Газовый лазер (его варианты)

Газовый лазер (его варианты)

Реферат

 

(19)SU(11)1028217(13)A1(51)  МПК ⁵    _H01S3/09(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯк авторскому свидетельствуСтатус: по данным на 27.12.2012 - прекратил действиеПошлина:

(54) ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР (ЕГО ВАРИАНТЫ)

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при создании и разработке газовых, в том числе на парах металлов, лазеров. Известен газовый лазер, имеющий резонатор, образованный двумя зеркалами, содержащий разрядную трубку, расположенную внутри резонатора и наполненную газовой смесью или смесью газа и паров металла, например кадмия, и имеющий устройство для прикладывания магнитного поля, которое направлено поперечно оси разрядной трубки. Устройство для создания поперечного магнитного поля может содержать несколько электромагнитов или постоянных магнитов. Механизм воздействия поперечного магнитного поля следующий. Заряженные частицы плазмы газового лазера в поперечном магнитном поле получают дополнительное ускорение в направлении стенок капилляра, где и происходит их нейтрализация. Вследствие этого в разряде падает концентрация заряженных частиц, что в свою очередь приводит к увеличению напряженности продольного электрического поля, т.е. растет энергия заряженных частиц, приобретаемая в продольном электрическом поле. Это приводит к росту электронной температуры в разряде, а следовательно, и к росту числа актов возбуждения, что способствует росту инверсии населенности уровней и, в конечном счете, росту мощности генерации лазера. Для воздействия на параметры плазмы с целью увеличения мощности генерации необходима напряженность магнитного поля величиной несколько эрстед. Из приведенной в описании известного лазера зависимости мощности излучения газового лазера от напряженности поперечного магнитного поля видно, что при напряженности магнитного поля до 100 Э параметры плазмы не изменяются, и положительный эффект не наблюдается. Существенным недостатком известного лазера является наличие поперечного магнитного поля высокой (более 100 Э) напряженности, что приводит к усилению ионной бомбардировки стенок разрядной трубки и быстрому разрушению последней. Кроме того, создание сильного (более 100 Э) поля требует применения сильноточного источника питания, а наличие омических потерь в соленоиде электромагнита ведет к бесполезному выделению тепла в излучателе лазера и снижает коэффициент полезного действия (КРД) лазера в целом. Известен также газовый лазер, имеющий устройство для приложения магнитного поля, обеспечивающее одновременное наличие как продольного, так и поперечного магнитных полей. Устройство включает в себя два соленоида, которые расположены по обе стороны разрядной трубки и создают поперечное магнитное поле, и соленоид, намотанный на разрядную трубку, создающий продольное магнитное поле. Принцип достижения положительного эффекта (управления мощностью излучения лазера) также основан на изменении параметров плазмы газового разряда, т.е. предполагает создание сильных (более 100 Э) полей. Недостатками указанного лазера являются необходимость применения сильноточного источника для питания электромагнитов; наличие омических потерь в соленоидах, приводящих к снижению КПД лазера; наличие дополнительной ионной бомбардировки стенок разрядной трубки. Наиболее близким к предлагаемому является газовый лазер, содержащий разрядную трубку и систему постоянных магнитов, расположенных вдоль трубки, причем соседние магниты системы имеют противоположные направления полярности. В известном устройстве постоянные магниты, выполненные в виде брусков, расположены на опорной пластине, смежной с разрядной трубкой. Каждый магнит намагничен вертикально и закреплен так, что его ось (линия, соединяющая разноименные полюса) лежит в плоскости, перпендикулярной оси разрядной трубки и не пересекает сечения разрядной трубки. Такая установка каждого из магнитов позволяет создать внутри разрядной трубки однородное поперечное магнитное поле. Полярность магнитов чередуется вдоль трубки с целью создания неоднородного отклонения поля от одного магнита к другому. Такая цепь магнитов создает поперечное магнитное поле с периодически изменяющимся направлением. Наличие указанной цепи постоянных магнитов позволило в известном лазере создать настолько сильное поперечное магнитное поле, что зеемановское расщепление компонент для одной из конкурирующих линий генерации оказалось больше ширины контура усиления, что и привело к срыву генерации на данной линии и соответственно к увеличению мощности излучения на оставшемся переходе. Недостатки известного лазера заключаются в том, что имеющаяся в нем система магнитов создает только поперечное магнитное поле, неоднородное по величине, и не создает продольного магнитного поля, т.