RU2349999C1 - Quasicontinuous photoionisation solid laser medium excitation method and device - Google Patents

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: invention refers to development of production power laser technologies, mainly photoionisation CO₂(CO)-lasers, as well as Ar:Xe, O₂:l₂ lasers and can be used for excitation of plasma chemical medium and design of plasma chemical reactors of various applications. Pulse-periodic wide-aperture ultraviolet source based on plasma microline strip or matrix affects molecular or atomic gas additives of low boiling point thus maintaining nonsteady photoionisation discharge.

EFFECT: higher stability of volume dependent discharge, higher discharge heat input power and ensured higher efficiency of laser and plasma chemical devices.

4 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к области создания мощной лазерной техники для технологических целей, преимущественно фотоионизационных CO₂(СО)-лазеров, а также лазеров на основе Ar:Хе, O₂:I₂. Кроме того, изобретение может использоваться при возбуждении плазмохимических сред, например N₃:O₂, и создании плазмохимических реакторов различного назначения.The invention relates to the field of creating powerful laser technology for technological purposes, mainly photoionization CO ₂ (CO) lasers, as well as lasers based on Ar: Xe, O ₂ : I ₂ . In addition, the invention can be used in the excitation of plasma-chemical media, for example N ₃ : O ₂ , and the creation of plasma-chemical reactors for various purposes.

Известны импульсно-периодические электроионизационные CO₂-лазеры [1], решающие проблему генерации мощного лазерного излучения с помощью использования системы возбуждения плотных лазерных сред на основе организации несамостоятельного разряда. Как правило, используется поток лазерной среды, охваченный двумя плоскопараллельными сетчатыми электродами, через которые для ионизации газа инжектируется поток высокоэнергетических электронов с энергией Е_е≥100 эВ. Электроды подключены к источнику напряжения (емкостный накопитель энергии) для создания оптимального электрического поля в объемном несамостоятельном разряде, что и приводит к возбуждению лазерных сред во время импульсов ионизации. Накопитель энергии работает в режиме частичного разряда емкости (порядка 10%), чтобы поддерживать приведенное электрическое поле в разряде Е/р~5 [кВ/(см·атм)] примерно постоянным (СО₂ - лазерная среда) и близким к оптимальному значению для эффективного возбуждения лазерной среды. При этом должен возбуждаться устойчивый объемный разряд, приводящий к генерации лазерного излучения. За счет развития неустойчивостей в плазме несамостоятельного разряда может произойти срыв объемного разряда в дуговой режим и срыв лазерной генерации. При электроионизационном способе поддержания несамостоятельного разряда из-за развития неустойчивостей практически не удается поддерживать оптимальное электрическое поле в объемном разряде и значение Е/р≤0,8 (Е/р)опт. Основная причина развития неустойчивостей и срыв объемного разряда в дуговой режим связаны с обогащением разрядного промежутка быстрыми электронами.Known are pulse periodic electroionization CO ₂ lasers [1], which solve the problem of generating high-power laser radiation using a system of excitation of dense laser media based on the organization of a non-self-sustained discharge. As a rule, a laser medium flow is used, enclosed by two plane-parallel mesh electrodes, through which a stream of high-energy electrons with an energy of E _e ≥100 eV is injected to ionize the gas. The electrodes are connected to a voltage source (capacitive energy storage) to create the optimal electric field in a non-self-contained volume discharge, which leads to the excitation of laser media during ionization pulses. The energy storage device operates in the partial discharge mode of the capacitance (of the order of 10%) in order to keep the reduced electric field in the discharge E / p ~ 5 [kV / (cm · atm)] approximately constant (CO ₂ - laser medium) and close to the optimal value for effective excitation of the laser medium. In this case, a stable volume discharge should be excited, leading to the generation of laser radiation. Due to the development of instabilities in the plasma of a non-self-sustained discharge, a disruption of the volume discharge into the arc mode and a breakdown of laser generation can occur. With the electroionization method of maintaining a non-self-sustaining discharge due to the development of instabilities, it is practically impossible to maintain the optimal electric field in the volume discharge and the value of E / p≤0.8 (E / p) opt. The main reason for the development of instabilities and the disruption of the volume discharge into the arc mode are associated with the enrichment of the discharge gap by fast electrons.

Наиболее близким по техническому решению к предлагаемому изобретению является система возбуждения лазерных сред на основе фотоионизационного разряда [2], когда для ионизации газовой среды используется поток ультрафиолетового (УФ) излучения, воздействующего на легкоионизуемую присадку. В работе изучены разряды в N₂, He и смеси СО₂:N₂:Не с добавлением легкоионизуемых присадок с низким потенциалом ионизации: диметиланилин, орто-ксилен и пара-ксилен. Для облучения газа и лазерной среды использовалась решетка искровых разрядников. УФ излучение, воздействующее на присадку, имело энергию фотонов порядка Е_ф≥7,3 эВ≥U_i. Здесь U_i - потенциал прямой фотоионизации паров органической присадки, которая находилась в жидком состоянии. Выбор присадок проводился, исходя из спектра фотопоглощения углекислого газа СО₂, имеющего порог прозрачности вблизи λ≈170 нм (Е_ф≈7,3 эВ).The closest technical solution to the present invention is a system for exciting laser media based on a photoionization discharge [2], when a stream of ultraviolet (UV) radiation is used to ionize a gas medium, which acts on an easily ionized additive. In this work, discharges in N ₂ , He and a mixture of CO ₂ : N ₂ : Not were studied with the addition of easily ionizable additives with a low ionization potential: dimethylaniline, ortho-xylene and para-xylene. To irradiate the gas and the laser medium, a spark grating array was used. UV radiation acting on the additive had a photon energy of the order of E _f ≥ 7.3 eV≥U _i . Here U _i is the potential of direct photoionization of vapors of an organic additive, which was in a liquid state. The choice of additives was carried out based on the photoabsorption spectrum of carbon dioxide CO ₂ having a transparency threshold near λ≈170 nm (E _f ≈ 7.3 eV).

