RU2189679C2 - Process of pumping of active medium into continuous-wave gaseous-discharge laser with electrodes carrying dielectric coats - Google Patents

Process of pumping of active medium into continuous-wave gaseous-discharge laser with electrodes carrying dielectric coats Download PDF

Info

Publication number
RU2189679C2
RU2189679C2 RU2000116988A RU2000116988A RU2189679C2 RU 2189679 C2 RU2189679 C2 RU 2189679C2 RU 2000116988 A RU2000116988 A RU 2000116988A RU 2000116988 A RU2000116988 A RU 2000116988A RU 2189679 C2 RU2189679 C2 RU 2189679C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
active medium
discharge
continuous
pumping
electron
Prior art date
Application number
RU2000116988A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2000116988A (en
Inventor
Д.К. Медведев
В.И. Мышенков
А.М. Серегин
В.В. Синайский
Original Assignee
Государственное унитарное предприятие "НПО Астрофизика"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Государственное унитарное предприятие "НПО Астрофизика" filed Critical Государственное унитарное предприятие "НПО Астрофизика"
Priority to RU2000116988A priority Critical patent/RU2189679C2/en
Publication of RU2000116988A publication Critical patent/RU2000116988A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2189679C2 publication Critical patent/RU2189679C2/en

Links

Landscapes

  • Lasers (AREA)

Abstract

FIELD: quantum electronics, development of continuous-wave gaseous- discharge lasers. SUBSTANCE: process can also find use in other fields where it is necessary to excite large volumes of spatially-homogeneous plasma, for instance, in plasmochemistry. Traditional process of pumping of active medium into continuous- wave gaseous-discharge laser with electrodes carrying dielectric coat includes excitation of glow discharge by harmonic electric field, simultaneous stabilization of glow discharge by pulse voltage of audio frequency. Pulse length does not exceed 10-7 s. Amplitude U satisfies condition l≤2λi(e•U), where l is interelectrode space; e is electron charge; λi(e•U) - is length of free path of electron with energy e U relative to act of ionization. EFFECT: increased specific power injected into active medium of laser, raised power of coherent radiation picked off unit of volume of active medium.

Description

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано при создании газоразрядных лазеров непрерывного действия. Кроме того, оно может быть применено и в других областях, где необходимо возбуждать большие объемы пространственно-однородной плазмы, например в плазмохимии. The invention relates to the field of quantum electronics and can be used to create continuous discharge gas lasers. In addition, it can be applied in other areas where it is necessary to excite large volumes of spatially homogeneous plasma, for example, in plasma chemistry.

Известные в настоящее время способы получения пространственно-однородной плазмы большого объема для накачки активной среды газоразрядных лазеров, или для целей плазмохимии, ограничены по уровню вкладываемой в разряд удельной мощности из-за формирования контрагированных структур в результате развития ионизационных неустойчивостей [1]. Currently known methods for producing a spatially uniform large-volume plasma for pumping the active medium of gas-discharge lasers, or for plasma chemistry, are limited in terms of the specific power deposited in the discharge due to the formation of contracted structures as a result of the development of ionization instabilities [1].

Наиболее близким к предлагаемому изобретению, выбранным авторами изобретения за прототип, является способ накачки активной среды газоразрядного лазера с электродами с диэлектрическими покрытиями, включающий возбуждение тлеющего разряда гармоническим электрическим полем [2]. Closest to the proposed invention, selected by the inventors for the prototype, is a method of pumping the active medium of a gas-discharge laser with electrodes with dielectric coatings, including excitation of a glow discharge by a harmonic electric field [2].

Плазма такого разряда обладает сравнительно высокой устойчивостью по отношению к контракции благодаря стабилизирующей роли диэлектрических покрытий, выполняющих функцию распределенных в пространстве балластных сопротивлений. A plasma of such a discharge has a relatively high stability with respect to contraction due to the stabilizing role of dielectric coatings that perform the function of ballast resistances distributed in space.

