способ получения когерентного излучения

Формула изобретения

Способ получения когерентного излучения, заключающийся в преобразовании энергии двух источников электрической энергии в энергию двух электронных пучков различной интенсивности, преобразовании части энергии одного из пучков в тормозное излучение, передаче энергии тормозного излучения активной среде, находящейся в объеме резонатора, и последующей передаче ей энергии другого электронного пучка, преобразовании доли энергии частиц активной среды в электромагнитное излучение, его селекцию, усиление и вывод, отличающийся тем, что сформированным когерентным излучением воздействуют на дополнительный ионизатор, выполненный в виде полупрозрачной решетки, преобразуя часть излучения в некогерентное излучение, одновременно воздействуют на активную среду, расположенную вне межэлектродного промежутка, тормозным, некогерентным и оставшейся частью когерентного излучения, ионизуя при этом активную среду тормозным и некогерентным излучением и усиливая оставшуюся часть когерентного излучения, после чего направляют усиленное когерентное излучение соосно с резонатором источника когерентного излучения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано для создания газовых источников когерентного излучения.

Известен способ [1] получения когерентного излучения, использующий трехэлектродную систему, в которой предварительная ионизация активной среды осуществляется кратковременным диффузным разрядом, формируемым непосредственно в рабочем промежутке, а возбуждение обеспечивает последующий сильноточный объемный разряд (при U=200 кВ), причем для создания пучков используют два различных источника питания. Использование этого способа позволяет получить генерацию ограниченного спектрального состава излучения и со значительными энергетическими потерями при возбуждении активной среды, вследствие затрат энергии на образование ударных и акустических волн при разряде, невозможность эффективного использования части активной среды, расположенной вне электродов, а также принципиальную невозможность работы в частотно-периодическом режиме ввиду отсутствия коммутирующих элементов, работающих при таких высоких напряжениях, необходимость биологической защиты.

Наиболее близким по технической сущности решением, выбранным автором за прототип, является способ [2] получения когерентного излучения с накачкой объемным самостоятельным разрядом и предыонизацией мягким рентгеновским излучением, включающий преобразование энергии двух источников питания в энергию двух электронных пучков, один из которых создает предыонизацию с помощью тормозного излучения в канале основного самостоятельного разряда. Этот способ позволяет использовать низковольтные источники питания, однако обладает рядом недостатков, что и способ [1].

С помощью предлагаемого изобретения достигается технический результат, заключающийся в расширении спектра излучения источника как в импульсном, так и в частотно-периодическом режимах с одновременным увеличением выходной энергии источника когерентного излучения.

В соответствии с предлагаемым изобретением технический результат достигается тем, что в способе получения когерентного излучения, заключающемся в преобразовании энергии двух источников электрической энергии в энергию двух электронных пучков различной интенсивности, преобразовании части энергии одного из пучков в тормозное излучение, передаче энергии тормозного излучения активной среде, находящейся в объеме резонатора, и последующей передаче ей энергии другого электронного пучка, преобразовании доли энергии частиц активной среды в электромагнитное излучение, его селекцию, усиление и вывод, сформированным когерентным излучением воздействуют на материальную среду, преобразуя часть излучения в некогерентное излучение, одновременно воздействуют на активную среду, расположенную вне междуэлектродного промежутка, тормозным, некогерентным и оставшейся частью когерентного излучения, ионизуя при этом эту активную среду тормозным и некогерентным излучениями и усиливая оставшуюся часть когерентного излучения, после чего направляют усиленное когерентное излучение соосно с резонатором источника когерентного излучения.

На чертеже представлено устройство, реализующее предложенный способ, где:

1 - источники питания с блоками управления;

2 - активная среда в межэлектродном промежутке;

3 - активная среда в соосном объеме;

4 - распределительная сетка с катодом предыонизатора;

5 - фольга с несущей конструкцией;

6 - электроды основного разряда;

7 - глухое зеркало резонатора;

8 - широкополосное зеркало или комплект зеркал;

9 - система вакуумирования и напуска активных сред;

10 - система перемешивания активной среды;

11 - дополнительный ионизатор;

12 - кювета;

13 - блоки управления.