К очевидным преимуществам фотоионизационного способа возбуждения по сравнению с электроионизационным [1] способом возбуждения мощных газовых лазеров повышенного давления можно отнести малые весо-габаритные параметры, отсутствие ограничений на площадь поперечного сечения из-за влияния магнитного поля разряда на поток заряженных частиц, отсутствие сложной ускорительной техники и рентгеновского излучения. Оставался открытым вопрос о создании проточных лазеров, которые необходимы для генерации мощного излучения для технологических целей. Ранее было известно [1], что только с помощью слаботочных пучков быстрых электронов с энергией Ее>100 кэВ можно обеспечить поддержание импульсно-периодических несамостоятельных разрядов в потоке плотных газов. По сравнению с электроионизационным разрядом осуществить импульсно-периодический фотоионизационный разряд технически гораздо проще, однако требуется достаточно точное согласование параметров внешнего источника ионизации с параметрами газоразрядной камеры, оптимизация химического состава возбуждаемой смеси газов, выбор газообразных присадок с низкой температурой кипения, легко вводимых и дозируемых в оптимальной концентрации в лазерную среду.The obvious advantages of the photoionization method of excitation compared to the electroionization [1] method of exciting high-pressure gas lasers include small weight and size parameters, the absence of restrictions on the cross-sectional area due to the influence of the magnetic field of the discharge on the flow of charged particles, and the absence of complex accelerator technology and x-ray radiation. The question of creating flow lasers, which are necessary for generating high-power radiation for technological purposes, remained open. It was previously known [1] that only with the help of low-current beams of fast electrons with an energy of Ee> 100 keV, it is possible to maintain pulse-periodic non-self-sustained discharges in a dense gas stream. Compared with an electroionization discharge, it is technically much easier to carry out a pulse-periodic photoionization discharge, however, it is necessary to precisely coordinate the parameters of the external ionization source with the parameters of the gas discharge chamber, to optimize the chemical composition of the excited gas mixture, to choose gaseous additives with a low boiling point, which are easily introduced and dosed at the optimum concentration in the laser medium.

Отличие предлагаемого подхода к разработке фотоионизационной системы накачки проточных лазеров на основе СО₂ по сравнению с известными [2] заключалось в использовании газоразрядных источников УФ (ультрафиолетового) излучения на основе Z-микропинчей, интенсивно излучающих в спектральном диапазоне Δλ≈115-125 нм (Е_ф≈10,8-9,9 эВ), соответствующем «окну прозрачности» в спектре фотопоглощения СО₂. Использование источников УФ излучения с повышенной энергией фотонов позволило перейти к выбору и изучению газообразных присадок, которые легко вводились в лазерную смесь газов в оптимальной концентрации и не ограничивали быстрый проток газовой смеси. Ранее [2] использовались пары жидких органических присадок с минимальным потенциалом фотоионизации, ориентированные на прозрачность СО₂ в спектральном диапазоне λ≥170 нм. В данном случае углекислый газ СО₂ представлял собой газовый фильтр, пропускающий узкую полосу УФ излучения с энергией фотонов Е_ф≈10,8-9,9 эВ и Е_ф≤7,3 эВ. Ориентируясь на коротковолновое УФ излучение возникла возможность перейти к молекулярным газовым присадкам с низкой температурой кипения, например NO и NH₃ с потенциалами фотоионизации U_i=9,25 эВ (NO) и 10,15 эВ (NH₃). Такое направление исследований привело к принципиально новому результату - показана возможность разработки фотоионизационных лазеров с быстрой прокачкой рабочей смеси газов. Кроме того, переход к более коротковолновому УФ излучению и его использование для облучения газовой среды и электродов оказало стабилизирующее влияние на устойчивость объемного разряда за счет достаточно интенсивной фотоэмиссии электронов с поверхности электродов. Определены оптимальные условия, при которых энергетические затраты на фотоионизацию СО₂-лазерных сред составили достаточно малую величину. Переход от паров органических легкоионизуемых соединений [2] к газообразным присадкам снимал технические трудности, связанные с охлаждением лазерных сред, их дозировкой и смешением в проточных системах. При использовании коротковолнового УФ излучения устойчивость квазинепрерывного фотоионизационного разряда оказалась выше, чем в несамостоятельных разрядах, контролируемых пучком быстрых электронов. Этот факт, а также возможность осуществления более однородной ионизации межэлектродного промежутка за счет применения встречных пучков фотонов делают данную систему накачки проточных лазеров достаточно эффективной и перспективной.The difference between the proposed approach to the development of a photoionization pumping system for CO ₂ flow-through lasers in comparison with the known ones [2] consisted in the use of gas-discharge sources of UV (ultraviolet) radiation based on Z-micropins, intensively emitting in the spectral range Δλ≈115-125 nm (Е ₍ ≈10.8–9.9 eV) corresponding to the “transparency window” in the photoabsorption spectrum of CO ₂ . The use of UV sources with increased photon energy allowed us to go on to the selection and study of gaseous additives that were easily introduced into the laser gas mixture at the optimal concentration and did not limit the fast flow of the gas mixture. Earlier [2], pairs of liquid organic additives with a minimum photoionization potential were used, oriented on the transparency of CO ₂ in the spectral range λ≥170 nm. In this case, carbon dioxide CO ₂ was a gas filter passing a narrow band of UV radiation with photon energy E _f ≈ 10.8-9.9 eV and E _f ≤ 7.3 eV. Focusing on short-wave UV radiation, it became possible to switch to molecular gas additives with a low boiling point, for example, NO and NH ₃ with photoionization potentials U _i = 9.25 eV (NO) and 10.15 eV (NH ₃ ). This line of research has led to a fundamentally new result - the possibility of developing photoionization lasers with fast pumping of a working gas mixture has been shown. In addition, the transition to shorter wavelength UV radiation and its use for irradiating a gaseous medium and electrodes had a stabilizing effect on the stability of a volume discharge due to the fairly intense photoemission of electrons from the surface of the electrodes. The optimal conditions were determined under which the energy costs for photoionization of CO ₂ laser media were quite small. The transition from vapors of organic easily ionizable compounds [2] to gaseous additives removed technical difficulties associated with the cooling of laser media, their dosage and mixing in flow systems. When using short-wave UV radiation, the stability of a quasi-continuous photoionization discharge turned out to be higher than in non-self-sustaining discharges controlled by a fast electron beam. This fact, as well as the possibility of more uniform ionization of the interelectrode gap due to the use of colliding photon beams, make this pumping system for flowing lasers quite efficient and promising.

