RU2354019C1 - Active medium for electric discharge co laser or amplifier and method of its pumping - Google Patents

Active medium for electric discharge co laser or amplifier and method of its pumping Download PDF

Info

Publication number
RU2354019C1
RU2354019C1 RU2007123798/28A RU2007123798A RU2354019C1 RU 2354019 C1 RU2354019 C1 RU 2354019C1 RU 2007123798/28 A RU2007123798/28 A RU 2007123798/28A RU 2007123798 A RU2007123798 A RU 2007123798A RU 2354019 C1 RU2354019 C1 RU 2354019C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
discharge
laser
active medium
pumping
electric
Prior art date
Application number
RU2007123798/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2007123798A (en
Inventor
Андрей Алексеевич Ионин (RU)
Андрей Алексеевич Ионин
Юрий Михайлович Климачев (RU)
Юрий Михайлович Климачев
Андрей Юрьевич Козлов (RU)
Андрей Юрьевич Козлов
Андрей Александрович Котков (RU)
Андрей Александрович Котков
Леонид Владимирович Селезнев (RU)
Леонид Владимирович Селезнев
Дмитрий Васильевич Синицын (RU)
Дмитрий Васильевич Синицын
Original Assignee
Физический институт имени П.Н. Лебедева Российской академии наук
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 Физический институт имени П.Н. Лебедева Российской академии наук filed Critical Физический институт имени П.Н. Лебедева Российской академии наук
Priority to RU2007123798/28A priority Critical patent/RU2354019C1/en
Publication of RU2007123798A publication Critical patent/RU2007123798A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2354019C1 publication Critical patent/RU2354019C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Lasers (AREA)

Abstract

FIELD: chemistry.
SUBSTANCE: active medium for electric-discharge CO laser or amplifier based on gas mixtures contains operating gas CO, buffer gases He or Ar, as well as added two-atom gases. Molecules of added two-atom gases have energy of vibrational transition 0→1 of ground electronic state less than 1800 cm-1, their quantity constituting from 0.2 to 80 relative to quantity of CO molecules. Method of pumping active medium with gas mixture by pulse electric discharge is characterised by the following: pumping is carried out with given specific put-in energy being in range from 0.01 to 1.5 J/(cm3 *Amaga) and duration of discharge pulse t being in range from 10 to 1000 mcs. Active medium for electric-discharge CO laser or amplifier based on gas mixtures is cooled to cryogenic temperatures (from 80 to 150 K) and is placed into CO laser or amplifier, operating in sealed off mode.
EFFECT: increase of power and efficiency of electric-discharge CO lasers and amplifiers operating on both main and overtone transitions, creation of powerful compact electric-discharge CO laser.
9 cl, 7 dwg

Description

Изобретение относится к лазерной физике и может быть использовано для повышения мощности и эффективности генерации электроразрядных СО лазеров, а также для создания мощного компактного электроразрядного СО лазера или усилителя ИК-излучения.The invention relates to laser physics and can be used to increase the power and efficiency of generating electric discharge CO lasers, as well as to create a powerful compact electric discharge CO laser or infrared radiation amplifier.

В СО лазерах с накачкой активной среды электрическим разрядом постоянного тока как при комнатной температуре газовой смеси [1, 2], так и при ее охлаждении жидким азотом [3] или с помощью сверхзвукового расширения [4] используются небольшие добавки кислорода (менее 10% от концентрации молекул СО), которые препятствуют распаду молекул СО в результате плазмохимических реакций, происходящих в разряде постоянного тока.In CO lasers with the active medium pumped with a direct current electric discharge both at room temperature of the gas mixture [1, 2] and when it is cooled with liquid nitrogen [3] or using supersonic expansion [4], small oxygen additives are used (less than 10% of concentration of CO molecules), which prevent the decomposition of CO molecules as a result of plasma-chemical reactions occurring in a direct current discharge.

В отличие от СО лазеров с накачкой активной среды разрядом постоянного тока, в электроионизационных СО лазерах и усилителях плазмохимические реакции происходят преимущественно в очень тонком прикатодном слое, поэтому их вклад в кинетические процессы, происходящие в основном объеме активной среды лазера, пренебрежимо мал [5]. В связи с этим, в электроионизационных СО лазерах применяют смеси без кислорода [6, 7]. Постепенная деградация газовой смеси может происходить только в электроионизационной СО лазерной установке замкнутого цикла, долгое время работающей в непрерывном или импульсно-периодическом режиме. Однако в этом случае достаточно предусмотреть регулярное пополнение убыли молекул СО и удаление молекул СО2 и С2. Например, в криогенном непрерывном технологическом электроионизационном СО лазере замкнутого цикла [8], удаление СО2 происходит в теплообменнике, охлаждаемом жидким азотом.In contrast to CO lasers with active-medium pumping by a direct current discharge, plasma-chemical reactions in electroionization CO lasers and amplifiers occur mainly in a very thin cathode layer; therefore, their contribution to the kinetic processes occurring in the bulk of the laser active medium is negligible [5]. In this regard, oxygen-free mixtures are used in electroionization CO lasers [6, 7]. The gradual degradation of the gas mixture can occur only in a closed-cycle electroionization CO laser system, which has been operating continuously or in a pulse-periodic mode for a long time. However, in this case, it is sufficient to provide for regular replenishment of the loss of CO molecules and the removal of CO 2 and C 2 molecules. For example, in a closed-cycle cryogenic continuous technological electroionization CO laser [8], CO 2 is removed in a heat exchanger cooled by liquid nitrogen.

