убегающих электронов, получаемые во всех проме жутках катод 10 - анод 9 хорошо синхронизированы между собой: разброс во времени в целом не превышает 10 НС.JQ 150-200 NS. Runaway electron current pulses obtained in all gaps between cathode 10 and anode 9 are well synchronized with each other: the spread in time does not exceed 10 NS as a whole.

Высокоэнергетичные убегающие элек троны покидают разр д через сетчатый анод 9, магнитным полем соленоида фо кусируютс  в шнур и ввод тс  в ла2д зерный капилл р 3. Проход  черезHigh-energy runaway electrons leave the discharge through the mesh anode 9, the magnetic field of the solenoid is focused into the cord and introduced into the laser capillary 3. Passage through

смесь паров металла и буферного газ в лазерном капкпл ре 3, электроны возбу одают пары металла и обеспечивают тем генерацию лазерногоa mixture of metal vapors and a buffer gas in a laser cup 3, electrons excite metal vapors and thereby generate laser

25 излучени . Потер вшие на возбуждение газа энергию электроны затем стекают на аноды 9, расположенные на противоположном от места их по влени  кон це кюветы 1,25 radiation. The electrons lost on gas excitation then flow to the anodes 9 located at the end of the cell 1 opposite to the place of their appearance.

эд Таким образом, в п;ары металла за врем  пор дка 200 не с электронамиed Thus, in p; ares of the metal during the order of 200 not with electrons

3535

4040

вводитс  энерги  с мгновенной мощнос тью накачки более 10 Вт и выполн ют с  все услови  дл  получени  самоограниченной лазерной генерации. При частоте повторени  импульсов 50 кГц средн   мощность накачки в реализованном лазере на парах металлов достигала 10 кВт, при этом благодар  по вышенному давлению буферного газа в несколько раз уменьшалс  выход паров металла из капилл ра в холодные зоны кюветы и соответственно во столько же увеличивалс  ресурс работы лазераenergy with an instantaneous pump power of more than 10 W is introduced and all the conditions are met to obtain self-limited laser generation. At a pulse repetition rate of 50 kHz, the average pump power in the realized metal vapor laser reached 10 kW, while due to the increased pressure of the buffer gas, the output of metal vapor from the capillary decreased several times in the cold zone of the cell and, accordingly, the laser life increased by the same amount

чины S, D, S и & удовлетвор ют следу-. Конструкци  лазера удобна также тем, ющим соотношени м:the terms S, D, S, and & satisfy the following. The design of the laser is also convenient for those ratios:

U ё S, S f- |д; & й1U S S, S f- | d; & y1

22

1-Ш,1-W,

что облегчает электроизол цию катодо 10 от анодов 9 вне области отверстий 8 и обеспечивает оперативную замену любой пары катод 10 - анод 9 без раз борки лазерной кюветы 1.which facilitates the electrical insulation of the cathode 10 from the anodes 9 outside the region of the openings 8 and ensures the prompt replacement of any pair of the cathode 10 - anode 9 without disassembling the laser cell 1.

Лазер на парах металла работает следующим образом.Laser vapor metal works as follows.

Спираль нагревател  6 подключаетс  к источнику питани 5 и в результате повьшенип температуры в лазерном капилл ре 3 последний наполн етс  па patm металла от навески 4„ Соленоид подключают к источнику посто нного тока При заземленных анодах на катоды 10 подают импульсы напр жени  The spiral of heater 6 is connected to power supply 5 and, as a result of temperature increase in the laser capillary 3, the latter is filled with metal patm from the hinge 4. The solenoid is connected to the direct current source. With grounded anodes, voltage pulses are applied to cathodes 10

f5f5

oyses oyses

плитудой 10 кВ и длительностью по полувысоте НС от reiiepaTopa импульсного напр жени , при этом в каж- дом промежутке катод 0 - анод 9 возникает электрический разр д, генерирующий поток убегающ гх электронов, со средней энергией- 8 кэВ, током 15- 20 А и длительностью импульса доwith a voltage of 10 kV and a half-maximum duration of the NS from reiiepaTopa of a pulsed voltage, in this case, in each gap, cathode 0 - anode 9, an electric discharge arises, generating a runaway electron flux with an average energy of 8 keV and a current of 15-20 A and pulse duration up to

JQ 150-200 НС. Импульсы тока убегающих электронов, получаемые во всех промежутках катод 10 - анод 9 хорошо синхронизированы между собой: разброс во времени в целом не превышает 10 НС.JQ 150-200 NS. Runaway electron current pulses obtained in all gaps between the cathode 10 and anode 9 are well synchronized with each other: the spread in time as a whole does not exceed 10 NS.

Высокоэнергетичные убегающие электроны покидают разр д через сетчатый анод 9, магнитным полем соленоида фокусируютс  в шнур и ввод тс  в лад зерный капилл р 3. Проход  черезHigh-energy runaway electrons leave the discharge through the mesh anode 9, the magnetic field of the solenoid is focused into the cord, and the grain capillary 3 is introduced into the palm.