е. теряется прибавка мощности за счет введения продольного поля, а также в том, что наличие сильного, порядка нескольких сотен эрстед, магнитного поля, необходимого для раздвижения зеемановских компонент, сравнимого с шириной контура усиления линии (1000 МГц), ведет к усилению ионной бомбардировки стенок разрядной трубки и сокращению долговечности последней. Целью изобретения является повышение мощности излучения и долговечности газового лазера. Указанная цель достигается тем, что в газовом лазере, содержащем разрядную трубку и систему постоянных магнитов, расположенных вдоль трубки, причем соседние магниты системы имеют противоположные направления полярности, магниты выполнены в виде дисков и установлены так, что ось каждого из них перпендикулярна оси разрядной трубки и пересекает ее, при этом расстояния между соседними магнитами Z и от поверхности магнита до оси разрядной трубки l удовлетворяют следующим соотношениям: 3d Z d; t l t , где t - толщина диска магнита; d - диаметр диска магнита; H_o - напряженность поля на расстоянии 0,75 мм от центра торцевой поверхности магнита в эрстедах. Указанная цель достигается также тем, что в газовый лазер введена дополнительная система магнитов, размещенных параллельно магнитам первой системы с противоположной стороны трубки, при этом в дополнительной системе магниты расположены по направлению к оси разрядной трубки одноименными полюсами, в обеих системах магниты выполнены в виде дисков, установлены вплотную друг к другу так, что ось каждого из них перпендикулярна оси разрядной трубки и пересекает ее, причем расстояние от поверхности магнитов до оси разрядной трубки l удовлетворяет соотношению t l t , где t - толщина диска магнита; H_o - напряженность поля на расстоянии 0,75 мм от центра торцевой поверхности магнита в эрстедах. Во втором варианте выполнения одна из систем магнитов создает поперечное, а вторая - продольное магнитные поля. В этом случае имеется возможность раздельной регулировки величины продольного и поперечного магнитных полей. На фиг. 1 изображен участок разрядной трубки с системой постоянных магнитов, первый вариант выполнения; на фиг. 2 - то же, поперечное сечение; на фиг. 3 - участок разрядной трубки, второй вариант выполнения; на фиг. 4 - то же, поперечное сечение. Постоянные магниты 1, представляющие собой диски диаметром d и толщиной t, закреплены на определенном расстоянии от оси капилляра 2 на опорной пластине 3. Расстояние между магнитами равно Z. Во втором варианте дополнительная система магнитов размещена на верхней опорной пластине 4. В обоих вариантах устройства внутри разрядной трубки создаются как поперечное, так и продольное магнитные поля, которые снижают степень насыщения коэффициента усиления (разрушают выстраивание атомных или ионных состояний), тем самым увеличивается мощность излучения и долговечность лазера. Ограничение снизу Z d вызвано тем, что при более плотной (Z < d) или сплошной (Z = 0) установке магнитов, в соответствии с первым вариантом изобретения, поле становится квазипоперечным (при установке одноименными полюсами и в сторону оси разрядной трубки) или квазипродольным (при установке магнитов с чередующейся полярностью). При выборе интервала Z > 3d поле становится резко неоднородным по величине, что приводит к уменьшению прироста мощности излучения при введении магнитного поля. Известно, что напряженность магнитного поля, создаваемого постоянным магнитом, уменьшается при удалении от поверхности магнита. Согласно обоим вариантам изобретения для расстояний, значительно превышающих толщину магнита (l >> t), магнитная индукция снижается обратно пропорционально квадрату расстоя ния. Ограничение снизу t l задает максимальную величину магнитного поля не более 100 Э. Ограничение сверху задает минимальную величину магнитного поля не менее 10 Э, обеспечивающего наличие положительного эффекта. Увеличение мощности генерации происходит за счет разрушения выстраивания атомных состояний. Так как выстраивание атомных состояний происходит как в плоскости направления распространения излучения, так и в плоскости, перпендикулярной этому направлению, то для разрушения выстраивания необходимо применение как продольного, так и поперечного магнитных полей. Важно отметить, что для разрушения выстраивания атомных состояний требуется магнитное поле напряженностью 10 - 100 Э. При таких полях не происходят изменения параметров плазмы, а следовательно, не растет и ионная бомбардировка стенок капилляра. Рассмотрим работу газового лазера, выполненного согласно первому варианту изобретения, на примере He-Cd-лазере с излучением как на длине волны 441,6 мм, так и на длине волны 325,0 нм на расстоянии l = 30 мм от оси трубки были размещены постоянные магниты, представляющие собой диски из ферромагнитного сплава диаметром 20 мм и толщиной 5 мм. Магниты были закреплены на пластине из алюминиевого сплава, являющейся одновременно экраном, защищающим несущую конструкцию резонатора от потока тепла, выделяемого разрядом, и расположены на расстоянии Z = 25 мм друг от друга. Напряженность магнитного поля на оси разрядной трубки составляла 20 Э. Мощность излучения возросла по сравнению с лазером без магнитного поля, при этом роста ионной бомбардировки не наблюдалось. Аналогичный положительный эффект получен и при опробовании второго варианта изобретения. В He-Cd-лазере, выполненном согласно второму варианту, верхняя опорная пластина одновременно являлась экраном, препятствующим распространению спонтанного излучения разряда за пределы излучателя лазера. Размещение постоянных магнитов в соответствии с предложенным изобретением увеличивает мощность излучения лазеров, в которых до настоящего времени магнитное поле не применялось из-за быстрого разрушения материала, из которого выполнена разрядная трубка, а следовательно, и повышает процент выхода годных изделий в условиях серийного производства. При этом увеличивается долговечность газовых лазеров по сравнению с известными конструкциями, в которых применялось сильное магнитное поле.