В отпаянном (без прокачки газа) СО лазере комнатной температуры, возбуждаемым разрядом постоянного тока, добавка кислорода уменьшает мощность излучения [9]. Связано это с тем, что в результате плазмохимических реакций в разряде образуются молекулы СО2, которые не выводятся из области разряда в отличие от СО лазеров с прокачкой активной среды. Поскольку молекулы СО и СО2 эффективно обмениваются колебательной энергией, то появление в активной среде молекул СО2 приводит к расселению возбужденных колебательных уровней молекулы СО. Поэтому в предложенном отпаянном СО лазере с газовой смесью N2:Xe:CO:He:О2=1.1:2.0:2.4:27.0:0.06 предусмотрена замена смеси через каждые 10 минут работы, что вызывает дополнительные трудности.In a sealed-off (without gas pumping) CO laser at room temperature, excited by a direct current discharge, the addition of oxygen reduces the radiation power [9]. This is due to the fact that, as a result of plasma-chemical reactions, CO 2 molecules are formed in the discharge, which are not removed from the discharge region, unlike CO lasers with pumping of the active medium. Since CO and CO 2 molecules efficiently exchange vibrational energy, the appearance of CO 2 molecules in the active medium leads to the resettlement of excited vibrational levels of the CO molecule. Therefore, in the proposed sealed-off CO laser with a gas mixture N 2 : Xe: CO: He: O 2 = 1.1: 2.0: 2.4: 27.0: 0.06, the mixture is replaced every 10 minutes of operation, which causes additional difficulties.

Существуют СО лазеры с накачкой высокочастотным (ВЧ) разрядом как охлаждаемые водой [10], так и криогенные [11], в которых использованы газовые смеси с небольшой (до 5% от концентрации СО) добавкой кислорода. В работе [10] было использовано вертикальное расположение плоских электродов для наиболее удобной замены металлических вставок в них, т.к. целью этих исследований было изучение влияния материалов электродов на деградацию газовой смеси в процессе работы лазера.There are CO lasers pumped by a high-frequency (HF) discharge, both water-cooled [10] and cryogenic [11], in which gas mixtures with a small (up to 5% of the CO concentration) oxygen additive are used. In [10], a vertical arrangement of flat electrodes was used for the most convenient replacement of metal inserts in them, because The purpose of these studies was to study the effect of electrode materials on the degradation of a gas mixture during laser operation.

Наиболее близкой к предложенному изобретению является активная среда электроразрядного СО лазера и способ ее накачки, описанные в работе [12]. Активная среда состояла из газовой смеси следующего состава He:N2:CO:О2=78.8:16:5:0.2. Способ импульсной накачки реализовывался путем модулирования ВЧ-мощности с несущей частотой F=13.56 МГц низкой частотой Fнч от 100 Гц до 10 кГц. При этом длительность импульсов t прямоугольной формы была больше 1000 мкс, а скважность, т.е. отношение t/T0, где Т0=1/Fнч, составляла 0.5 во всех экспериментах. Однако необходимо отметить, что, несмотря на использование двух теплообменников, конструкция этого лазера не позволяла снизить температуру активной среды ниже комнатной, что не обеспечивало эффективный режим работы СО лазера. Кроме этого, авторам данного лазера не удалось добиться компактности своего устройства (длина активной среды составляла ~1 м), т.к. замкнутый цикл работы лазера, реализованный в [12], требовал дополнительного крупномасштабного оборудования.Closest to the proposed invention is the active medium of an electric-discharge CO laser and its pumping method, described in [12]. The active medium consisted of a gas mixture of the following composition He: N 2 : CO: O 2 = 78.8: 16: 5: 0.2. The pulsed pumping method was implemented by modulating the RF power with a carrier frequency F = 13.56 MHz with a low frequency Fnch from 100 Hz to 10 kHz. In this case, the pulse duration t of a rectangular shape was more than 1000 μs, and the duty cycle, i.e. the ratio t / T 0 , where T 0 = 1 / Fnch, was 0.5 in all experiments. However, it should be noted that, despite the use of two heat exchangers, the design of this laser did not allow lowering the temperature of the active medium below room temperature, which did not provide an effective operating mode of the CO laser. In addition, the authors of this laser could not achieve the compactness of their device (the length of the active medium was ~ 1 m), because the closed laser operation cycle implemented in [12] required additional large-scale equipment.

Технической задачей предложенного изобретения является повышение мощности и эффективности (КПД) электроразрядных СО лазеров и усилителей, работающих как на основных (длина волны излучения от 4.7 до 8.2 мкм), так и на обертонных (длина волны излучения от 2.5 до 4.2 мкм) переходах, а также создание мощного компактного электроразрядного СО лазера.The technical task of the proposed invention is to increase the power and efficiency (efficiency) of electric-discharge CO lasers and amplifiers operating both at the main (radiation wavelength from 4.7 to 8.2 μm) and overtone (radiation wavelength from 2.5 to 4.2 μm) transitions, and also the creation of a powerful compact electric-discharge CO laser.