Необходимо отметить, что благодаря применению фотонных пучков (электрически нейтральных) отсутствовало обратное воздействие магнитного поля объемного разряда на прохождение ионизирующего излучения. Из литературных источников известно, что в электроионизационных крупномасштабных лазерах, предназначенных для исследований в области лазерного термоядерного синтеза, не удалось получить заданную энергию излучения из-за воздействия собственного магнитного поля объемного разряда на траекторию быстрых электронов.It should be noted that due to the use of photon beams (electrically neutral), there was no reverse effect of the magnetic field of the volume discharge on the passage of ionizing radiation. From literary sources it is known that large-scale electroionization lasers intended for research in the field of laser thermonuclear fusion failed to obtain the specified radiation energy due to the influence of the intrinsic magnetic field of the volume discharge on the trajectory of fast electrons.

Предлагаемое изобретение позволяет осуществить организацию импульсно-периодического или квазинепрерывного (фотоионизационного) разряда при импульсно-периодическом воздействии коротковолнового микросекундного УФ излучения на присадку с низкой температурой кипения. Получение коротковолнового УФ излучения с достаточно высокой интенсивностью возможно в газоразрядных устройствах на основе Z-микропинчей с длительностью излучения порядка t_ф≤1 мкс, при этом частота следования импульсов фотоионизации F_ф или период следования Т_ф=1/F_ф может достигать величин порядка 10-100 мкс. Малая длительность УФ излучения связана с необходимостью удержания излучающей плазмы Z-микропинчей от разлета и нагрева до температур Т≥30000 К. Квазинепрерывный разряд при возбуждении СО₂-лазера возможен при использовании УФ излучения, прошедшего благодаря «окну прозрачности» в спектре фотопоглощения СО₂, когда Δλ≈120±5 нм. В данном случае газ CO₂ может рассматриваться как газовый фильтр, пропускающий с малым коэффициентом поглощения К поток фотонов в этом спектральном интервале. Газовая присадка должна подвергаться прямой фотоионизации данным потоком УФ излучения и обеспечивать к концу импульса фотоионизации пиковое значение концентрации электронов в разряде порядка n_е≥10¹¹ е/см³, после чего обеспечивать достаточно медленный распад объемной плазмы в течение t_пл=10-100 мкс и более. При таком режиме фотоионизации реализуется нестационарный фотоионизационный разряд, и при переходе к импульсно-периодическому возбуждению с величиной скважности А=Т_ф/t_пл≤1 реализуется квазинепрерывный режим генерации. Выбор присадки влияет на характер распада плазмы и определяет частотные характеристики лазера. В случае CO₂-лазера возможен выбор присадки NO с прилипательным механизмом распада плазмы, когда время распада плазмы равно t_пл=1/ν, здесь ν≈10⁵ с^-1 - коэффициент прилипания. Видно, что квазинепрерывный режим генерации СО₂-лазера возможен при высокой частоте следования импульсов фотоионизации F_ф≥100 кГц. Возможен выбор присадки NH₃ с рекомбинационным механизмом распада плазмы, когда t_пл=1/(β·n_е), где β≈10^-8 см³/с - коэффициент диссоциативной рекомбинации, n_е - концентрация электронов объемной плазмы. В этом случае возможен более длительный распад плазмы порядка 100 мкс и квазинепрерывный режим генерации возможен при умеренной частоте следования импульсов фотоионизации F_ф≥10 кГц. Кроме того, изобретение позволяет улучшить устойчивость объемного разряда за счет использования коротковолнового УФ излучения, облучающего электроды. Отметим, что коэффициент фотоэмиссии γ резко возрастает при переходе к использованию фотонов с энергией Е_ф≥10 эВ и достигает величины γ~0,1, что на несколько порядков превышает значение γ при использовании УФ излучения с малой энергией фотонов порядка 7 эВ.The present invention allows for the organization of a pulse-periodic or quasi-continuous (photoionization) discharge during the pulse-periodic exposure of a short-wavelength microsecond UV radiation to an additive with a low boiling point. Obtaining short-wave UV radiation with a sufficiently high intensity is possible in gas-discharge devices based on Z-micropins with a radiation duration of the order of t _f ≤1 μs, while the repetition rate of photoionization pulses F _f or the repetition period T _f = 1 / F _f can reach values of the order of 10 -100 μs. The short duration of the UV radiation is associated with the need to hold the radiating plasma from the Z-micropinches expansion and heating to temperatures T≥30000 K. Quasicontinuous discharge when excited CO ₂ laser is possible when using the UV radiation passing through the "window transparency" in the photoabsorption spectrum of CO _2, when Δλ≈120 ± 5 nm. In this case, the CO ₂ gas can be considered as a gas filter that transmits a photon flux in this spectral range with a small absorption coefficient K. The gas additive should undergo direct photoionization by this UV radiation flux and provide a peak value of the electron concentration in the discharge at the end of the photoionization pulse of the order of n _e ≥10 ¹¹ e / cm ³ , and then ensure a sufficiently slow decay of the bulk plasma during t _PL = 10-100 μs and more. In this photoionization mode, a non-stationary photoionization discharge is realized, and upon transition to pulse-periodic excitation with a duty cycle of A = T _f / t _PL ≤1, a quasi-continuous generation mode is realized. The choice of additive affects the nature of the decay of the plasma and determines the frequency characteristics of the laser. In the case of CO ₂ laser can be selected with NO additives tackifier mechanism plasma decay when the plasma decay time equal to t _m = 1 / ν, here ν≈10 ⁵ s ^-1 - sticking coefficient. It is seen that the quasi-continuous mode of generation of a CO ₂ laser is possible at a high repetition rate of photoionization pulses F _f ≥100 kHz. It is possible to choose an additive NH ₃ with a recombination mechanism of plasma decay when t _PL = 1 / (β · n _e ), where β≈10 ^-8 cm ³ / s is the dissociative recombination coefficient, n _e is the electron concentration of the bulk plasma. In this case, a longer plasma decay of the order of 100 μs is possible and a quasi-continuous generation mode is possible at a moderate repetition rate of photoionization pulses F _f ≥10 kHz. In addition, the invention improves the stability of the volume discharge through the use of short-wave UV radiation irradiating the electrodes. Note that the photoemission coefficient γ increases sharply when using photons with an energy E _f ≥10 eV and reaches a value of γ ~ 0.1, which is several orders of magnitude higher than γ when using UV radiation with a low photon energy of about 7 eV.

