RU2229188C1 - Method for reducing pre-pulse concentration of electrons in active medium of metal halide vapor laser and active element of metal halide vapor laser - Google Patents

Method for reducing pre-pulse concentration of electrons in active medium of metal halide vapor laser and active element of metal halide vapor laser Download PDF

Info

Publication number
RU2229188C1
RU2229188C1 RU2002135781/28A RU2002135781A RU2229188C1 RU 2229188 C1 RU2229188 C1 RU 2229188C1 RU 2002135781/28 A RU2002135781/28 A RU 2002135781/28A RU 2002135781 A RU2002135781 A RU 2002135781A RU 2229188 C1 RU2229188 C1 RU 2229188C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
vacuum
metal halide
concentration
working
laser
Prior art date
Application number
RU2002135781/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2002135781A (en
Inventor
Г.С. Евтушенко (RU)
Г.С. Евтушенко
О.В. Жданеев (RU)
О.В. Жданеев
Original Assignee
Томский политехнический университет
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 Томский политехнический университет filed Critical Томский политехнический университет
Priority to RU2002135781/28A priority Critical patent/RU2229188C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2229188C1 publication Critical patent/RU2229188C1/en
Publication of RU2002135781A publication Critical patent/RU2002135781A/en

Links

Images

Landscapes

  • Lasers (AREA)

Abstract

FIELD: quantum electronics. SUBSTANCE: method includes selection of easy-to-ionize material whose atoms have ionization potential Jd lower than that of working metal atoms Jm as gaseous dope, concentration of the latter being 0.05 to 0.15% of that of working metal atoms. Laser active element has vacuum-tight enclosure provided with two electrodes at its ends and N containers disposed at regular intervals in its lower part. Vacuum-tight enclosure has cylindrical projections disposed either side of electrodes. Working metal hinges are arranged inside working channel at regular intervals through its length and heat insulation is provided on working channel exterior. EFFECT: enhanced frequency and power characteristics due to reduced pre-pulse concentration of electrons in active medium of laser. 3 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к квантовой электронике, лазерам на парах металлов, и может быть использовано при разработке лазеров на парах галогенида металла, например бромида меди, для целей медицины, микроэлектронных технологий, навигации, научных исследований, зондирования атмосферы и т.д.The invention relates to quantum electronics, metal vapor lasers, and can be used in the development of metal halide vapor lasers, such as copper bromide, for the purposes of medicine, microelectronic technology, navigation, scientific research, atmospheric sensing, etc.

Известен способ уменьшения предымпульсной концентрации электронов [П.А.Бохан, В.И.Силантьев, В.И.Соломонов. О механизме ограничения частоты следования импульсов генерации в лазере на парах меди. Квантовая электроника. 1980. Т. 7. С.1264-1269; Withford M.J., Brown D.J.W., Piper J.A. Investigation of the effects of hydrogen and deuterium on copper vapour laser performance. Optics Communications. 1994. V. 110. P.699-707], заключающийся во введении в активную среду лазера на парах металла молекулярной добавки водорода (Н2) (в диапазоне нескольких процентов от концентрации буферного газа).There is a method of reducing prepulse electron concentration [P.A. Bokhan, V.I. Silantyev, V.I. Solomonov. On the mechanism for limiting the repetition rate of lasing pulses in a copper vapor laser. Quantum Electronics. 1980. T. 7. S.1264-1269; Withford MJ, Brown DJW, Piper JA Investigation of the effects of hydrogen and deuterium on copper vapor laser performance. Optics Communications. 1994. V. 110. P.699-707], which consists in introducing into the active medium of a metal vapor laser a molecular additive of hydrogen (H 2 ) (in the range of several percent of the buffer gas concentration).

Недостатки способа: элементы активного элемента содержат внутри себя водород, который в процессе работы выделяется в активную среду, что затрудняет контроль уровня водорода в активном элементе лазера и реализацию способа, кроме того, степень уменьшения предымпульсной концентрации электронов при введении добавки водорода при низкой частоте следования импульсов возбуждения оказывается незначительной.The disadvantages of the method: the elements of the active element contain hydrogen inside, which during operation is released into the active medium, which makes it difficult to control the level of hydrogen in the active element of the laser and the implementation of the method, in addition, the degree of decrease in prepulse electron concentration when introducing hydrogen additive at a low pulse repetition rate excitation is negligible.

Известен активный элемент лазера на парах галогенида металла [Батенин В.М., Бучанов В.В., Казарян М.А., Климовский И.И., Молодых Э.И. Лазеры на самоограниченных переходах атомов металлов. М.: Научная книга. 1998, стр. 69]. Активный элемент лазера представляет собой вакуумно-плотную кварцевую оболочку, снабженную электродами на ее концах, засыпанными медной стружкой. Рабочий канал активного элемента лазера покрыт слоем теплоизолятора. Рабочий металл помещен в отросток, который помещен в нагревательную печь. Концевые участки вакуумно-плотной оболочки имеют диаметр, превышающий диаметр рабочего канала, и снабжены отражателями и выходными окнами.The active element of a metal halide vapor laser is known [Batenin V.M., Buchanov V.V., Kazaryan M.A., Klimovsky II, Young E.I. Lasers based on self-limited transitions of metal atoms. M .: Scientific book. 1998, p. 69]. The active element of the laser is a vacuum-tight quartz shell, equipped with electrodes at its ends, covered with copper chips. The working channel of the active element of the laser is covered with a layer of heat insulator. The working metal is placed in the process, which is placed in a heating furnace. The end sections of the vacuum-tight shell have a diameter greater than the diameter of the working channel, and are equipped with reflectors and exit windows.