Согласно изобретению поставленная техническая задача решается путем добавления в традиционно используемые в электроразрядных СО лазерах газовые смеси CO:He(Ar), CO:N2, CO:N2:He(Ar) двухатомных молекул, имеющих энергию E01 колебательного перехода 0→1 основного электронного состояния меньше 1800 см-1, в количестве от 0.2 до 80 по отношению к концентрации молекул СО. Такой добавкой может быть, например, кислород, у которого E01=1556 см-1. В качестве источника кислорода может быть использован воздух, тогда в активной среды соблюдено соотношение СО:Воздух = 1:Х, где Х находится в диапазоне от 1 до 120.According to the invention, the stated technical problem is solved by adding gas mixtures of CO: He (Ar), CO: N 2 , CO: N 2 : He (Ar) diatomic molecules with the energy E 01 of the 0 → 1 vibrational transition to the traditionally used in electric-discharge CO lasers. the ground electronic state is less than 1800 cm -1 , in an amount of 0.2 to 80 relative to the concentration of CO molecules. Such an additive may be, for example, oxygen, in which E 01 = 1556 cm -1 . Air can be used as an oxygen source, then the ratio CO: Air = 1: X is observed in the active medium, where X is in the range from 1 to 120.

Согласно изобретению способ накачки активной среды с описанной выше газовой смесью осуществляется импульсным разрядом при приведенной удельной вкладываемой энергии, находящейся в диапазоне 0.01 до 1.5 Дж/(см3·Амага) и длительности импульса разряда, находящейся в диапазоне от 10 до 1000 мкс (Амага - единица относительной концентрации газа, численно равная количеству молей в молярном объеме (22.4 л)). Способ импульсной накачки может быть реализован путем модулирования ВЧ-мощности с несущей частотой F, лежащей в диапазоне от 10 до 150 МГц, низкой частотой FНЧ, лежащей в диапазоне от 0.1 до 25 кГц.According to the invention, a method for pumping an active medium with the gas mixture described above is carried out by a pulsed discharge at a given specific energy input in the range of 0.01 to 1.5 J / (cm 3 · Amaga) and the duration of the discharge pulse in the range from 10 to 1000 μs (Amaga - unit of relative gas concentration, numerically equal to the number of moles in the molar volume (22.4 l)). The pulse pumping method can be implemented by modulating the RF power with a carrier frequency F lying in the range from 10 to 150 MHz, low frequency F low frequency lying in the range from 0.1 to 25 kHz.

Согласно изобретению структура огибающей импульса ВЧ-возбуждения такова, что сначала следует предымпульс, который обеспечивает поджиг разряда в рабочей смеси. Амплитуда предымпульса Римп по мощности находится в диапазоне от Рподж, мощности, при которой зажигается разряд, до максимальной пиковой мощности ВЧ-генератора Рmax. За предымпульсом следует основной импульс накачки длительностью t. При этом средняя ВЧ-мощность, подводимая к разрядному промежутку, может варьироваться при накачке основными импульсами как их скважностью, т.е. отношением t/T0 от 0.1 до 1.0, где Т0=1/FНЧ - период модуляции, t - длительность модулирующего импульса, так и мгновенной амплитудой ВЧ-мощности Р, составляющей от 0.1 до 1.0 от значения Рmax. Также накачка может осуществляться исключительно предымпульсами, при этом их длительность меняется в диапазоне от 0.01 до 0.1 от периода модуляции Т0, а их амплитуда - от Рподж до Рmax.According to the invention, the structure of the envelope of the RF excitation pulse is such that a prepulse follows, which provides ignition of the discharge in the working mixture. The amplitude of the prepulse P imp in power is in the range from P pzh , the power at which the discharge is ignited, to the maximum peak power of the RF generator P max . The prepulse is followed by the main pump pulse of duration t. In this case, the average rf power supplied to the discharge gap can vary when pumped by the main pulses as their duty cycle, i.e. the ratio t / T 0 is from 0.1 to 1.0, where T 0 = 1 / F LF is the modulation period, t is the duration of the modulating pulse, and the instantaneous amplitude of the RF power P is from 0.1 to 1.0 of the value of P max . Also, pumping can be carried out exclusively by prepulses, while their duration varies in the range from 0.01 to 0.1 from the modulation period T 0 , and their amplitude - from P pod to P max .

Согласно изобретению способ накачки активной среды, описанный выше, может быть реализован таким образом, что плоскость, перпендикулярная направлению электрического поля высокочастотного разряда, ориентирована вертикально, а сверху и снизу зона разряда ничем не ограничена. Описанная активная среда, возбуждаемая данным способом накачки, охлаждена до криогенных температур (от 80 до 150 К) и помещена в СО лазер или усилитель, действующий в отпаянном режиме.According to the invention, the active medium pumping method described above can be implemented in such a way that the plane perpendicular to the direction of the electric field of the high-frequency discharge is oriented vertically, and the discharge zone is not limited by anything from above and below. The described active medium excited by this pumping method is cooled to cryogenic temperatures (from 80 to 150 K) and placed in a CO laser or amplifier operating in a sealed mode.

На Фиг.1 представлена динамика коэффициента усиления G в импульсном СО усилителе на переходе 10→9 Р(15) в смеси СО:Не:О2=1:4Х для четырех значений Х.Figure 1 shows the dynamics of the gain G in a pulsed CO amplifier at the transition 10 → 9 P (15) in a mixture of CO: He: O 2 = 1: 4X for four values of X.

На Фиг.2 представлена зависимость максимума коэффициента усиления Gmax от колебательного квантового числа V в смеси СО:Не:О2=1:4:Х для шести значений X.Figure 2 shows the dependence of the maximum gain G max on the vibrational quantum number V in a mixture of CO: He: O 2 = 1: 4: X for six values of X.