Способ реализуется следующим образом. После откачки кюветы 12 и напуска активной среды системой 9 (для определенности рассмотрим среду CO₂-лазера микросекундной длительности), на катод предыонизатора 4 подается импульс высокого напряжения с источника питания 1, сформированный блоком управления 13. Вследствие этого формируется локально неоднородное электрическое поле. В области расположения n элементов распределительной сетки, на стороне, противоположной катоду 4, формируется неоднородное электрическое поле, определяемое суперпозицией однородного и локального полей. Результирующая напряженность поля может быть определена по формуле [3]:

- grad =E(r)=E₀(1+R²/r²), (1)

где r -расстояние от сетки;

- потенциал электрического поля;

R - радиус провода сетки.

В результате часть электронов будет иметь одинаковую энергию, определенную в соответствии с напряженностью электрического поля, вычисленную по формуле (1).

При установившемся состоянии плазмы в электрическом разряде существует равновесие между силой, тормозящей электроны за счет столкновений, и силой, ускоряющей их в электрическом поле. В этом случае уравнение движения можно записать в виде:

m_{e ei} v_т=E_e, (2)

где E - напряженность суперпозиционного электрического поля, определяется по формуле (1);

e, m_e - заряд и масса электрона соответственно;

V_т - скорость электрона;

_ei - частота столкновений электронов концентрации n с ионами среды [4];



где Z - заряд иона (в единицах элементарного заряда);

ln - кулоновский логарифм.

Анализируя формулу (2), видим, что сила трения оказывается обратно пропорциональной v_т² и при достаточно больших скоростях, определяемых с помощью формулы (1), силой eE, она может быть сколь угодно малой и электрон будет неограниченно ускоряться.

Аналогичный вывод можно сделать и для других электронных пучков, которые выделены благодаря наличию сетки, находящейся перед катодом. После прихода высокоэнергетических электронов на фольгу 5 и в результате торможения, в ней возникает тормозное излучение со сплошным спектром и граничной длиной волны [5]:

_гр = eU_эф/h,

где e - заряд электрона;

h - постоянная Планка;

U_эф = dE₀(1+R²)/r², (4)

d - расстояние между электродами.

Таким образом, нет необходимости обеспечивать высокое напряжение на предыонизаторе для ускорения всех электронов в канале предыонизаторa, а достаточно выделить лишь некоторую группу и за счет перераспределения поля в разрядном промежутке обеспечить им достаточно большую энергию для получения интенсивного тормозного излучения, возбуждающего частицы активной среды в основном разряде. После включения основного разряда в резонаторе лазера возникает когерентное излучение.

После усиления в объеме активной среды 2 (между электродами основного разряда 6) и одновременной селекцией в резонаторе, сформированном глухим зеркалом 7 и широкополосным (или зеркалом из комплекта) 8, часть излучения выводится из резонатора, а другая часть воздействует на дополнительный ионизатор 11, выполненный в виде полупрозрачной решетки. При достижении определенного порога интенсивности J~10⁶-10⁷ Вт/см² лазерного излучения с импульсом микросекундной длительности, имеющим вид лидирующего пучка с последующим длинным "хвостом" вблизи ионизатора 11, возникает два типа плазменных образований - факел паров и оптический разряд (лазерная искра) [6]. Характерная концентрация электронов в плазменных образованиях составляет ~ 10¹⁸ см^-3.

Значительные концентрации электронов были обнаружены для моментов от 30 нс после начала возникновения пробоя и существовали до 100 нс после начала пробоя [7]. Так как время инициирования плазмы зависит от скорости изменения интенсивности во времени, то есть от длительности переднего фронта [6], а начало возникновения плазмы определяется из соотношения

t₃=10^-2E_s, (5)

где E_s [Дж/см²] - энергия, пришедшая на единичную площадку к моменту времени t₃, то остальная часть импульса, не вносящая существенного вклада в образование плазмы, будет проходить через область со значительными электронными градиентами. По результатам экспериментальных исследований [6,7] размеры области в продольном и поперечном направлениях примерно одинаковы и составляют ~ 5 мм за время 10 нс.