Недостатками активного элемента лазера является то, что для введения газообразной добавки необходимо наличие дополнительного источника питания, затруднен контроль над количеством введенной газообразной добавки, невозможно достичь продольной однородности введения газообразной добавки, кроме того отсутствует возможность независимой регулировки количества вводимого в рабочий канал рабочего металла и добавки.The disadvantages of the active element of the laser is that the introduction of a gaseous additive requires an additional power source, it is difficult to control the amount of introduced gaseous additives, it is impossible to achieve longitudinal uniformity of the introduction of a gaseous additive, and there is no possibility of independent adjustment of the amount of working metal and additive introduced into the working channel.

Известен способ уменьшения предымпульсной концентрации электронов [US, №6175583, опубл. 16 января 2001], заключающийся во введении в активную среду лазера на парах металла газообразной добавки хлорводорода (НСl) (в диапазоне нескольких десятых процентов от концентрации буферного газа).A known method of decreasing prepulse electron concentration [US, No. 6175583, publ. January 16, 2001], which consists in introducing into the active medium of a metal vapor laser a gaseous additive of hydrogen chloride (HCl) (in the range of several tenths of a percent of the buffer gas concentration).

Недостатки способа: для осуществления способа необходимо создание сложной прокачной системы, которая имеет гораздо меньшую по сравнению с отпаянными вариантами надежность. Реализация способа затруднена из-за того, что использование токсичного газа HCl связано с риском для жизни персонала, обслуживающего данную установку. Вследствие малой величины необходимой добавки HCl, обеспечивающей уменьшение предымпульсной концентрации электронов, осложнен контроль за ее уровнем в активной среде. Кроме того, затрудняется по причине громоздкости изделия реализация способа в промышленных условиях.The disadvantages of the method: for the implementation of the method it is necessary to create a complex bleeding system, which has a much lower reliability compared to sealed options. The implementation of the method is difficult due to the fact that the use of toxic HCl gas is associated with a risk to the life of the personnel serving this installation. Due to the small amount of the necessary HCl additive, which ensures a decrease in the prepulse electron concentration, the control over its level in the active medium is complicated. In addition, it is difficult due to the bulkiness of the product, the implementation of the method in an industrial environment.

Известен активный элемент лазера на парах меди [патент US №3831107, опубликован 20.08.1974]. Активный элемент лазера (фиг.1) представляет собой вакуумно-плотную оболочку 10, которая внутри содержит электроды 12 и 14, расположенные друг напротив друга и соединенные через изолирующую втулку 27 проводниками 16 и 18 с импульсным генератором 20, который, в свою очередь, проводниками 22 и 24 соединен с источником питания 26. Рабочий канал 48 расположен между электродами 12 и 14. Отражатель 28 расположен непосредственно по краям рабочего канала 48. Внутри, в верхней части, вакуумно-плотной оболочки 10 расположен конденсатор металла 30, охлаждаемый протекающей по расположенной внутри него системе труб 32 жидкостью. Вакуумно-плотная оболочка 10 снабжена испарителями меди 34 и 36, которые герметично изолированы от испарителя добавки (цезия) 38. Все испарители 34, 36, 38 содержат электрически нагреваемые контейнеры, которые имеют расположенную сверху систему капилляров или направляющих 39, расположенных вдоль направлений 46. Проводники 40, 42, 44 соединены соответственно с испарителями 34, 36, 38 и с дополнительным источником питания. Вверху вакуумно-плотная оболочка имеет соединение с вакуумным насосом 51.Known active element of a copper vapor laser [US patent No. 3831107, published 20.08.1974]. The active element of the laser (figure 1) is a vacuum-tight shell 10, which inside contains electrodes 12 and 14, located opposite each other and connected through an insulating sleeve 27 by conductors 16 and 18 with a pulse generator 20, which, in turn, conductors 22 and 24 is connected to a power source 26. A working channel 48 is located between the electrodes 12 and 14. A reflector 28 is located directly on the edges of the working channel 48. Inside, in the upper part of the vacuum-tight shell 10, there is a metal condenser 30, which is cooled and leaking by the fluid pipe system 32 located inside it. The vacuum-tight shell 10 is equipped with evaporators of copper 34 and 36, which are hermetically isolated from the additive (cesium) evaporator 38. All evaporators 34, 36, 38 contain electrically heated containers that have a capillary or guide system 39 located along directions 46 located on top. Conductors 40, 42, 44 are connected respectively with evaporators 34, 36, 38 and with an additional power source. At the top, the vacuum-tight shell is connected to a vacuum pump 51.

Недостатком активного элемента лазера является то, что для введения газообразной добавки необходимо наличие дополнительного источника питания, а также затруднен контроль над количеством введенной газообразной добавки и невозможно достичь продольной однородности введения газообразной добавки.The disadvantage of the active element of the laser is that the introduction of a gaseous additive requires the presence of an additional power source, it is also difficult to control the amount of introduced gaseous additives and it is impossible to achieve longitudinal uniformity of the introduction of a gaseous additive.

Известен способ уменьшения предымпульсной концентрации электронов [D.N.Astadjov, N.V.Sabolinov, N.K.Vuchkov. Effect of hydrogen on CuBr laser power and efficiency. Optics Coomunication. 1985. V. 56. P.279-282; C.E.Little, D.R.Jones, S.A.Fairlie, C.G.Whyte. Metal HyBrID lasers. Pulsed Metal Vapor Laser. The Netherlands: Kluwer. 1996. P.125-136], выбранный в качестве прототипа, заключающийся во введении в активную среду лазера на парах металла добавки бромводорода (НВr) (в диапазоне нескольких процентов от концентрации буферного газа).A known method of decreasing prepulse electron concentration [D.N. Astadjov, N.V. Sabolinov, N.K.Vuchkov. Effect of hydrogen on CuBr laser power and efficiency. Optics Coomunication. 1985. V. 56. P.279-282; C.E. Little, D.R. Jones, S.A. Fairlie, C.G. Whyte. Metal HyBrID lasers. Pulsed Metal Vapor Laser. The Netherlands: Kluwer. 1996. P.125-136], selected as a prototype, consisting in the introduction into the active medium of a laser on a metal vapor additive of hydrogen bromide (HBr) (in the range of several percent of the concentration of the buffer gas).