На Фиг.3 представлены энергии колебательных переходов молекул кислорода, азота и оксида углерода.Figure 3 presents the energy of the vibrational transitions of the molecules of oxygen, nitrogen and carbon monoxide.

На Фиг.4 представлена зависимость КПД электроионизационого СО лазера от среднего удельного энерговклада Qin для смесей с различной долей Х молекул кислорода по отношению к молекулам СО в газовой смеси СО:Не:О2=1:4:Х.Figure 4 shows the dependence of the efficiency of the electroionization CO laser on the average specific energy input Q in for mixtures with different proportions X of oxygen molecules with respect to CO molecules in a CO: He: O 2 = 1: 4: X gas mixture.

На Фиг.5 представлена зависимость эффективности (КПД) СО лазера от величины локального удельного энерговклада Qin для двух газовых смесей СО:О2:Ar=1:10:10 и CO:N2:Ar=1:10:10.Figure 5 shows the dependence of the efficiency (COP) of a CO laser on the local specific energy input Q in for two gas mixtures of CO: O 2 : Ar = 1: 10: 10 and CO: N 2 : Ar = 1: 10: 10.

На Фиг.6 представлена структура огибающей импульса ВЧ-возбуждения СО лазера.Figure 6 shows the structure of the envelope of the pulse of the RF excitation of the CO laser.

На Фиг.7 представлена схема компактного щелевого СО лазера с ВЧ-возбуждением.Figure 7 presents a diagram of a compact slit CO laser with RF excitation.

Временная динамика коэффициента усиления на колебательно-вращательных переходах V→V-1 P (J) (V - номер колебательного уровня, J - номер вращательного подуровня) основного электронного состояния молекулы СО в активной среде импульсного СО лазера определяются кинетическими процессами колебательного обмена между молекулами. При импульсной накачке заселяются самые нижние (V, W≤8) колебательные уровни молекулы СО. Заселение более высоких уровней происходит в процессе колебательно-колебательного обмена между молекулами СОThe temporal dynamics of the gain at the vibrational-rotational transitions V → V-1 P (J) (V is the number of the vibrational level, J is the number of the rotational sublevel) of the ground electronic state of the CO molecule in the active medium of a pulsed CO laser are determined by the kinetic processes of vibrational exchange between the molecules. During pulsed pumping, the lowest (V, W≤8) vibrational levels of the CO molecule are populated. The population of higher levels occurs in the process of vibrational-vibrational exchange between CO molecules

Figure 00000001
Figure 00000001

Добавление в газовую смесь кислорода приводит к существенному изменению динамики коэффициента усиления импульсного электроразрядного СО лазера. Для высоких переходов (от полосы 19→18 и выше) добавление кислорода приводит к уменьшению величины коэффициента усиления и к сокращению времени существования инверсной населенности, т.е. времени, в течение которого G>0. На низких колебательно-вращательных переходах (от полосы 7→6 до 14→13) картина меняется на прямо противоположную: при добавлении кислорода коэффициент усиления увеличивается.Adding oxygen to the gas mixture leads to a substantial change in the dynamics of the gain of a pulsed electric-discharge CO laser. For high transitions (from the band 19 → 18 and above), the addition of oxygen leads to a decrease in the gain and to a decrease in the lifetime of the inverse population, i.e. time during which G> 0. At low vibrational-rotational transitions (from the band 7 → 6 to 14 → 13), the picture changes to the exact opposite: when oxygen is added, the gain increases.

Динамика коэффициента усиления для низких переходов представлена на примере перехода 10→9 Р(15) при четырех значениях X, где X - доля кислорода в смеси CO:He:О2=1:4:X (см. Фиг.1). На переходе 10→9 Р(15) при увеличении Х максимальное значение коэффициента усиления Gmax возрастает. Причем при X=2.0 значение Gmax в восемь раз больше, чем для смеси без кислорода (Х=0).The dynamics of the gain for low transitions is presented on the example of the transition 10 → 9 P (15) at four values of X, where X is the oxygen fraction in the mixture CO: He: O 2 = 1: 4: X (see Figure 1). At the transition 10 → 9 P (15) with increasing X, the maximum value of the gain G max increases. Moreover, at X = 2.0, the value of G max is eight times greater than for a mixture without oxygen (X = 0).

Для колебательно-вращательных переходов в диапазоне полос от 15→14 до 18→17 при небольших добавках молекул О2 (А=0.02-0.07) значение Gmax возрастает, затем при Х>0.01 - уменьшается, а при значениях, больших X=1.0, наблюдается, преимущественно, поглощение.For vibrational-rotational transitions in the range of bands from 15 → 14 to 18 → 17 with small additions of O 2 molecules (A = 0.02-0.07), the value of G max increases, then for X> 0.01 it decreases, and for values large X = 1.0 , observed mainly absorption.