В предлагаемой фотоионизационной системе возбуждения (ФСВ) лазерных и плазмохимических сред импульсно-периодический фотоионизатор должен работать с периодом повторения импульсов коротковолнового УФ излучения меньшим, чем время распада фотоионизационной плазмы, когда А≤1. Здесь А - скважность импульсов фотоионизационного разряда.In the proposed photoionization excitation system (FSV) of laser and plasma-chemical media, a pulse-periodic photoionizer should operate with a pulse repetition period of short-wave UV radiation shorter than the decay time of the photoionization plasma, when A≤1. Here A is the duty cycle of the photoionization discharge pulses.

Изобретение представляет собой устройство квазинепрерывного фотоионизационного возбуждения плотных лазерных сред, содержащее плоскопараллельные сетчатые электроды, образующие газоразрядный промежуток, средство для прокачивания между электродами лазерной среды с легкоионизуемой газовой присадкой, фотоионизатор с импульсно-периодическим источником высоковольтного питания и емкостный накопитель энергии, подключенный к электродам, в котором с целью повышения устойчивости объемного разряда и энерговклада в лазерную смесь газов, фотоионизатор выполнен в виде импульсно-периодических источников ультрафиолетового излучения, интенсивно излучающих в спектральном диапазоне Δλ≈115-125 нм, расположенных с внешних сторон сетчатых электродов, что позволяет создавать встречные потоки фотонов через электроды, расстояние между которыми равно длине пробега фотона l_ф≈1/(n_пр·σ_пр), где n_пр - концентрация присадки, σ_пр - сечение фотоионизации присадки, при этом в качестве присадок выбираются молекулярные или атомарные газы с низкой температурой кипения и потенциалом фотоионизации, не превышающим энергию фотонов. При этом фотоионизатор выполнен в виде источников ультрафиолетового излучения, представляющих собой набор щелевых газоразрядных промежутков с размером щели не более 1 мм, расположенных вдоль электродов с шагом не более 1 см в виде линейки или в виде матрицы с погонной плотностью не более 1 см^-1, при этом излучающая площадь фотоионизатора составляет не менее 0,5-0,9 от площади облучаемых электродов, а лазерная среда представляет собой газовую смесь на основе СО₂:N₂:Не с присадкой NO или NH₃, при этом концентрация присадки составляет n_пр<1%. Способ квазинепрерывного фотоионизационного возбуждения плотных лазерных сред представляет собой поддержание объемного плазменного разряда при импульсно-периодическим облучении фотонами лазерной смеси с легкоионизуемой газовой присадкой, прокачиваемой через газоразрядную камеру вдоль сетчатых электродов, при этом длительность фотоионизации t_ф≤1 мкс при скорости рождения электронов S≥10¹⁷ е/с, а период следования импульсов фотоионизации составляет величину Т_ф≤t_пл, где Т_ф - период следования импульсов фотоионизации, a t_пл - длительность распада объемной плазмы, определяемая выбором присадки и равная t_пл=1/ν, где ν - частота прилипания электронов в случае выбора присадки NO (прилипательный характер распада плазмы), и t_пл=1/(β·n_е), где β - коэффициент диссоциативной рекомбинации, n_е - концентрация электронов объемной плазмы в случае выбора присадки NH₃ (рекомбинационный характер распада плазмы).The invention is a device for quasi-continuous photoionization excitation of dense laser media, containing plane-parallel mesh electrodes forming a gas discharge gap, means for pumping between the electrodes of a laser medium with an easily ionizable gas additive, a photoionizer with a pulse-periodic high-voltage power supply and a capacitive energy storage device connected to the electrode which, in order to increase the stability of the volume discharge and the energy input into the laser gas mixture, oionizator designed as a pulse-periodic UV radiation sources emitting in intensive spectral range Δλ≈115-125 nm disposed on the outer sides mesh electrode that allows the creation of photon counter flows through the electrodes, the distance between which is the photon path length l _f ≈1 / (n _pr · σ _pr) , where n _pr is the concentration of the additive, σ _pr is the cross section for photoionization of the additive, and molecular or atomic gases with a low boiling point and photoionization potential are selected as additives and not exceeding the photon energy. In this case, the photoionizer is made in the form of ultraviolet radiation sources, which are a set of gap gas-discharge gaps with a gap size of not more than 1 mm located along the electrodes with a step of not more than 1 cm in the form of a ruler or in the form of a matrix with a linear density of not more than 1 cm ^-1 , the emitting area of the photoionizer is at least 0.5-0.9 of the area of the irradiated electrodes, and the laser medium is a gas mixture based on CO ₂ : N ₂ : Not with an additive of NO or NH ₃ , while the concentration of the additive is n _pr <1%. A method of quasi-continuous photoionization excitation of dense