Однако наличие этих покрытий не решает проблему контракции в должной мере. Дело в том, что существуют два типа ионизационных неустойчивостей, развитие одного из которых (пространственно-однородного) подавляется диэлектрическими покрытиями, а другого (пространственно-неоднородного) - нет. Последнее обстоятельство объясняется тем, что в случае пространственно-неоднородных неустойчивостей плотность разрядного тока на торцах плазменного столба остается неизменной и такие неустойчивости не могут быть стабилизированы внешними (балластными) сопротивлениями. Наличие неустойчивостей подобного типа существенно ограничивает в известном способе возможности повышения уровня удельной мощности, вкладываемой в пространственно-однородную плазму большого объема для накачки активной среды непрерывных газоразрядных лазеров. However, the presence of these coatings does not solve the problem of contraction in an adequate manner. The fact is that there are two types of ionization instabilities, the development of one of which (spatially homogeneous) is suppressed by dielectric coatings, and the other (spatially inhomogeneous) does not. The latter circumstance is explained by the fact that in the case of spatially inhomogeneous instabilities, the discharge current density at the ends of the plasma column remains unchanged and such instabilities cannot be stabilized by external (ballast) resistances. The presence of instabilities of this type significantly limits in the known method the possibility of increasing the level of specific power deposited in a spatially uniform large-volume plasma for pumping the active medium of cw gas-discharge lasers.

С помощью предлагаемого изобретения достигается технический результат, заключающийся в повышении удельной мощности, вкладываемой в активную среду лазера, и увеличении мощности когерентного излучения, снимаемого с единицы объема активной среды. Using the present invention, a technical result is achieved, consisting in increasing the specific power deposited in the active medium of the laser, and increasing the power of coherent radiation removed from a unit volume of the active medium.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе накачки активной среды непрерывного газоразрядного лазера с электродами с диэлектрическими покрытиями, включающем возбуждение тлеющего разряда гармоническим электрическим полем, одновременно производят стабилизацию тлеющего разряда импульсным напряжением звуковой частоты длительностью, не превышающей 10-7 с, и амплитудой U, удовлетворяющей условию l≤2λi(e•U), где:
l - межэлектродное расстояние,
е - заряд электрона,
λi(e•U) - длина свободного пробега электрона с энергией eU по отношению к акту ионизации.
The specified technical result is achieved by the fact that in the known method of pumping the active medium of a continuous gas-discharge laser with electrodes with dielectric coatings, which includes emitting a glow discharge by a harmonic electric field, the glow discharge is simultaneously stabilized by a pulse voltage of an audio frequency of a duration not exceeding 10 -7 s and amplitude U satisfying the condition l≤2λ i (e • U), where:
l is the interelectrode distance,
e is the electron charge,
λ i (e • U) is the mean free path of an electron with energy eU with respect to the ionization act.

Способ реализуется следующим образом. Импульсное напряжение приводят к тому, что во время его действия формируется аномальный тлеющий разряд. Если длительность импульсов невелика (меньше или много меньше 10-7 с), емкостное сопротивление диэлектрических покрытий, а следовательно, и падение напряжения на этих покрытиях будут сравнительно небольшими. Одновременно в силу довольно значительной проводимости плазмы

Figure 00000001
, которая имеет место даже при относительно невысоких (порядка нескольких Вт/см3) величинах вкладываемой в разряд удельной мощности, падение напряжения на плазменном столбе тоже будет небольшим. Поэтому можно считать, что все напряжение U, подводимое к электродам во время действия импульса, практически полностью сосредоточится на катодном слое аномального тлеющего разряда, сформированного этим импульсом. В результате в данном слое образуется электронный пучок с энергией ≈ eU, который обеспечивает предварительную ионизацию лазерной смеси во всем разрядном промежутке и одновременно подавляет пространственно-неоднородные неустойчивости, поднимая тем самым пороговую величину вкладываемой в разряд удельной мощности, при которой еще не происходит контракция. При этом, очевидно, имеет место и повышение мощности когерентного излучения, снимаемого с единицы объема активной среды. Следует подчеркнуть, что импульсы напряжения осуществляют только предыонизацию и подавление пространственно-неоднородных неустойчивостей, накачка же активной среды происходит под действием гармонического электрического поля, подводимого к электродам одновременно с импульсами. Очевидно, что частота следования импульсов не должна быть меньше обратной величины характерного времени распада плазмы βrne, где
βr - коэффициент диссоциативной рекомбинации,
ne - плотность электронов в плазме.The method is implemented as follows. Impulse voltage leads to the formation of an abnormal glow discharge during its operation. If the pulse duration is small (less or much less than 10 -7 s), the capacitance of the dielectric coatings, and hence the voltage drop across these coatings, will be relatively small. At the same time, due to the rather significant plasma conductivity
Figure 00000001
, which takes place even at relatively low (of the order of several W / cm 3 ) values of the specific power deposited in the discharge, the voltage drop across the plasma column will also be small. Therefore, we can assume that all the voltage U supplied to the electrodes during the action of the pulse will almost completely concentrate on the cathode layer of the anomalous glow discharge formed by this pulse. As a result, an electron beam with an energy of ≈ eU is formed in this layer, which provides preliminary ionization of the laser mixture in the entire discharge gap and simultaneously suppresses spatially inhomogeneous instabilities, thereby raising the threshold value of the specific power deposited into the discharge, at which contraction does not yet occur. In this case, obviously, there is also an increase in the power of coherent radiation removed from a unit volume of the active medium. It should be emphasized that voltage pulses carry out only preionization and suppression of spatially inhomogeneous instabilities, while the active medium is pumped by a harmonic electric field supplied to the electrodes simultaneously with the pulses. Obviously, the pulse repetition rate should not be less than the reciprocal of the characteristic plasma decay time β r n e , where
β r is the coefficient of dissociative recombination,
n e is the electron density in the plasma.