Недостатки способа: для осуществления способа необходимо создание сложной прокачной системы, которая имеет гораздо меньшую по сравнению с отпаянными вариантами надежность. Реализация способа затруднена из-за того, что использование токсичного газа НВr связано с риском для жизни персонала, обслуживающего данную установку. Вследствие малой величины необходимой добавки НВr, обеспечивающей уменьшение предымпульсной концентрации электронов, осложнен контроль за ее уровнем в активной среде. Кроме того, затруднена по причине громоздкости изделия реализация способа в промышленных условиях.The disadvantages of the method: for the implementation of the method it is necessary to create a complex bleeding system, which has a much lower reliability compared to sealed options. The implementation of the method is difficult due to the fact that the use of toxic HBr gas is associated with a risk to the life of the personnel serving this installation. Due to the small amount of the necessary HBr additive, which ensures a decrease in the prepulse electron concentration, the control over its level in the active medium is complicated. In addition, it is difficult due to the bulkiness of the product, the implementation of the method in an industrial environment.

Известен активный элемент лазера на парах галогенида металла [N.V.Sabotinov, I.K.Kostadinov, H.W.Bergmann, R.Salimbeni, J.Mizeraczyk. A 50-Watt copper bromide laser. SPIE. 2001. V. 4184. P.203-206], выбранный в качестве прототипа. Активный элемент лазера (фиг. 2) состоит из вакуумно-плотной оболочки, которая снабжена электродами на ее концах. Электроды засыпаны медной стружкой. Рабочий металл помещен в отростки, расположенные в нижней части вакуумно-плотной оболочки. Рабочий канал активного элемента лазера вместе с контейнерами окружен металлическим кожухом, в который вмонтированы нагреватели, а также содержатся средства контроля температуры контейнеров с рабочим металлом, включающие блок контроля температуры контейнеров и термопару, расположенную непосредственно на стенке контейнера с рабочим металлом.A known active element of a metal halide vapor laser [N.V. Sabotinov, I.K. Kostadinov, H.W. Bergmann, R. Salimbeni, J. Mizeraczyk. A 50-Watt copper bromide laser. SPIE. 2001. V. 4184. P.203-206], selected as a prototype. The active element of the laser (Fig. 2) consists of a vacuum-tight shell, which is equipped with electrodes at its ends. The electrodes are covered with copper chips. The working metal is placed in the processes located in the lower part of the vacuum-tight shell. The working channel of the active element of the laser, together with the containers, is surrounded by a metal casing in which the heaters are mounted, as well as means for controlling the temperature of containers with working metal, including a container temperature control unit and a thermocouple located directly on the wall of the container with working metal.

Недостатки активного элемента лазера: при эксплуатации лазера используются два источника питания - источник питания активного элемента лазера и источник питания нагревателей контейнеров, требующие стабилизации его работы и их взаимной стабилизации для оптимального режима.Disadvantages of the active laser element: when using the laser, two power sources are used - the power source of the active laser element and the power source of the container heaters, which require stabilization of its operation and their mutual stabilization for optimal operation.

Задачей группы изобретений является повышение частотных, энергетических характеристик лазеров на парах галогенида металла за счет уменьшения предымпульсной концентрации электронов в активной среде лазера и создания для этого простого и надежного активного элемента лазера на парах галогенида металла для введения легкоионизуемой добавки.The objective of the group of inventions is to increase the frequency, energy characteristics of metal halide vapor lasers by reducing the prepulse electron concentration in the active medium of the laser and creating for this a simple and reliable active element of the metal halide vapor laser for introducing an easily ionizable additive.

Поставленная задача достигается тем, что в способе уменьшения предымпульсной концентрации электронов в активной среде лазера на парах галогенида металла, включающем так же, как в прототипе, введение в активную среду газообразной добавки, согласно изобретению в качестве газообразной добавки выбирают легкоионизуемое вещество, атомы которого имеют потенциалом ионизации Jд, меньший потенциала ионизации атомов рабочего металла Jм, причем его концентрация составляет от 0.05 до 0.15% концентрации атомов рабочего металла.The problem is achieved in that in the method of reducing the prepulse concentration of electrons in the active medium of a metal halide vapor laser, including, as in the prototype, introducing a gaseous additive into the active medium, according to the invention, a readily ionizable substance whose atoms have the potential ionization J d less than the ionization potential of the atoms of the working metal J m , and its concentration is from 0.05 to 0.15% of the concentration of atoms of the working metal.