Более наглядно влияние добавок кислорода на максимальное значение коэффициента усиления, реализуемое на различных переходах, представлена на Фиг.2, где приведена зависимость Gmax от колебательного квантового числа V в смеси СО:Не:О2=1:4:X для шести значений X. Из Фиг.2 видно, что даже при небольших значениях Х (до 0.2) величина Gmax резко уменьшается на высоких переходах. А на низких переходах увеличение доли кислорода в смеси приводит к росту максимального значения коэффициента усиления Gmax. При X=2.0 Gmax достигает величины 3.8 м-1 на переходе 10→9 Р(15).More clearly the effect of oxygen additives on the maximum value of the gain, which is realized at various transitions, is shown in FIG. 2, which shows the dependence of G max on the vibrational quantum number V in a mixture of CO: He: O 2 = 1: 4: X for six values of X From Figure 2 it can be seen that even with small values of X (up to 0.2), the value of G max decreases sharply at high transitions. And at low transitions, an increase in the oxygen fraction in the mixture leads to an increase in the maximum value of the gain G max . At X = 2.0 G max reaches 3.8 m -1 at the transition 10 → 9 P (15).

Наблюдаемое изменение динамики коэффициента усиления при добавлении кислорода связано с процессом межмолекулярного колебательного обмена между молекулами СО и О2 The observed change in the dynamics of the gain with the addition of oxygen is associated with the process of intermolecular vibrational exchange between CO and O 2 molecules

Figure 00000002
Figure 00000002

где ΔEVJ - разность энергий квантов колебательно-вращательных переходов молекул, участвующих в обмене.where ΔE VJ is the energy difference of the quanta of vibrational-rotational transitions of the molecules involved in the exchange.

Скорость обмена (2) возрастает при увеличении колебательного числа V, т.к. энергия кванта колебательно-вращательных переходов молекулы СО при V~20 сравнивается с энергией кванта молекулы O2 в полосе колебательного перехода 0→1, равной 1556 см-1. Увеличение Gmax (см. Фиг.2) на низких переходах связано с тем, что в результате обмена (2) происходит расселение колебательного уровня V и заселение уровня V-1, т.е. межмолекулярный обмен (2) способствует увеличению населенности на колебательных уровнях, расположенных ниже тех, которые эффективно участвуют в таком обмене.The exchange rate (2) increases with increasing vibrational number V, because the quantum energy of vibrational-rotational transitions of the CO molecule at V ~ 20 is compared with the quantum energy of the O 2 molecule in the band of the 0 → 1 vibrational transition equal to 1556 cm -1 . The increase in G max (see Figure 2) at low transitions is due to the fact that, as a result of the exchange (2), the vibrational level V and the level V-1 are populated, i.e. intermolecular exchange (2) contributes to an increase in population at vibrational levels located below those that are effectively involved in such an exchange.

Кроме смесей СО:Не:О2 влияние добавок кислорода на динамику коэффициента усиления наблюдается и в смесях CO:N22=1:9:X. При увеличении X максимум коэффициента усиления Gmax на переходе 10→9 Р (15) также возрастает. Причем при X=2.0 значение Gmax в два раза больше, чем для смеси без кислорода (Х=0).In addition to CO: He: O 2 mixtures, the effect of oxygen additives on the dynamics of the gain is also observed in CO: N 2 : O 2 mixtures = 1: 9: X. With increasing X, the maximum gain G max at the transition 10 → 9 P (15) also increases. Moreover, at X = 2.0, the value of G max is two times greater than for a mixture without oxygen (X = 0).

На Фиг.3. представлены энергии колебательных переходов молекул кислорода, азота и оксида углерода, рассчитанные с учетом значений энергии колебательного кванта 0→1 и постоянной ангарманизма этих молекул. Кроме этого, на Фиг.3 показаны возможные каналы межмолекумярного обмена в активной среде, содержащей эти газы. В традиционной для СО лазера смеси CO:N2=1:9 и других азотсодержащих смесях разрядом возбуждается как молекулы СО, так и N2. При этом колебательная энергия, запасенная в азоте, эффективно передается на уровни молекул СО с V от 0 до приблизительно 10 посредством процессаIn figure 3. The energies of vibrational transitions of oxygen, nitrogen, and carbon monoxide molecules are presented, calculated taking into account the values of the vibrational quantum energy 0 → 1 and the anharmanism constant of these molecules. In addition, figure 3 shows the possible channels of intermolecular exchange in an active medium containing these gases. In a CO mixture, traditional for a CO laser, a CO: N 2 = 1: 9 mixture and other nitrogen-containing mixtures, both CO and N 2 molecules are excited by a discharge. In this case, the vibrational energy stored in nitrogen is effectively transferred to the levels of CO molecules with V from 0 to about 10 through the process

Figure 00000003
.
Figure 00000003
.

Этот процесс сильно влияет на формирование колебательной функции распределения молекул СО, играя роль дополнительной накачки. В случае, когда в такую лазерную смесь добавлен кислород, на формирование колебательной функции распределения молекул СО начинает оказывать влияние процесс межмолекулярного обмена (2) через высокие (V≥20) возбужденные уровни (см. Фиг.3). Но за счет колебательного обмена (1) между молекулами СО наличие в смеси кислорода сказывается и на колебательной функции распределения для низких V.This process strongly affects the formation of the vibrational distribution function of CO molecules, playing the role of additional pumping. In the case when oxygen is added to such a laser mixture, the process of intermolecular exchange (2) through high (V≥20) excited levels begins to influence the formation of the vibrational distribution function of CO molecules (see Figure 3). But due to the vibrational exchange (1) between the CO molecules, the presence of oxygen in the mixture also affects the vibrational distribution function for low V.