laser media is the maintenance of a volumetric plasma discharge upon pulse-periodic irradiation of a laser mixture with an easily ionizable gas additive pumped through a gas discharge chamber along mesh electrodes, with the photoionization duration t _f ≤1 μs at an electron production rate of S≥10 ¹⁷ f / s, and the repetition period of the photoionization pulses is T _f ≤t _pl , where T _f is the repetition period of the photoionization pulses, at _pl is the duration nost bulk plasma decay, defined for this additive and equal to t _m = 1 / ν, wherein ν - frequency electron attachment when selecting NO additive (tackifier character plasma decay) and t _m = 1 / (β · n _f), where β is the coefficient of dissociative recombination, n _e is the concentration of electrons in the bulk plasma in the case of the choice of the additive NH ₃ (the recombination character of plasma decay).

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг.1 представлена принципиальная схема фотоионизационной системы возбуждения проточной лазерной среды на основе СО₂ повышенного давления вплоть до атмосферного, что в определенных технологических целях позволяет организовать открытую систему накачки проточного лазера с упрощенной схемой вывода когерентного излучения.The invention is illustrated in the drawing, where Fig. 1 shows a schematic diagram of a photoionization system for exciting a flowing laser medium based on CO _{2 of} elevated pressure up to atmospheric pressure, which for certain technological purposes allows organizing an open pumping system for a flowing laser with a simplified scheme for outputting coherent radiation.

Фотоионизационная система возбуждения (ФСВ) представляет собой газоразрядную камеру, образованную двумя плоскопараллельными сетчатыми электродами: катодом 1 и анодом 2 с размерами h×b×l, где h - высота разрядного промежутка, b, l - ширина и длина электродов. Через электроды в поперечном направлении (b) прокачивается лазерная смесь газов 3, например СО₂:N₂:Не:NH₃. Здесь NH₃ - газовая присадка с низкой температурой кипения и потенциалом фотоионизации U_i=10,15 эВ для взаимодействия с коротковолновым УФ излучением, создаваемым газоразрядным источником 4, управляемым коммутатором 5. Электроды 1, 2 подключены к емкостному накопителю энергии C₁ с питанием от высоковольтного выпрямителя 6 для поддержания оптимального электрического поля в несамостоятельном разряде Е/р≈5 кВ/(см·атм) (где Е - напряженность электрического поля в разряде, а р - давление в газовой смеси), емкость работает в режиме частичного разряда, при котором напряжение снижается не более чем на 10%, коммутатор 5 подключен к генератору импульсов напряжения 7, а газоразрядный источник УФ 4 подключен к малоиндуктивному емкостному накопителю энергии С₂ с питанием от высоковольтного выпрямителя 8. Источник УФ 4, представляющий собой малоиндуктивный управляемый RCL-разрядный контур, создает поток фотонов, проходящих через электроды в поперечном направлении (h) и облучающих как газовую среду 3, так и электроды 1, 2. Фотоионизатор (4, 5) работает в режиме импульсно-периодического сильноточного разряда короткой длительности с апериодическими импульсами тока, при котором образуются многочисленные микрошнуры плазмы (Z-микропинчи) с температурой порядка Т≥30000 К.The photoionization excitation system (FSV) is a gas discharge chamber formed by two plane-parallel mesh electrodes: cathode 1 and anode 2 with dimensions h × b × l, where h is the height of the discharge gap, b, l is the width and length of the electrodes. A laser mixture of gases 3 is pumped through the electrodes in the transverse direction (b), for example, CO ₂ : N ₂ : He: NH ₃ . Here, NH ₃ is a gas additive with a low boiling point and photoionization potential U _i = 10.15 eV for interaction with short-wave UV radiation generated by a gas-discharge source 4 controlled by switch 5. The electrodes 1, 2 are connected to a capacitive energy storage device C ₁ powered by high-voltage rectifier 6 to maintain an optimal electric field in a non-self-sustaining discharge E / p≈5 kV / (cm · atm) (where E is the electric field strength in the discharge and p is the pressure in the gas mixture), the capacity operates in the partial discharge mode, at which the voltage decreases by no more than 10%, the switch 5 is connected to a voltage pulse generator 7, and the gas discharge source UV 4 is connected to a low inductive capacitive energy storage device C ₂ powered by a high voltage rectifier 8. The UV 4 source, which is a low inductance controlled RCL- The discharge circuit creates a flux of photons passing through the electrodes in the transverse direction (h) and irradiating both the gas medium 3 and the electrodes 1, 2. The photoionizer (4, 5) operates in the pulse-periodic high-current mode a series of short duration pulses with current aperiodic in which are formed numerous mikroshnury plasma (Z-micro- pinches) with a temperature of the order T≥30000 K.