Поставленная задача также решена за счет того, что в активном элементе лазера на парах галогенида металла, содержащем, как и прототип, вакуумно-плотную оболочку, снабженную двумя электродами на ее концах, и периодично расположенными в нижней части N контейнерами, тепловую камеру, термодатчик и блок контроля температуры, согласно изобретению вакуумно-плотная оболочка выполнена с цилиндрическими выступами по обе стороны от электродов, причем внутри ее рабочего канала периодично по его длине помещены навески рабочего металла, снаружи рабочий канал снабжен теплоизоляцией, а тепловая камера расположена под вакуумно-плотной оболочкой, охватывая контейнеры, в которые помещена легкоионизуемая добавка, причем контейнеры присоединены к вакуумно-плотной оболочке и их высота выбрана от 2,0 до 3,5 диаметра рабочего канала, а их длина - не менее диаметра рабочего канала, кроме того, в тепловой камере помещены по крайней мере один термодатчик и один вентилятор, которые электрически связаны с блоком контроля температуры.The problem is also solved due to the fact that in the active element of the metal halide vapor laser, containing, like the prototype, a vacuum-tight shell equipped with two electrodes at its ends and periodically located in the lower part of N containers, a heat chamber, a temperature sensor and the temperature control unit, according to the invention, the vacuum-tight shell is made with cylindrical protrusions on both sides of the electrodes, and working metal samples are periodically placed along its channel along its length, working metal is outside, The channel is provided with thermal insulation, and the heat chamber is located under a vacuum-tight shell, covering containers in which an easily ionized additive is placed, and the containers are attached to a vacuum-tight shell and their height is selected from 2.0 to 3.5 of the diameter of the working channel, and their length - not less than the diameter of the working channel, in addition, at least one temperature sensor and one fan are placed in the heat chamber, which are electrically connected to the temperature control unit.

При введении легкоионизуемой добавки, например цезия, в активную среду лазера на парах галогенида металла, например бромида меди, происходит уменьшение вводимой в газоразрядной трубке мощности. Это происходит вследствие того, что для получения того же количества электронов приходится затрачивать меньшую энергию, так как потенциал ионизации цезия 3,89 эВ значительно меньше потенциала ионизации меди 7,72 эВ. Это приводит к повышению эффективности лазера. Проведенные эксперименты показали, что введение добавок цезия ведет к уменьшению мощности, затрачиваемой на ионизацию атомов буферного газа (фиг. 3, кривые 2). Это ведет к уменьшению степени ионизации неона. Уменьшаются и плотности мощности, которые идут на ионизацию атомов меди (фиг. 3, кривые 4), вследствие этого уменьшается итоговая ионизация меди. Это происходит по причине "перехвата" части энергии, вкладываемой в плазму (фиг. 3, кривая 1), на ионизацию легкоионизуемой добавки (фиг. 3, кривая 5), причем плотность потока мощности, затрачиваемой на нагрев газа в упругих столкновениях, остается неизменной (фиг. 3, кривая 3). При увеличении концентрации атомов добавки этот эффект проявляется наиболее отчетливо. Необходимо заметить, что при этом потоки мощности, затрачиваемые на охлаждение электронов за счет упругих столкновений с атомами неона и ионами меди и цезия, остаются практически неизменными.When an easily ionizable additive, for example cesium, is introduced into the active medium of a metal halide vapor laser, for example copper bromide, the power introduced into the gas discharge tube decreases. This is due to the fact that to obtain the same number of electrons it is necessary to spend less energy, since the cesium ionization potential of 3.89 eV is much less than the copper ionization potential of 7.72 eV. This leads to increased laser efficiency. The experiments showed that the introduction of cesium additives leads to a decrease in the power spent on the ionization of the buffer gas atoms (Fig. 3, curves 2). This leads to a decrease in the degree of ionization of neon. The power densities that go to the ionization of copper atoms also decrease (Fig. 3, curves 4); as a result, the resulting ionization of copper decreases. This is due to the "interception" of a part of the energy deposited in the plasma (Fig. 3, curve 1) on the ionization of the easily ionized additive (Fig. 3, curve 5), and the density of the power flux spent on heating the gas in elastic collisions remains unchanged (Fig. 3, curve 3). With increasing concentration of additive atoms, this effect is most pronounced. It should be noted that in this case, the power fluxes spent on electron cooling due to elastic collisions with neon atoms and copper and cesium ions remain almost unchanged.

В начале импульса возбуждения основным поставщиком электронов являются атомы цезия. Они быстро, практически полностью, ионизируются, причем с гораздо меньшими затратами энергии, чем при ионизации атомов меди. После этого электроны производятся в основном в результате ионизации меди, но итоговая степень ионизации и концентрация электронов оказываются меньше. После ионизации атомов цезия уменьшается скорость нарастания концентрации электронов.At the beginning of the excitation pulse, the main electron supplier is cesium atoms. They are quickly, almost completely, ionized, and with much lower energy costs than with the ionization of copper atoms. After this, the electrons are produced mainly as a result of the ionization of copper, but the final degree of ionization and electron concentration are less. After ionization of cesium atoms, the rate of increase in electron concentration decreases.

Рассмотрим теперь процессы, происходящие на этапе послесвечения. Известно, что ионизация атомов буферного газа незначительна [Батенин В.М., Бучанов В.В., Казарян М.А., Климовский И.И., Молодых Э.И. Лазеры на самоограниченных переходах атомов металлов. М.: Научная книга. 1998]. Общая концентрация электронов на этапе релаксации в основном определяется вкладом электронов, полученных в результате ионизации атомов меди и электронов, образовавшихся в результате ионизации атомов цезия. Скорость релаксации концентрации электронов определяется следующим выражением:Let us now consider the processes occurring in the afterglow stage. It is known that the ionization of buffer gas atoms is negligible [Batenin V.M., Buchanov V.V., Kazaryan M.A., Klimovsky II, Young E.I. Lasers based on self-limited transitions of metal atoms. M .: Scientific book. 1998]. The total concentration of electrons at the relaxation stage is mainly determined by the contribution of electrons obtained as a result of ionization of copper atoms and electrons formed as a result of ionization of cesium atoms. The relaxation rate of electron concentration is determined by the following expression:

5,4·10-27·Т -45 е ,5.4 · 10 -27 · T -45 e ,

где Те - температура электронов.where Te is the electron temperature.

Таким образом, вследствие меньшей ионизации атомов меди уменьшится общая концентрация электронов на этапе послесвечения и, следовательно, значение предымпульсной концентрации электронов.Thus, due to the lower ionization of copper atoms, the total electron concentration at the afterglow stage and, therefore, the prepulse electron concentration will decrease.