Авторами изобретения была исследована лазерная генерация на основных переходах молекулы СО на газовой смеси СО:Не:О2=1:4:Х в зависимости от содержания кислорода X. На Фиг.4 представлена зависимость КПД электроионизационого СО лазера от среднего удельного энерговклада Qin для смесей с различной долей Х молекул кислорода по отношению к молекулам СО. При анализе результатов экспериментов, представленных на Фиг.4, видно, что с увеличением доли кислорода уменьшается пороговое значение удельного энерговклада, т.е. Qin, при котором появляется генерация. Однако и максимальный удельный энерговклад (энерговклад, выше которого разряд становится неустойчивым и развивается пробой разрядного промежутка) с увеличением доли кислорода уменьшался с 300 до 120 Дж/л Амага. Максимальное значение КПД лазера увеличивается с ростом X, при этом максимальное значение КПД достигается при меньшем удельном энерговкладе. При равных удельных энерговкладах (например, Qin=110 Дж/л Амага), КПД для смеси с А=4.0 достигает 27%, в то время, как для смеси с Х=0 он составляет 8%.The inventors studied laser generation at the main transitions of the CO molecule in the CO: He: O 2 = 1: 4: X gas mixture depending on the oxygen content X. Figure 4 shows the dependence of the efficiency of the electroionization CO laser on the average specific energy input Q in mixtures with different proportions X of oxygen molecules relative to CO molecules. When analyzing the results of the experiments presented in Figure 4, it is seen that with an increase in the oxygen fraction, the threshold value of the specific energy input decreases, i.e. Q in , at which generation appears. However, the maximum specific energy input (energy input, above which the discharge becomes unstable and breakdown of the discharge gap develops) with an increase in the oxygen fraction decreased from 300 to 120 J / l Amag. The maximum value of the laser efficiency increases with increasing X, while the maximum value of the efficiency is achieved with a lower specific energy input. With equal specific energy inputs (for example, Q in = 110 J / l Amag), the efficiency for a mixture with A = 4.0 reaches 27%, while for a mixture with X = 0 it is 8%.

С целью стабилизации разряда при больших удельных энерговкладах вместо гелия используется аргон. На Фиг.5 представлена зависимость эффективности (КПД) СО лазера от величины удельного энерговклада Qin для двух газовых смесей СО:О2:Ar=1:10:10 и CO:N2:Ar=1:10:10. Из Фиг.5 видно, что использование аргона позволяет увеличить максимальный удельный энерговклад до 280 Дж/л Амага.In order to stabilize the discharge at high specific energy input, argon is used instead of helium. Figure 5 presents the dependence of the efficiency (COP) of a CO laser on the specific energy input Q in for two gas mixtures of CO: O 2 : Ar = 1: 10: 10 and CO: N 2 : Ar = 1: 10: 10. Figure 5 shows that the use of argon can increase the maximum specific energy input up to 280 J / l Amag.

Значение КПД СО лазера на смеси СО:О2:Ar=1:10:10 (т.е. при Х=10) достигает 47% от вложенной энергии и в 1.6 раза превышает КПД в СО лазере (30%) на смеси CO:N2:Ar=1:10:10, причем соотношение между значениями КПД лазера достигает ~2.5 при Qin=100 Дж л-1 Амага-1. Уменьшение КПД СО лазера на смеси СО:О2:Ar при значениях Qin>170 Дж л-1 Амага-1 может быть связано как с нагревом газовой смеси, так и с возбуждением электронных состояний кислорода.The efficiency of a CO laser on a CO: O 2 : Ar = 1: 10: 10 mixture (i.e., at X = 10) reaches 47% of the input energy and is 1.6 times higher than the efficiency in a CO laser (30%) on a CO mixture : N 2 : Ar = 1: 10: 10, and the ratio between the values of the laser efficiency reaches ~ 2.5 at Q in = 100 J l -1 Amag -1 . The decrease in the efficiency of a CO laser on a CO: O 2 : Ar mixture at Q in > 170 J l -1 Amag -1 can be associated both with heating of the gas mixture and with the excitation of electronic states of oxygen.

Увеличение доли кислорода по мнению авторов изобретения целесообразно до Л=80, т.к. при больших значениях уже начинают превалировать процессы возбуждения электронных состояний кислорода [13], а доля энергии разряда, идущая на возбуждение молекул СО снижается. Увеличения коэффициента усиления, мощности и КПД электроразрядного СО лазера на газовых смесях с большой долей кислорода открывает возможность использования воздушных смесей. В этом случае, в активной среде электроразрядного СО лазера должна использоваться газовая смесь СО:Воздух = 1:Х, где Х находится в диапазоне от 1 до 120.The increase in the proportion of oxygen according to the authors of the invention is advisable up to L = 80, at large values, the processes of excitation of electronic states of oxygen begin to prevail [13], and the fraction of the discharge energy spent on the excitation of CO molecules decreases. Increasing the gain, power, and efficiency of an electric-discharge CO laser with high oxygen content in gas mixtures opens up the possibility of using air mixtures. In this case, in the active medium of the electric-discharge CO laser, a CO gas mixture should be used: Air = 1: X, where X is in the range from 1 to 120.

Для увеличения коэффициента усиления, а следовательно, мощности и КПД электроразрядного СО лазера в его активную среду можно добавлять не только кислород, а и молекулы других двухатомных газов. Главное, чтобы энергия колебательного перехода 0→1 основного электронного состояния Е01 этих молекул была меньше 1800 см-1. Тогда будет работать процесс межмолекулярного колебательного обмена типа (2) между этими молекулами и молекулами СО, в результате чего увеличится населенность возбужденных молекул СО на рабочих лазерных уровнях.To increase the gain, and therefore the power and efficiency of an electric-discharge CO laser, not only oxygen, but also molecules of other diatomic gases can be added to its active medium. The main thing is that the energy of the 0 → 1 vibrational transition of the ground electronic state E 01 of these molecules is less than 1800 cm -1 . Then the process of intermolecular vibrational exchange of type (2) between these molecules and CO molecules will work, as a result of which the population of excited CO molecules will increase at working laser levels.