Дополнительный источник электронов в соосном объеме 3 создается благодаря действию тормозного рентгеновского излучения, сформированного в межэлектродном промежутке. При малых ускоряющих напряжениях (до 50 кВ) рентгеновское тормозное излучение является сферически симметричным [5]. Для типичной лазерной смеси CO₂-лазера (P=1 атм) средние концентрации электронов предыонизации составляют ~10⁹ см³ на расстоянии до 40 см от поверхности фольги [8].

Таким образом в результате совместного действия некогерентного излучения плазмы и тормозного излучения в соосном объеме создается начальная концентрация электронов, заведомо превышающая пороговую концентрацию 10⁵ см^-3 [9], необходимую для зажигания объемного разряда.

Произведем расчет энергии электронов, находящихся в соосном объеме, расположенном на различных расстояниях от электродов основного разряда. Вследствие неоднородности электрического поля между электродами основного разряда (краевые эффекты) межэлектродная емкость увеличивается на величину [3]:



где C - емкость в фарадах;

L - ширина электродов;

d - расстояние между электродами;

S - площадь электродов.

В дипольном приближении считаем, что заряд q локализован на краях электродов, расположенных в непосредственной близости к соосному объему (так как геометрия электродов имеет здесь наибольшую кривизну поверхности). Тогда напряженность электрического поля на некотором расстоянии от электродов определяется по формуле [10]:



где q = CU - полный избыточный заряд;

U - напряжение на электродах;

r - расстояние от края электродов;

= 1/2 - коэффициент, учитывающий наличие двух эквивалентных краев электродов.

Учитывая (6), получим:



где L = 310^-2 м;

l = 1,3-10^-1 м - длина электродов;

d = 310^-2 м;

S =410^-3 м².

И, окончательно:



Благодаря силе, действующей со стороны поля на электрон, ему сообщается энергия на длине свободного пробега:

W = eE, (10)

где

средняя скорость теплового движения (для случая максвелловского распределения по скоростям);

K - постоянная Больцмана;

T - температура смеси;

m - масса электрона;

_ei - 1,410⁹ с^-1 - частота электрон-ионных соударений, которая определяется по формуле (3).

Тогда





Из (12) видно, что энергии электронов достаточно для возбуждения колебательных уровней молекул CO₂, N₂ [11]. Таким образом активная среда, расположенная в соосном электродам объеме длиной y~10 см, является усиливающей для части импульса CO₂-лазера. Благодаря этому увеличивается и выходная энергия источника некогерентного излучения.

Дополнительно следует отметить, что спектр излучения может быть отличным от спектра CO₂-лаэера, так как предыонизация рентгеновским излучением совместно с накачкой электрическим разрядом является универсальным способом получения генерации на различных активных средах.

Использование перегруппировки электронного пучка по энергиям в предыонизаторе позволяет повысить уровень выходной энергии (при небольших вкладках в разряд), что тоже увеличивает коэффициент полезного действия источника когерентного излучения, избегая при этом затраты средств на устройство биологической защиты.

Источники информации, принятые во внимание:

1. В. Ф.Басманов, В.С.Босамыкин, В.В.Горохов и др., ЖТФ, 1982, т. 52, N 1, с.128.

2. А.Г.Гордейчик, А.Г.Масленников, А.А.Кучинский и др., "Квантовая электроника", 1991, т. 18, N 10, с. 1173 - прототип.

3. Л.Д.Ландау, Е.М.Лифшиц "Электродинамика сплошных сред", М., "Наука", 1982 г., с. 31, 36.

4. Л.Д.Ландау, Е.М.Лифшиц "Физическая кинетика", М., "Наука", с. 218.

5. Ф.Н.Хараджа "Общий курс рентгенотехники", М., "Энергия", 1966 г., с. 34, 47.

6. "Итоги науки и техники", Радиотехника, т. 31, М., 1983, с. 5, 36-37, 125.

7. Г.В.Островская, А.Н.Зайдель, УФН, 1973, т. 111, вып. 4, с. 594-595.

8. А.В.Козырев, Ю.Д.Королев и др., "Квантовая электроника", 1984, т. 11, с. 524.

9. В.Н.Карнюшин, Р.Н.Солоухин, ДАН СССР, 236, с. 347 (1977).

10. Л.Д.Ландау, Е.М.Лифшиц "Теория поля", М., "Наука", 1967 г., с. 132.

11. К.Пател, УФН, 1969, т. 97, вып. 4, с. 697.