Таким образом, система (ФСВ) состоит из трех основных блоков: газоразрядной камеры, образованной элементами 1, 2, 3 с блоком питания 6, фотоионизатора, образованного элементами 4, 5, подключенными к блокам питания 7, 8 и газодинамического тракта для создания газового потока 3.Thus, the system (FSV) consists of three main blocks: a gas discharge chamber formed by elements 1, 2, 3 with a power supply 6, a photoionizer formed by elements 4, 5 connected to power supplies 7, 8 and a gas-dynamic path to create a gas flow 3.

Фотоионизационная система возбуждения, например, лазерной среды на основе СО₂ работает следующим образом. На электроды 1, 2 поступает напряжение U₁ от емкости C₁ для создания приведенного электрического поля в разряде Е=U₁/h≈5 кВ/(см·атм), оптимального для возбуждения лазерной среды на основе СО₂. Величина напряжения на электродах U₁ ниже величины пробоя газового промежутка для реализации несамостоятельного объемного разряда. Источник УФ излучения создает импульсно-периодический поток фотонов с энергией Е_ф≥U_i=10,15 эВ, здесь U_i - потенциал фотоионизации аммиака NH₃ с сечением фотоионизации σ≈10^-17 см². Концентрация присадки выбирается из условия N=1/(b·σ), при этом b≈l_ф. Здесь l_ф - длина пробега фотонов с энергией Е_ф≥10,15 эВ. Как правило, концентрация аммиака N<1%. Отметим, что потенциал фотоионизации аммиака (или окиси азота) соответствует потоку УФ излучения, прошедшего через «окно прозрачности» в спектре фотопоглощения СО₂, когда Δλ≈120 нм±5 нм, Е_ф≈10,8-9,9 эВ. При этом углекислый газ СО₂ имеет в этом спектральном диапазоне небольшое поглощение, которое приводит к ограничению концентрации СО₂ в лазерной среде на уровне n₀≤10%. Другие газы (N₂:Не) практически прозрачны для выбранного УФ-излучения. Генерацию коротковолнового УФ излучения при использовании многозазорных разрядов со щелевыми электродами можно получить в сильноточных разрядах короткой длительности, когда создается линейка или матрица излучающих микрошнуров плазмы (Z - микропинчей). RCL - разрядный контур излучающего разряда обеспечивает повторяющийся с большой частотой апериодический импульс тока. УФ излучение с длительностью t_ф≤1 мкс облучает электроды 1, 2 и газовый слой 3 с периодом Т_ф≤t_пл, здесь t_пл - время существования (распада) объемной плазмы практически в постоянном электрическом поле Е/р. Таким образом, реализуется квазинепрерывный несамостоятельный объемный (фотоионизационный) разряд с мощностью энерговклада, достаточной для лазерной генерации. Необходимая мощность энерговклада достигается за счет выбора пиковой интенсивности УФ излучения. За время импульса УФ излучения достигается скорость рождения электронов S≥10¹⁷ е/с, после чего происходит распад плазмы в электрическом поле Е/р с временем существования t_пл. Таким образом, организовано горение нестационарного фотоионизационного разряда. Распад плазмы зависит от выбора присадки. При использовании аммиака t_пл≈100-200 мкс и квазинепрерывный режим возбуждения достигается при длительности повторных импульсов фотоионизации порядка 100 мкс (или частоте следования порядка 10 кГц). Интенсивность УФ излучения выбирается достаточной для создания пиковой концентрации электронов в объемном разряде порядка n_е≥10¹¹ е/см³ и реализации квазинепрерывной мощности энерговклада в объемный разряд, достаточной для появления положительного коэффициента усиления в лазерной среде. В этом случае возможен вывод лазерного излучения с помощью оптического резонатора и оптимизация энергетических характеристик лазера за счет изменения параметров фотоионизационной системы возбуждения.Photoionization excitation system, e.g., a laser medium based on CO ₂ operates as follows. A voltage U _{1 is} supplied to the electrodes 1, 2 from the capacitor C ₁ to create a reduced electric field in the discharge E = U ₁ / h≈5 kV / (cm · atm), which is optimal for excitation of a CO ₂ -based laser medium. The voltage value at the electrodes U _{1 is} lower than the breakdown value of the gas gap for the implementation of a non-self volume discharge. The UV radiation source creates a pulse-periodic photon flux with an energy E _f ≥U _i = 10.15 eV, here U _i is the photoionization potential of ammonia NH ₃ with a photoionization cross section σ≈10 ^-17 cm ² . The concentration of the additive is selected from the condition N = 1 / (b · σ), with b≈l _f . Here l _f is the mean free path of photons with an energy E _f ≥10.15 eV. Typically, ammonia concentration N <1%. Note that the photoionization potential of ammonia (or nitric oxide) corresponds to the flux of UV radiation transmitted through the “transparency window” in the CO ₂ photoabsorption spectrum, when Δλ≈120 nm ± 5 nm, Е _ph ≈10.8-9.9 eV. In this case, carbon dioxide CO ₂ has a small absorption in this spectral range, which leads to a limitation of the concentration of CO ₂ in the laser medium at a level of n ₀ ≤10%. Other gases (N ₂ : He) are practically transparent to the selected UV radiation. The generation of short-wave UV radiation using multi-gap discharges with gap electrodes can be obtained in high-current discharges of short duration, when a line or matrix of emitting plasma microcords (Z - micropins) is created. RCL - a discharge loop of a radiating discharge provides an aperiodic current pulse repeating with a high frequency. UV radiation with a duration of t _f ≤1 μs irradiates the electrodes 1, 2 and the gas layer 3 with a period T _f ≤t _pl , here t _pl is the lifetime (decay) of the bulk plasma in almost a constant electric field E / p. Thus, a quasicontinuous non-self-sustaining volume (photoionization) discharge is realized with an energy input power sufficient for laser generation. The necessary power input is achieved by choosing the peak intensity of UV radiation. During the pulse of UV radiation, an electron production rate of S≥10 ¹⁷ e / s is achieved, after which the plasma decays in an electric field E / p with a lifetime t _pl . Thus, the combustion of a non-stationary photoionization discharge is organized. The decay of plasma depends on the choice of additive. When using ammonia, t _PL ≈ 100-200 μs and a quasi-continuous excitation regime is achieved when the duration of repeated photoionization pulses is of the order of 100 μs (or a repetition rate of the order of 10 kHz). The UV radiation intensity is selected sufficient to create a peak electron concentration in the volume discharge of the order of n _e ≥10 ¹¹ e / cm ³ and to realize the quasi-continuous power of the energy input into the volume discharge, sufficient for the appearance of a positive gain in the laser medium. In this case, it is possible to output laser radiation using an optical resonator and to optimize the laser energy characteristics by changing the parameters of the photoionization excitation system.