Обычно βr ~ 10-6÷10-7см3/с. Тогда, полагая для оценок ne ~ 1011см-3, находим, что соответствующая частота принадлежит звуковому диапазону и оказывается порядка 10-100 кГц.Usually β r ~ 10 -6 ÷ 10 -7 cm 3 / s. Then, assuming for estimates n e ~ 10 11 cm -3 , we find that the corresponding frequency belongs to the sound range and turns out to be of the order of 10-100 kHz.

Интенсивность электронного пучка резко (экспоненциально) ослабевает с увеличением расстояния от электрода (точнее говоря, от катодного слоя). Если импульсы напряжения являются знакопеременными, то электронный пучок формируется поочередно со стороны каждого из двух электродов. Тогда зона наиболее эффективного действия этого пучка определяется условием

Figure 00000002
Величину λi легко определить при заданном составе лазерной смеси, исходя из широко представленных в литературе значений сечений ионизации атомов и молекул электронным ударом:
Figure 00000003
где Nk и σ (k) i - плотность и сечение ионизации k-ого компонента лазерной смеси. При этом σ (k) i должны соответствовать энергии электрона, равной eU.The electron beam intensity decreases sharply (exponentially) with increasing distance from the electrode (more precisely, from the cathode layer). If the voltage pulses are alternating, then the electron beam is formed alternately from each of the two electrodes. Then the zone of the most effective action of this beam is determined by the condition
Figure 00000002
The value of λ i is easy to determine for a given composition of the laser mixture, based on the values of the cross sections of ionization of atoms and molecules by electron impact, which are widely represented in the literature:
Figure 00000003
where N k and σ (k) i - density and ionization cross section of the kth component of the laser mixture. Moreover, σ (k) i must correspond to the electron energy equal to eU.

Использование предложенного способа позволяет подавить контракцию и добиться максимально возможных величин вкладываемых в разряд и снимаемых в виде когерентного излучения удельных мощностей, значения которых лимитируются только перегревом лазерной смеси. Using the proposed method allows to suppress contraction and to achieve the maximum possible values of specific powers deposited in the discharge and removed in the form of coherent radiation, the values of which are limited only by overheating of the laser mixture.

Источники информации
1. Липатов Н.И., Минеев А.П., Мышенков В.И., Пашинин П.П., Прохоров А.М. "Нелинейные структуры в газовом разряде и возбуждение активной среды в мощных газоразрядных молекулярных лазерах". Труды ИОФАН, т. 17, с.3-52, М., Наука, 1989.
Sources of information
1. Lipatov N.I., Mineev A.P., Myshenkov V.I., Pashinin P.P., Prokhorov A.M. "Nonlinear structures in a gas discharge and excitation of the active medium in high-power gas-discharge molecular lasers." Proceedings of IOFAN, v. 17, p. 3-5, M., Science, 1989.

2. Yasui К. , Kuzumoto M., Ogawa S., Tanaka M. and Yagi S. "Silent - Discharge Excited TEM00 2.5kW CO2 Laser.IEEE Journal of Quantumn Electronics, vol. 25, 4, pp. 836-839, 1989 - прототип.2. Yasui K., Kuzumoto M., Ogawa S., Tanaka M. and Yagi S. "Silent - Discharge Excited TEM 00 2.5kW CO 2 Laser.IEEE Journal of Quantumn Electronics, vol. 25, 4, pp. 836- 839, 1989 - prototype.