Увеличение коэффициента усиления имеет большое значение не только для крупных, но и для компактных СО лазеров, которые могут быть использованы в качестве инструментов для решения различных научных и прикладных задач. Приведенные выше результаты позволяют при сохранении тех же энергетических характеристик сократить размеры лазерного излучателя или повысить мощность лазера при тех же габаритах. Использование в СО лазерах накачки ВЧ-разрядом в сочетании с криогенным охлаждением [11] позволяет получить наилучшее соотношение мощность/габариты по сравнению с СО лазерами, накачиваемыми другими видами электрического разряда (электроионизационного, постоянного тока и др.).An increase in the gain is of great importance not only for large, but also for compact CO lasers, which can be used as tools for solving various scientific and applied problems. The above results allow, while maintaining the same energy characteristics, to reduce the size of the laser emitter or to increase the laser power with the same dimensions. The use of RF pumping in CO lasers in combination with cryogenic cooling [11] allows one to obtain the best power / dimensions ratio compared to CO lasers pumped by other types of electric discharge (electroionization, direct current, etc.).

Модуляция мощности ВЧ-возбуждения (несущая частота F находится в диапазоне от 10 до 150 МГц) низкой частотой FНЧ, лежащей в диапазоне от 0.1 до 25 кГц, позволяет организовать накачку СО лазера, совместив преимущества поперечного ВЧ-разряда перед продольным самостоятельным разрядом с преимуществами импульсного режима накачки перед непрерывным. Структура огибающей импульса ВЧ-возбуждения, подаваемого на электроды лазера (см. Фиг.6) такова, что сначала следует предымпульс, который обеспечивает поджиг разряда в рабочей смеси. Амплитуда предымпульса Римп по мощности находится в диапазоне от Рподж мощности, при которой зажигается разряд, до максимальной пиковой мощности ВЧ-генератора Рmax. За предымпульсом следует основной импульс накачки длительностью t. При этом средняя ВЧ-мощность, подводимая к разрядному промежутку, может варьироваться при накачке основными импульсами как их скважностью, т.е. отношением t/T0 от 0.1 до 1.0, где Т0=1/FНЧ - период модуляции, так и мгновенной амплитудой ВЧ-мощности Р, составляющей от 0.1 до 1.0 от значения Modulation of the RF excitation power (carrier frequency F is in the range from 10 to 150 MHz) with a low frequency F LF lying in the range from 0.1 to 25 kHz allows one to organize the pumping of a CO laser, combining the advantages of a transverse RF discharge over a longitudinal independent discharge with the advantages pulsed pumping mode before continuous. The structure of the envelope of the RF excitation pulse supplied to the laser electrodes (see Fig. 6) is such that a prepulse follows, which ensures ignition of the discharge in the working mixture. The amplitude of the prepulse P imp in power is in the range from P to the power at which the discharge is ignited, to the maximum peak power of the RF generator P max . The prepulse is followed by the main pump pulse of duration t. In this case, the average rf power supplied to the discharge gap can vary when pumped by the main pulses as their duty cycle, i.e. the ratio t / T 0 from 0.1 to 1.0, where T 0 = 1 / F LF is the modulation period, and the instantaneous amplitude of the RF power P, component from 0.1 to 1.0 of the value

Рmax. Также накачка может осуществляться исключительно предымпульсами, при этом их длительность τ меняется в диапазоне от 0.01 до 0.1 от периода модуляции Т0, а их амплитуда - от Рподж до Рmax.P max . Also, pumping can be carried out exclusively by prepulses, while their duration τ varies in the range from 0.01 to 0.1 of the modulation period T 0 , and their amplitude - from P pod to P max .

Как показали эксперименты, проведенные авторами изобретения, необходимо, чтобы накачка СО лазера осуществлялась импульсами с длительностью t, находящейся в диапазоне от 10 до 1000 мкс, подбираемой в зависимости от состава смеси (в частности, от доли кислорода Х). При этом значение приведенного удельного энерговклада для каждого импульса должно находиться в диапазоне от 0.01 до 1.5 Дж/(см3·Амага). Для реализации работы СО лазера в режиме с максимальным КПД необходимо использование ВЧ накачки короткими мощными импульсами либо исключительно предымпульсами. В то же время для реализации режима генерации СО лазера с наибольшей средней мощностью необходимо использование максимально длинных основных импульсов в сочетании с самыми короткими предымпульсами, позволяющими поддерживать стабильное горения ВЧ-разряда.As experiments performed by the inventors have shown, it is necessary that the CO laser be pumped by pulses with a duration t ranging from 10 to 1000 μs, selected depending on the composition of the mixture (in particular, on the fraction of oxygen X). In this case, the value of the reduced specific energy input for each pulse should be in the range from 0.01 to 1.5 J / (cm 3 · Amag). To realize the operation of a CO laser in the regime with maximum efficiency, it is necessary to use RF pumping with short powerful pulses or exclusively prepulses. At the same time, to implement the regime of generation of a CO laser with the highest average power, it is necessary to use the longest main pulses in combination with the shortest prepulses, which allow maintaining stable burning of the RF discharge.