В результате экспериментальных исследований проверены и получены физико-технические характеристики способа и устройства квазинепрерывного фотоионизационного возбуждения плотных лазерных сред на примере фотоионизационного СО₂-лазера, фиг.2-5.As a result of experimental studies, the physical and technical characteristics of the method and device for quasi-continuous photoionization excitation of dense laser media were verified and obtained using the example of a photoionization CO ₂ laser, FIGS. 2-5.

Конструкция фотоионизационной системы возбуждения лазерных сред позволяет проводить ее масштабирование в широком диапазоне линейных размеров, форма газоразрядной камеры может быть плоской или цилиндрической. Фотоионизационная система возбуждения плотных газовых сред может найти применение при создании мощных технологических лазеров на основе СО₂, СО, Ar-Хе, О₂:I₂, а также при создании плазмохимических реакторов, например, на основе N₂:O₃, в применении которых широко заинтересованы научные и технологические центры.The design of the photoionization system for exciting laser media allows it to be scaled in a wide range of linear dimensions, the shape of the gas discharge chamber can be flat or cylindrical. The photoionization system for the excitation of dense gas media can find application in the creation of powerful technological lasers based on СО ₂ , СО, Ar-Хе, О ₂ : I ₂ , and also when creating plasma-chemical reactors, for example, based on N ₂ : O ₃ , in application which are widely interested in scientific and technological centers.

Предлагаемое изобретение позволяет существенно улучшить схему организации импульсно-периодического (квазинепрерывного) несамостоятельного разряда, как одного из наиболее эффективных способов накачки плотных лазерных сред вплоть до атмосферного давления и выше. Благодаря этому открывается возможность создания проточных лазеров с открытым разрядом и достаточно продолжительным временем запуска, что важно для технологических целей. Кроме того, предлагаемое изобретение позволяет существенно упростить конструкцию, эксплуатацию и улучшить весо-габаритные характеристики мощных лазеров, повысить их надежность, безопасность и экономическую эффективность.The present invention allows to significantly improve the organization of a pulse-periodic (quasi-continuous) non-self-sustained discharge, as one of the most effective methods of pumping dense laser media up to atmospheric pressure and above. This opens up the possibility of creating flow lasers with an open discharge and a sufficiently long start time, which is important for technological purposes. In addition, the present invention can significantly simplify the design, operation and improve weight and size characteristics of high-power lasers, increase their reliability, safety and economic efficiency.

Источники информацииInformation sources

1. Daugherty I.D., Douglas-Hamilton D.H., Patrik R.M. et al. Laser or ozone generator in wich a broad electron beam with sustainer field produce a large area, uniform discharge. USA Patent No 3702973, H01S 3/00, 14.11.1972.1. Daugherty I.D., Douglas-Hamilton D.H., Patrik R.M. et al. Laser or ozone generator in wich a broad electron beam with sustainer field produce a large area, uniform discharge. USA Patent No. 3702973, H01S 3/00, 11/14/1972.