Значение оптимальной концентрации газообразной легкоионизуемой добавки определено следующим: при значениях, меньших 0,05% от концентрации атомов рабочего металла, наблюдаемое уменьшение значения предымпульсной концентрации электронов не обеспечивает существенного увеличения генерационных характеристик лазера на парах галогенида металла; превышение верхнего предела, т.е. 0,15% от концентрации атомов рабочего металла приводит к увеличению предымпульсной концентрации электронов, что ухудшает выходные характеристики лазера.The value of the optimal concentration of a gaseous easily ionizable additive is determined by the following: at values less than 0.05% of the concentration of atoms of the working metal, the observed decrease in the value of the prepulse electron concentration does not provide a significant increase in the lasing characteristics of a metal halide vapor laser; exceeding the upper limit, i.e. 0.15% of the concentration of atoms of the working metal leads to an increase in the prepulse concentration of electrons, which affects the output characteristics of the laser.

Исходя из этого можно заключить, что введение легкоионизуемой добавки приводит к увеличению срока службы и повышению генерационных характеристик лазера до 50%.Based on this, it can be concluded that the introduction of an easily ionized additive leads to an increase in the service life and an increase in the laser lasing characteristics by up to 50%.

Выполнение вакуумно-плотной оболочки активного элемента с предлагаемой конструкцией и соответствующим размещением легкоионизуемой добавки относительно рабочего канала позволяет создать условия саморазогревного режима работы лазера, в котором температура рабочего канала и скорость вращения вентиляторов определяют температуру контейнеров. По мере разогрева активного элемента лазера создаются условия для плавления легкоионизуемой добавки и осуществления подачи ее паров в рабочий канал через отверстия в вакуумно-плотной оболочке.The implementation of a vacuum-tight shell of the active element with the proposed design and the corresponding placement of easily ionizable additives relative to the working channel allows you to create conditions for self-heating laser operation in which the temperature of the working channel and the speed of rotation of the fans determine the temperature of the containers. As the active element of the laser is heated, conditions are created for melting the easily ionizable additive and supplying its vapor to the working channel through openings in a vacuum-tight shell.

Значение высоты контейнера выбрано исходя из следующего: при значении, меньшем 2-х диаметров рабочего канала, происходит перегрев контейнера, что ведет к неконтролируемому поступлению паров легкоионизуемой добавки в рабочий канал. Превышение верхнего предела 3,5 диаметра рабочего канала приводит к недогреву контейнеров. Наименьшая длина контейнеров определяется размещением в нем достаточного для длительной работы количества легкоионизуемой добавки и отводом тепла, необходимым для создания его паров. Число контейнеров определяется однородным распределением паров легкоионизуемой добавки по длине рабочего канала и составляет 1 контейнер на 30-40 см длины рабочего канала. Максимальная длина контейнера может быть увеличена вплоть до их соединения между собой, с условием сохранения между ними перегородки для устранения проникновения в них разряда.The height of the container is selected based on the following: when the value is less than 2 diameters of the working channel, the container overheats, which leads to uncontrolled entry of vapors of easily ionized additives into the working channel. Exceeding the upper limit of 3.5 diameters of the working channel leads to underheating of the containers. The smallest container length is determined by the placement in it of an amount of easily ionizable additive sufficient for long-term operation and the heat removal necessary to create its vapor. The number of containers is determined by the uniform distribution of vapors of the easily ionized additive along the length of the working channel and is 1 container per 30-40 cm of the length of the working channel. The maximum length of the container can be increased up to their connection with each other, with the condition of maintaining a partition between them to prevent the penetration of a discharge into them.

Дополнительное утепление рабочего канала теплоизоляцией позволяет ему достичь рабочей температуры.Additional warming of the working channel with thermal insulation allows it to reach the working temperature.

Размещение контейнеров, содержащих легкоионизуемую добавку, в тепловой камере устраняет необходимость их утепления теплоизоляцией для образования паров рабочего металла и создает возможность контролирования их температуры. Тепловая камера выполняется с воздушным охлаждением и может иметь как прямоугольную, так и цилиндрическую форму. Ее стенки должны отстоять от стенок вакуумно-плотной оболочки на расстоянии, устраняющем возникновение разряда между ними. Количество вентиляторов, встроенных во внешнюю стенку тепловой камеры, определяется длиной рабочего канала активного элемента.Placing containers containing an easily ionizable additive in a heat chamber eliminates the need for thermal insulation to form vapor of the working metal and makes it possible to control their temperature. The heat chamber is air-cooled and can have either a rectangular or cylindrical shape. Its walls should be separated from the walls of the vacuum-tight shell at a distance that eliminates the occurrence of a discharge between them. The number of fans built into the outer wall of the heat chamber is determined by the length of the working channel of the active element.

Стационарный режим работы при оптимальном давлении паров легкоионизуемой добавки поддерживается охлаждением контейнеров внутри тепловой камеры. При превышении температуры в камере автоматически включаются вентиляторы и впоследствии также автоматически выключаются при достижении оптимальной температуры.The stationary mode of operation at the optimum vapor pressure of the easily ionized additive is maintained by cooling the containers inside the heat chamber. When the temperature in the chamber is exceeded, the fans automatically turn on and subsequently also automatically turn off when the optimum temperature is reached.

Дополнительные преимущества ловушек заключаются в снижении степени загрязнения выходных окон и электродов рабочим металлом и легкоионизуемой добавкой и тем самым увеличении срока службы лазера.Additional advantages of the traps are to reduce the degree of contamination of the output windows and electrodes with working metal and an easily ionized additive, and thereby increase the laser life.