Формула изобретения

1. Газовый лазер, содержащий разрядную трубку и систему постоянных магнитов, расположенных вдоль трубки, причем соседние магниты систем имеют противоположные направления полярности, отличающийся тем, что, с целью повышения мощности излучения и долговечности лазера, магниты выполнены в виде дисков и установлены так, что ось каждого из них перпендикулярна оси разрядной трубки и пересекает ее, при этом расстояние между соседними магнитами Z и от поверхности магнита до оси разрядной трубки l удовлетворяют следующим соотношениям: 3d Z d; t l t , где t - толщина диска магнита; d - диаметр диска магнита; H_о - напряженность поля на расстоянии 0,75 мм от центра торцевой поверхности магнита в аэрстедах. 2. Газовый лазер, содержащий разрядную трубку и систему постоянных магнитов, расположенных вдоль трубки, причем соседние магниты системы имеют противоположные направления полярности, отличающийся тем, что, с целью повышения мощности излучения и долговечности лазера, в него введена дополнительная система магнитов, размещенных параллельно магнитам первой системы с противоположной стороны трубки, при этом в дополнительной системе магниты расположены по направлению к оси разрядной трубки одноименными полюсами, в обеих системах магниты выполнены в виде дисков, установлены вплотную друг к другу так, что ось каждого из них перпендикулярна оси разрядной трубки и пересекает ее, причем расстояние от поверхности магнитов до оси разрядной трубки l удовлетворяет соотношению t l t ,, где t - толщина диска магнита; H_о - напряженность поля на расстоянии 0,75 мм от центра торцевой поверхности магнита в эрстедах.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4