2. Борисов В.М., Гладуш Г.П., Степанов Ю.Ю. Фотоионизация в импульсном СО₂-лазере // Квантовая электроника, 1977, т.4, №4, с.809-814.2. Borisov V.M., Gladush G.P., Stepanov Yu.Yu. Photoionization in a pulsed CO ₂ laser // Quantum Electronics, 1977, v. 4, No. 4, pp. 809-814.

Claims (4)

1. Устройство квазинепрерывного фотоионизационного возбуждения плотных лазерных сред, содержащее плоскопараллельные сетчатые электроды, образующие газоразрядный промежуток, средство для прокачивания между электродами лазерной среды с легкоионизуемой газовой присадкой, фотоионизатор с импульсно-периодическим источником высоковольтного питания и емкостной накопитель энергии, подключенный к электродам, отличающееся тем, что, с целью повышения устойчивости объемного разряда и энерговклада в лазерную смесь газов, фотоионизатор выполнен в виде линейки или матрицы щелевых газоразрядных источников УФ, интенсивно излучающих в спектральном диапазоне Δλ≈115-125 нм, расположенных с внешних сторон сетчатых электродов и создающих встречные потоки фотонов через электроды, расстояние между которыми равно длине пробега фотона l_ф≈l/n_пр·σ_пр, где n_пр - концентрация присадки, σ_пр - сечение фотоионизации присадки, при этом в качестве присадок выбираются молекулярные или атомарные газы с низкой температурой кипения и потенциалом фотоионизации, не превышающим энергию фотонов.1. A device for quasi-continuous photoionization excitation of dense laser media, containing plane-parallel mesh electrodes forming a gas discharge gap, means for pumping between the electrodes of a laser medium with an easily ionizable gas additive, a photoionizer with a pulse-periodic high-voltage power supply and capacitive energy storage connected to the electrodes, that, in order to increase the stability of the volume discharge and the energy input into the laser gas mixture, the photoionizer performed ene as a line or matrix discharge gap UV sources intensively emitting in the spectral range Δλ≈115-125 nm disposed on the outer sides of mesh electrodes and create photon flux through the counter electrodes, the distance between which is the photon path length l _f ≈l / n _pr · σ _pr , where n _pr is the concentration of the additive, σ _pr is the cross section for photoionization of the additive, and molecular or atomic gases with a low boiling point and photoionization potential not exceeding the photon energy are selected as additives. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что фотоионизатор выполнен в виде щелевых источников ультрафиолетового излучения, представляющих собой набор щелевых газоразрядных промежутков с размером щели не более 1 мм, расположенных вдоль электродов с шагом не более 1 см в виде линейки или в виде матрицы с погонной плотностью не более 1 см^-1, при этом излучающая площадь фотоионизатора составляет не менее 0,5-0,9 от площади облучаемых электродов.2. The device according to claim 1, characterized in that the photoionizer is made in the form of gap ultraviolet radiation sources, which are a set of gap gas-discharge gaps with a gap size of not more than 1 mm, located along the electrodes with a step of not more than 1 cm in the form of a ruler or in the form matrix with a linear density of not more than 1 cm ^-1 , while the radiating area of the photoionizer is at least 0.5-0.9 of the area of the irradiated electrodes. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что лазерная среда представляет собой газовую смесь на основе CO₂:N₂:He с присадкой NO или NH₃, при этом концентрация СО₂ составляет n_о≤10%, а присадки n_пр<1%.3. The device according to claim 1, characterized in that the laser medium is a gas mixture based on CO ₂ : N ₂ : He with an additive of NO or NH ₃ , while the concentration of CO ₂ is n _about ≤10%, and additives n _pr <1%. 4. Способ квазинепрерывного фотоионизационного возбуждения плотных лазерных сред, включающий прокачивание лазерной смеси с легкоионизуемой газовой присадкой через газоразрядную камеру вдоль сетчатых электродов, облучение газовой смеси фотонами, возбуждение горения объемного плазменного разряда, отличающийся тем, что с целью повышения устойчивости объемного разряда и энерговклада в лазерную смесь газов, период следования импульсов фотоионизации составляет величину Т_ф≤t_пл, где Т_ф - период следования импульсов фотоионизации, a t_пл - длительность распада объемной плазмы, определяемая выбором присадки, и равная t_пл=1/ν, где ν - частота прилипания электронов в случае выбора присадки NO, и t_пл=1/β·n_e, где β - коэффициент диссоциативной рекомбинации, n_е - концентрация электронов объемной плазмы в случае выбора присадки NH₃. 4. A method for quasi-continuous photoionization excitation of dense laser media, including pumping a laser mixture with an easily ionizable gas additive through a gas discharge chamber along mesh electrodes, irradiating the gas mixture with photons, exciting the combustion of a volume plasma discharge, characterized in that in order to increase the stability of the volume discharge and energy input into the laser gas mixture, the photonization pulse repetition period is T _f ≤t _pl , where T _f is the photoionization pulse repetition period, at _pl - the decay time of the bulk plasma, determined by the choice of additive, and equal to t _PL = 1 / ν, where ν is the frequency of attachment of electrons in the case of choosing an additive NO, and t _PL = 1 / β · n _e , where β is the coefficient of dissociative recombination, n _e - the concentration of electrons in the bulk plasma in the case of the choice of additive NH ₃ .

Images