Claims (1)

Способ накачки активной среды непрерывного газоразрядного лазера с диэлектрическими покрытиями, включающий возбуждение тлеющего разряда гармоническим электрическим полем, отличающийся тем, что одновременно производят стабилизацию тлеющего разряда импульсным напряжением с частотой следования импульсов βr•ne, где βr - коэффициент диссоциативной рекомбинации, nе - плотность электронов в плазме, и амплитудой U, удовлетворяющей условию l≤2λi(e•U), где l - межэлектродное расстояние, е - заряд электрона, λi(e•U) - длина свободного пробега электрона с энергией е•U по отношению к акту ионизации.A method for pumping an active medium of a cw gas discharge laser with dielectric coatings, which includes emitting a glow discharge with a harmonic electric field, characterized in that the glow discharge is stabilized simultaneously by a pulse voltage with a pulse repetition rate β r • n e , where β r is the dissociative recombination coefficient, n e is the electron density in the plasma, and the amplitude U satisfying the condition l≤2λ i (e • U), where l is the interelectrode distance, e is the electron charge, λ i (e • U) is the mean free path of the electron throne with energy e • U in relation to the act of ionization.
RU2000116988A 2000-06-30 2000-06-30 Process of pumping of active medium into continuous-wave gaseous-discharge laser with electrodes carrying dielectric coats RU2189679C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2000116988A RU2189679C2 (en) 2000-06-30 2000-06-30 Process of pumping of active medium into continuous-wave gaseous-discharge laser with electrodes carrying dielectric coats

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2000116988A RU2189679C2 (en) 2000-06-30 2000-06-30 Process of pumping of active medium into continuous-wave gaseous-discharge laser with electrodes carrying dielectric coats

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2000116988A RU2000116988A (en) 2002-04-27
RU2189679C2 true RU2189679C2 (en) 2002-09-20

Family

ID=20236998

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2000116988A RU2189679C2 (en) 2000-06-30 2000-06-30 Process of pumping of active medium into continuous-wave gaseous-discharge laser with electrodes carrying dielectric coats

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2189679C2 (en)

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
KOJI YASUI et al. SILENT-DISCHARGE EXICITED TEM 00 2.5 kW LASER. IEEE JOURNAL OF QUANTUMN ELECTRONICS VOL. 25, №4, Р. 836-839, 1989. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2189679C2 (en) Process of pumping of active medium into continuous-wave gaseous-discharge laser with electrodes carrying dielectric coats
Little et al. Average-power scaling of self-heated Sr/sup+/afterglow recombination lasers
Sturzenegger et al. Transversely excited double-discharge HCN laser
Peard et al. Parametric study of a high-voltage hollow-cathode infrared copper-ion laser
Blanchard et al. Superatmospheric double‐discharge CO2 laser
Isaev et al. Investigation of a copper vapor pulsed laser at elevated powers
Smith et al. High repetition-rate and quasi-cw operation of a waveguide CO2 TE laser
Sutter Gain-switched pulsed rf CO2 waveguide lasers
RU2313872C2 (en) Nitrogen laser
Zheng et al. Performance improvement of an x-ray preionized XeCl laser of very small discharge volume
Kane Optogalvanic signals generated in a neon positive column discharge by resonant chopped CW radiation at 588.2 nm
Mei et al. Optimisation of the pulse duration of a discharge-pumped XeF (B→ X) excimer laser
Wernsman et al. Generation of pulsed electron beams by simple cold cathode plasma guns
Bastiaens et al. Long pulse operation of an x-ray preionized molecular fluorine laser excited by a prepulse–main pulse system with a magnetic switch
Niederlohner et al. An investigation of the pseudospark discharge in neon
Tallman Preionization techniques for discharge lasers
Kedrov et al. Experimental study of capacitive periodic-pulsed discharge applied to active medium ionization in gas lasers with combined discharges
Serbezov et al. Nitrogen laser with high pulse and average power
RU2089971C1 (en) Method for pumping glow lamp having negative-polarity gases in working mixture
Borisov et al. Efficient preionisation in XeCl lasers
Shirai et al. Discharge-pumped vacuum ultraviolet Kr2* laser
Shuaibov et al. Excitation of iron atoms in a plasma of excimer emitters under transverse-discharge pumping
Silva et al. Plasma electronics in pulsed nitrogen lasers
RU2007003C1 (en) Gas laser
Gusev et al. Optogalvanic effect in argon and its use in monitoring laser wavelengths

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20090701