смесь паров металла и буферного газа в лазерном капкпл ре 3, электроны возбу одают пары металла и обеспечивают тем генерацию лазерногоa mixture of metal vapors and buffer gas in a laser cup 3, electrons excite metal vapors and thereby generate laser

5 излучени . Потер вшие на возбуждение газа энергию электроны затем стекают на аноды 9, расположенные на противоположном от места их по влени  конце кюветы 1,5 radiation. The electrons lost on gas excitation then flow to the anodes 9 located at the end of the cell 1 opposite to the place of their appearance,

эд Таким образом, в п;ары металла за врем  пор дка 200 не с электронамиed Thus, in p; ares of the metal during the order of 200 not with electrons

55

00

вводитс  энерги  с мгновенной мощностью накачки более 10 Вт и выполн ютс  все услови  дл  получени  самоог раниченной лазерной генерации. При частоте повторени  импульсов 50 кГц средн   мощность накачки в реализованном лазере на парах металлов достигала 10 кВт, при этом благодар  повышенному давлению буферного газа в несколько раз уменьшалс  выход паров металла из капилл ра в холодные зоны кюветы и соответственно во столько же увеличивалс  ресурс работы лазера.energy with an instantaneous pump power of more than 10 W is introduced and all conditions are met to obtain self-limited laser generation. At a pulse repetition rate of 50 kHz, the average pump power in the realized metal vapor laser reached 10 kW, and due to the increased pressure of the buffer gas, the output of metal vapor from the capillary decreased several times in the cold zones of the cell and, accordingly, the laser life was increased by the same amount.

Конструкци  лазера удобна также тем, The laser design is also convenient because

что облегчает электроизол цию катодов 10 от анодов 9 вне области отверстий 8 и обеспечивает оперативную замену любой пары катод 10 - анод 9 без разборки лазерной кюветы 1.which facilitates the electrical insulation of the cathodes 10 from the anodes 9 outside the region of the openings 8 and ensures the prompt replacement of any pair of the cathode 10 - anode 9 without disassembling the laser cell 1.

Расположение катодов и анодов в отверсти х кюветы обеспечивает эффективное охлаждение катодов и анодов, что  вл етс  необходимым условием дл  работоспособности устройства при высоких (1 кВт и выше) уровн х мощности накачки. Использование нескольких пар катод - нод на каждом конце кюветы позвол ет генерировать электронныеThe location of the cathodes and anodes in the holes of the cuvette provides effective cooling of the cathodes and anodes, which is a prerequisite for the operation of the device at high (1 kW and above) pump power levels. The use of several pairs of cathode - nodes at each end of the cell allows the generation of electronic

потоки с различной энергией электронов вниз, что повышает однородность накачки по длине лазерного канала и ведет к увеличению мощности лазерного излучени , а также получать пространственно-разнесенные шнуры электронных потоков в лазерном канале. Это позвол ет при использовании составного резонатора и многокомпонентной смеси паров металлов получать многоцветную лазерную генерацию с пространственно- разнесенными цветными лучами.flows with different electron energies downward, which increases the uniformity of pumping along the length of the laser channel and leads to an increase in the laser radiation power, as well as to obtain spatially separated cords of electron flows in the laser channel. This allows using a composite resonator and a multicomponent mixture of metal vapors to obtain multicolor laser generation with spatially separated color beams.

Благодар  совмещению электронных шнуров в капилл ре возможны изменение плотности мощности накачки и оптимизаци  по этому параметру работы лазера . Выполнение соленоида секционированным с возможностью перемещени  секций вдоль оси кюветы позвол ет измен ть пространственно распределение магнитного пол  и за счет этого вли ть на параметры электронов накачки, тем самым достигаетс  возможность управлени  параметрами выходного излу- чени  лазера на парах металла.Due to the combination of electronic cords in the capillary, a change in the density of the pump power and optimization of the laser operation with respect to this parameter are possible. Making the solenoid sectioned with the possibility of moving sections along the axis of the cuvette allows one to change the spatial distribution of the magnetic field and thereby influence the parameters of the pump electrons, thereby achieving the ability to control the parameters of the output radiation of a metal vapor laser.

Формула и-зобретени Formula and Invention

Claims (2)

1, Лазер на парах металлов, содер- жащий кювету, заполненную буферным газом, капилл р с рабочим веществом, установленный внутри кюветы соосно с ней, оптический резонатор, электронный источник возбуждени  и соленоид, охватывающий снаружи кювету, отличающийс  тем, что, с целью повышени  мощности излучени  лазера, в торцовых стенках кюветы выполнены отверсти  диаметром D, электронный источник возбуждени  выполнен в виде расположенных на наружной поверхности кюветы напротив отверстий пар кзтод - анод, в каждой паре анод выполнен в виде плоской сетки с минимальным размером S  чейки, перекрьгеающей отверстие , катод выполнен в виде плоской герметичной крышки, установленной с зазором Л относительно анода, пары катод - анод установлены так, чтЬ нормали к плоскост м анодов, провод щие через центры отверстий, пересекают ось кюветы перед ближайшим к отверсти м торцом капилл ра, при этом величины D, S и и удовлетвор ют следующим соотношени м:1, A metal vapor laser containing a cuvette filled with a buffer gas, a capillary with a working substance mounted coaxially with the cuvette, an optical resonator, an electronic excitation source and a solenoid surrounding the cuvette outside, characterized in that, in order to increase laser radiation power, holes with a diameter D are made in the end walls of the cuvette, the electronic excitation source is made in the form of holes located on the outer surface of the cuvette opposite the holes of the cathode – anode pairs, in each pair the anode is made flat grid with a minimum size S of the cell overriding the hole, the cathode is made in the form of a flat sealed cover installed with a gap L relative to the anode, the cathode – anode pairs are installed so that the normal to the planes of the anodes conducting through the centers of the holes intersect the cell axis before the capillary face closest to the holes, while the values of D, S and and satisfy the following relations: DtES; , DtES; , мм.mm где S - внутренний диаметр капилл ра.where S is the inner diameter of the capillary. 2. Лазер поп.1, отличающийс  тем, что, с целью управлени  параметрами выходного излучени , соленоид выполнен секцион1фованкым с возможностью перемещени  секций вдоль оси кюветы.2. Laser pop. 1, characterized in that, in order to control the parameters of the output radiation, the solenoid is made section-shaped with the ability to move sections along the axis of the cuvette. 1X1 1X1 5 S5 s rfrf