В настоящей заявке соблюдено требование единства изобретения, поскольку устройство активного элемента лазера предназначено для осуществления способа уменьшения предымпульсной концентрации электронов в активной среде лазера на парах галогенида металла.In this application, the requirement of unity of invention is met, since the device of the active laser element is intended to implement a method of reducing the prepulse electron concentration in the active medium of a metal halide vapor laser.

Заявленные изобретения решают одну и ту же задачу - повышение частотных и энергетических характеристик лазеров на парах галогенида металла за счет достижения одного и того же технического результата при осуществлении изобретений - уменьшения предымпульсной концентрации электронов в активной среде лазера на парах галогенида металла.The claimed inventions solve the same problem - increasing the frequency and energy characteristics of metal halide vapor lasers by achieving the same technical result when implementing the inventions - reducing the prepulse electron concentration in the active medium of a metal halide vapor laser.

На фиг. 1 представлена схема газоразрядной трубки лазера на парах меди. На фиг. 2 приведена конструкция газоразрядной трубки лазера на парах галогенида меди. На фиг. 3 изображены временные зависимости мощности Q, вводимой в плазму газоразрядной трубки (1), идущей на ионизацию неона (2), затрачиваемой на нагрев газа в упругих столкновениях (3), идущей на ионизацию меди (4), идущей на ионизацию легкоионизуемой добавки (цезия) (5). Сплошные кривые для NСs=9×1012 см-3, пунктир для NCs=0 см-3.In FIG. 1 is a diagram of a copper vapor laser discharge tube. In FIG. Figure 2 shows the design of a discharge tube of a copper halide vapor laser. In FIG. Figure 3 shows the time dependences of the power Q introduced into the plasma of a gas-discharge tube (1), used for ionization of neon (2), spent on heating gas in elastic collisions (3), used for ionization of copper (4), used for ionization of an easily ionizable additive (cesium ) (5). The solid curves for N Cs = 9 × 10 12 cm -3 , the dashed line for N Cs = 0 cm -3 .

На фиг. 4 представлено схематичное изображение газоразрядной трубки лазера на парах галогенида металла.In FIG. 4 is a schematic representation of a metal halide vapor laser discharge tube.

Активный элемент лазера (фиг. 4) представляет собой цилиндрическую вакуумно-плотную кварцевую оболочку 1 с электродами 2 на ее концах. Электроды 2 засыпаны медной стружкой. Рабочий канал 3 вакуумно-плотной оболочки 1 снаружи снабжен теплоизоляцией 4 и имеет в своей нижней части два отверстия 5. Внутри, в нижней части, рабочего канала 3 расположены четыре навески 6 рабочего металла, например бромида меди. В нижней части рабочего канала 3 расположены два контейнера 7 с легкоионизуемой добавкой, например цезием, в твердом состоянии. На концах вакуумно-плотной оболочки расположены выходные окна 8. По обе стороны от электродов 2 установлены ловушки 9, представляющие собой цилиндрические выступы в вакуумно-плотной оболочке 1. Снизу контейнеры 7 с легкоионизуемой добавкой охвачены тепловой камерой 10. Продольная внутренняя стенка тепловой камеры 10 имеет отверстия 11 для отвода тепла. Внешняя стенка тепловой камеры 10 оснащена двумя вентиляторами 12, а внутри тепловой камеры 10 установлен термодатчик 13, например термопара, электрически связанный с блоком контроля температуры 14 (БКТ), который в свою очередь соединен с вентиляторами 12. Электроды 2 соединены с импульсным источником питания 15 (ИИП).The active element of the laser (Fig. 4) is a cylindrical vacuum-tight quartz shell 1 with electrodes 2 at its ends. Electrodes 2 are filled with copper shavings. The working channel 3 of the vacuum-tight shell 1 is provided with insulation 4 from the outside and has two openings 5 in its lower part. Inside, in the lower part of the working channel 3 there are four samples 6 of working metal, for example, copper bromide. In the lower part of the working channel 3 there are two containers 7 with an easily ionizable additive, for example cesium, in the solid state. At the ends of the vacuum-tight shell, exit windows are located 8. Traps 9 are installed on both sides of the electrodes 2, which are cylindrical protrusions in the vacuum-tight shell 1. From below, containers 7 with an easily ionizable additive are covered by a heat chamber 10. The longitudinal inner wall of the heat chamber 10 has holes 11 for heat dissipation. The outer wall of the heat chamber 10 is equipped with two fans 12, and a temperature sensor 13 is installed inside the heat chamber 10, for example, a thermocouple electrically connected to the temperature control unit 14 (BKT), which in turn is connected to the fans 12. The electrodes 2 are connected to a switching power supply 15 (IIP).

Теплоизоляция 4 представляет собой, например, каолиновую вату.Thermal insulation 4 is, for example, kaolin wool.

Контейнеры 7 с легкоионизуемой добавкой имеют высоту в два диаметра рабочего канала 3 - 6 см и длину в диаметр рабочего канала 3 - 3 см.Containers 7 with an easily ionized additive have a height of two diameters of the working channel 3 to 6 cm and a length of 3 to 3 cm in the diameter of the working channel.

Данная конструкция активного элемента лазера на парах галогенида металла может в качестве рабочего металла содержать элементы из группы CuF, CuCl, CuBr, CuI, PbBr, PbCl, SnBr, SnCl, SnF, AuCl, FeCl, HgBr, HgCl, HgF, ReCl, ReBr и другие, а в качестве легкоионизуемой добавки - элементы из группы К, Rb, Cs, Fr и другие.This design of an active element of a metal halide vapor laser can, as a working metal, contain elements from the group CuF, CuCl, CuBr, CuI, PbBr, PbCl, SnBr, SnCl, SnF, AuCl, FeCl, HgBr, HgCl, HgF, ReCl, ReBr and others, and as easily ionizable additives - elements from the group K, Rb, Cs, Fr and others.

Блок контроля температуры 14 может быть выполнен на основе микроконтроллера Intel 8051. Импульсный источник питания 15 может быть выполнен по одной из стандартных схем [Батенин В.М., Бучанов В.В., Казарян М.А., Климовский И.И., Молодых Э.И. Лазеры на самоограниченных переходах атомов металлов. М.: Научная книга. 1998. С.86], например следующим образом: от промышленной трехфазной сети с помощью высоковольтного трехфазного трансформатора и выпрямителя, реализованного по схеме Ларионова, осуществляется заряд накопительного конденсатора разрядного контура, который содержит активный элемент лазера. С заданной частотой коммутатор, например, тиратрон ТГИ-1000/25, подключает накопительный конденсатор к электродам активного элемента лазера.The temperature control unit 14 can be performed on the basis of the Intel 8051 microcontroller. The switching power supply 15 can be performed according to one of the standard schemes [Batenin V. M., Buchanov V. V., Kazaryan M. A., Klimovsky I. I., Young E.I. Lasers based on self-limited transitions of metal atoms. M .: Scientific book. 1998. P.86], for example, as follows: from an industrial three-phase network using a high-voltage three-phase transformer and a rectifier implemented according to the Larionov circuit, the storage capacitor of the discharge circuit, which contains the active laser element, is charged. With a given frequency, a switch, for example, a TGI-1000/25 thyratron, connects a storage capacitor to the electrodes of the active laser element.

Активный элемент лазера на парах бромида меди с цезием в качестве легкоионизуемой добавки работает следующим образом. При включении импульсного источника питания 15 на электроды 2 вакуумно-плотной оболочки 1 подается напряжение. В рабочем канале 3 формируется разряд. С течением времени в тепловой камере 10 создаются условия, при которых навески 6 бромида меди внутри рабочего канала 3 достигают необходимой температуры и начинают плавиться и в виде паров поступать в разряд, где пары бромида меди диссоциируют на атомы брома и меди с последующим возбуждением атомов меди и возникновением генерации. При этом температура контейнеров 7 становится достаточной для плавления легкоионизуемой добавки и цезий в газообразном состоянии поступает в разряд. Потенциал ионизации цезия Jд=3,89 эВ имеет гораздо меньшую величину по сравнению с потенциалом ионизации меди Jw=7,72 эВ. Этим посредством плазмохимических реакций обеспечивается увеличение генерационных характеристик лазера на парах галогенида металла. Концентрация введенной добавки цезия составляет 0,1% от концентрации атомов меди. При повышении температуры внутри тепловой камеры 10 выше необходимой для достижения концентрации атомов цезия в 0,1% от концентрации атомов меди срабатывает обратная связь через термодатчик 13 и блок контроля температуры 14 включает вентиляторы 12 до тех пор, пока температура не достигнет прежнего уровня.The active element of a copper bromide vapor laser with cesium as an easily ionizable additive works as follows. When you turn on the switching power supply 15 to the electrodes 2 of the vacuum-tight shell 1 voltage is applied. In the working channel 3, a discharge is formed. Over time, conditions are created in the heat chamber 10 under which the samples 6 of copper bromide inside the working channel 3 reach the required temperature and begin to melt and enter the discharge in the form of vapors, where the pairs of copper bromide dissociate into bromine and copper atoms, followed by the excitation of copper atoms and the emergence of generation. In this case, the temperature of the containers 7 becomes sufficient to melt the easily ionized additive and cesium in the gaseous state enters the discharge. The cesium ionization potential J d = 3.89 eV is much smaller in comparison with the copper ionization potential J w = 7.72 eV. This by means of plasma-chemical reactions provides an increase in the lasing characteristics of a metal halide vapor laser. The concentration of the introduced cesium additive is 0.1% of the concentration of copper atoms. When the temperature inside the heat chamber 10 is higher than necessary to achieve a cesium atom concentration of 0.1% of the concentration of copper atoms, feedback is triggered through the temperature sensor 13 and the temperature control unit 14 turns on the fans 12 until the temperature reaches the previous level.

Таким образом, предлагаемая конструкция активного элемента лазера на парах галогенида металла позволяет реализовать способ уменьшения предымпульсной концентрации электронов. Наличие обратной связи позволяет поддерживать постоянную разность температур рабочего канала вакуумно-плотной оболочки и контейнеров, обеспечивая оптимальную концентрацию паров легкоионизуемой добавки в активной среде, без использования внешних нагревателей в отличие от известных газоразрядных трубок на парах галогенида металла. Это приводит к значительному увеличению срока службы активного элемента и повышению генерационных характеристик лазера.Thus, the proposed design of the active element of the laser on the vapor of a metal halide allows you to implement a method of reducing prepulse electron concentration. The presence of feedback allows us to maintain a constant temperature difference between the working channel of the vacuum-tight shell and containers, ensuring the optimal concentration of vapors of an easily ionized additive in an active medium, without the use of external heaters, unlike the known gas-discharge tubes on metal halide vapors. This leads to a significant increase in the service life of the active element and to increase the lasing characteristics of the laser.

Claims (3)

1. Способ уменьшения предымпульсной концентрации электронов в активной среде лазера на парах галогенида металла, включающий введение в активную среду газообразной добавки, отличающийся тем, что в качестве газообразной добавки выбирают легкоионизуемое вещество, атомы которого имеют потенциал ионизации Jд, меньший потенциала ионизации атомов рабочего металла Jм, причем его концентрация составляет от 0,05 до 0,15% концентрации атомов рабочего металла.1. A method of reducing the prepulse concentration of electrons in the active medium of a metal halide vapor laser, comprising introducing a gaseous additive into the active medium, characterized in that a readily ionizable substance whose atoms have an ionization potential J d lower than the ionization potential of the working metal atoms is selected as a gaseous additive J m , and its concentration is from 0.05 to 0.15% of the concentration of atoms of the working metal. 2. Активный элемент лазера на парах галогенида металла, содержащий вакуумно-плотную оболочку, снабженную двумя электродами на ее концах и периодично расположенными в нижней ее части N контейнерами, а также тепловую камеру, термодатчик и блок контроля температуры, отличающийся тем, что вакуумно-плотная оболочка выполнена с цилиндрическими выступами по обе стороны от электродов, причем внутри ее рабочего канала периодично по его длине помещены навески рабочего металла, снаружи рабочий канал снабжен теплоизоляцией, а тепловая камера расположена под вакуумно-плотной оболочкой, охватывая контейнеры, в которые помещена легкоионизуемая добавка, причем контейнеры присоединены к объему вакуумно-плотной оболочки через отверстия в ней и высота контейнеров выбрана от 2,0 до 3,5 диаметра рабочего канала, а их длина - не менее диаметра рабочего канала, кроме того, в тепловой камере помещены, по крайней мере, один термодатчик и один вентилятор, которые электрически связаны с блоком контроля температуры.2. An active element of a metal halide vapor laser containing a vacuum-tight shell equipped with two electrodes at its ends and periodically located N containers in its lower part, as well as a heat chamber, a temperature sensor and a temperature control unit, characterized in that it is vacuum-tight the shell is made with cylindrical protrusions on both sides of the electrodes, with inside of its working channel periodically along its length weighed portions of the working metal, the working channel is provided with heat insulation on the outside, and the heat chamber is located It is worn under a vacuum-tight shell, covering containers in which an easily ionizable additive is placed, the containers being connected to the volume of the vacuum-tight shell through the openings in it and the height of the containers is chosen from 2.0 to 3.5 times the diameter of the working channel, and their length is not less than the diameter of the working channel, in addition, at least one temperature sensor and one fan are placed in the heat chamber, which are electrically connected to the temperature control unit. 3. Активный элемент лазера на парах галогенида металла по п.2, отличающийся тем, что тепловая камера снабжена продольной перегородкой с отверстиями для отвода тепла.3. The active element of the metal halide vapor laser according to claim 2, characterized in that the thermal chamber is provided with a longitudinal partition with holes for removing heat.
RU2002135781/28A 2002-12-30 2002-12-30 Method for reducing pre-pulse concentration of electrons in active medium of metal halide vapor laser and active element of metal halide vapor laser RU2229188C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2002135781/28A RU2229188C1 (en) 2002-12-30 2002-12-30 Method for reducing pre-pulse concentration of electrons in active medium of metal halide vapor laser and active element of metal halide vapor laser

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2002135781/28A RU2229188C1 (en) 2002-12-30 2002-12-30 Method for reducing pre-pulse concentration of electrons in active medium of metal halide vapor laser and active element of metal halide vapor laser

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2229188C1 true RU2229188C1 (en) 2004-05-20
RU2002135781A RU2002135781A (en) 2004-06-27

Family

ID=32679415

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2002135781/28A RU2229188C1 (en) 2002-12-30 2002-12-30 Method for reducing pre-pulse concentration of electrons in active medium of metal halide vapor laser and active element of metal halide vapor laser

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2229188C1 (en)

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ASTADJOV D.N. et all. Effect of hydrogen on CuBr laser power and efficiency. Optics Communication, 1985, v.56, р.279-282. SABOTINOV N.V. et all. A 50-Watt copper bromide Laser. SPIE, 2001, v.4184, р.203-206. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
NL1032381C2 (en) EUV RADIATION SOURCE WITH HIGH RADIATION CAPACITY BASED ON A GAS DISCHARGE.
US20120119108A1 (en) Air sterilizing assembly
GB2083687A (en) Circulating gas laser
RU2229188C1 (en) Method for reducing pre-pulse concentration of electrons in active medium of metal halide vapor laser and active element of metal halide vapor laser
US3936772A (en) High flow metal halide vapor laser
Livingstone et al. Characteristics of a copper bromide laser with flowing Ne-HBr buffer gas
JPH0631160U (en) Recombination laser
US4736381A (en) Optically pumped divalent metal halide lasers
JP4164716B2 (en) Electrodeless field discharge excimer lamp and electrodeless field discharge excimer lamp device
US5345465A (en) Apparatus and method for guiding an electric discharge
JPH0750151A (en) Excimer discharge lamp
CA1045236A (en) Lasing device and method using mercury and cadmium or ammonia
Dimaki et al. A copper bromide vapor laser with computer control of the repetitive-pulse, train, and waiting operating modes
JP2564062B2 (en) Gas laser device
RU2310947C1 (en) Gaseous-discharge radiation source
RU2236075C1 (en) Active element of metallic-vapor laser
Evtushenko et al. Lead bromide vapor laser
Baranov et al. Optimization of the average power of pulsed-periodic KrF and XeCl excimer lasers
RU2243619C2 (en) Active element of metal halide vapor laser
Skenderović et al. Laser-ignited glow discharge in lithium vapor
Willis et al. Operational characteristics of a gas discharge stabilized by a rotating magnetic field
RU2145140C1 (en) Metal vapor laser
RU62742U1 (en) ACTIVE LASER ELEMENT ON METAL HALOGENIDE VAPORS
Hentschel et al. Repetition-rate scaling of a rectangular bore discharge-excited Sr+ recombination laser
Livingstone Studies of copper halide lasers

Legal Events

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

Effective date: 20041231