На Фиг.7. представлена схема компактного щелевого СО лазера с ВЧ-возбуждением. Электродная система находится внутри лазерной камеры 1 и состоит из двух охлаждаемых пустотелых металлических электродов 2, через которые непрерывно прокачивается хладагент 3. Благодаря этому электроды могут быть охлаждены до температуры ~120 К (в случае использования жидкого азота). Электродная система ориентирована таким образом, что плоскость, перпендикулярная направлению электрического поля 4 высокочастотного разряда, ориентирована вертикально. За счет такой ориентировки зоны разряда осуществляется автоматическая замена газовой смеси из зоны разряда на свежую из балластного объема лазерной камеры за счет конвекции нагретой в разряде газовой смеси. Благодаря этому, образовавшиеся в результате плазмохимических реакций в зоне разряда молекулы (например, СО2, С2О, CN, О3 и др.), оседают на внешних сторонах холодных электродов. Тем самым, в зоне разряда снижается концентрация в том числе тех молекул, которые могут забирать колебательную энергию у молекул СО.7. The scheme of a compact slot-hole CO laser with RF excitation is presented. The electrode system is located inside the laser chamber 1 and consists of two cooled hollow metal electrodes 2 through which refrigerant 3 is continuously pumped. Due to this, the electrodes can be cooled to a temperature of ~ 120 K (in the case of liquid nitrogen). The electrode system is oriented in such a way that the plane perpendicular to the direction of the electric field 4 of the high-frequency discharge is oriented vertically. Due to this orientation of the discharge zone, the gas mixture is automatically replaced from the discharge zone to fresh from the ballast volume of the laser chamber due to convection of the gas mixture heated in the discharge. Due to this, the molecules formed as a result of plasma-chemical reactions in the discharge zone (for example, СО 2 , С 2 О, CN, О 3 , etc.) are deposited on the outer sides of cold electrodes. Thus, in the discharge zone, the concentration is reduced, including of those molecules that can take vibrational energy from CO molecules.

Кроме этого, такая геометрия зоны разряда позволяет избавиться от накопления взрывоопасного количества жидкого озона, и осуществить отпаянный режим работы криогенного СО лазера. Образование жидкого озона происходит в криогенных прокачных СО лазерах даже при небольших добавках кислорода [14], что явилось, по-видимому, причиной, по которой отпаянный криогенный СО лазер до сих пор не был создан.In addition, such a geometry of the discharge zone allows one to get rid of the accumulation of explosive amounts of liquid ozone and to carry out a sealed-off mode of operation of the cryogenic CO laser. The formation of liquid ozone occurs in cryogenic pumped CO lasers even with small additions of oxygen [14], which was apparently the reason why the soldered cryogenic CO laser has not yet been created.

Электрический разряд поддерживается ВЧ-генератором 5 с системой согласования 6 импеданса нагрузки и выходного сопротивления ВЧ-генератора. Лазерный резонатор состоит из "глухого" зеркала 7 и выходного зеркала 8.The electric discharge is supported by the RF generator 5 with a matching system 6 of the load impedance and the output impedance of the RF generator. The laser cavity consists of a “dead” mirror 7 and an output mirror 8.

Предлагаемая активная среда для электроразрядного СО лазера и способ ее накачки были реализованы в двух вариантах.The proposed active medium for an electric-discharge CO laser and a method for pumping it were implemented in two versions.

Пример 1. Была использована криогенная импульсная электроионизационая лазерная установка с объемом разряда 18 литров и длиной активной среды 1.2 м. Ионизация газовой смеси осуществлялась электронным пучком. В качестве источника электронов в электроионизационой лазерной установке использовался прямонакальный термоэмиссионный катод. Величина ускоряющего напряжения, подаваемого на термокатод, составляла ~120 кВ. Вакуумную камеру электронной пушки отделяла от лазерной кюветы разделительная фольга (полиимидная пленка толщиной ~40 мкм). Объемный несамостоятельный разряд развивался между сетчатым катодом и сплошным медным анодом, разнесенными на 10 см. Длительность импульса электроионизационого разряда определялась длительностью импульса тока электронного пучка, которая могла изменяться в диапазоне от 25 до 1500 мкс путем изменения параметров электронной пушки. В различных экспериментах плотность рабочей смеси газов в лазерной кювете составляла от 0.04 до 0.3 Амага. Двойные стенки лазерной кюветы образовывали так называемую "азотную рубашку", которая заполнялась жидким азотом, что позволяло охлаждать газовую смесь до ~100 К. Лазерный резонатор длиной ~3,5 м был внешним и состоял из сферического медного зеркала (радиус кривизны 10 м) и плоского выходного зеркала (коэффициент пропускания ~50% в диапазоне длин волн 4.5-6.5 мкм). Для получения генерации на первом обертоне молекул СО использовался резонатор длиной ~2,5 м из сферического и плоского зеркал с коэффициентом пропускания ~1% в диапазоне длин волн 2.6-3.0 мкм, установленных непосредственно на лазерную кювету (внутренний резонатор). Были использованы различные газовые смеси, в частности, СО:Не:О2=1:4:Х, CO:N22=1:9:Х, где Х - доля кислорода в смеси варьировалась от 1 до 4.0, CO:О2:Ar=1:10:10, CO:N2:Ar=1:10:10, СО:Воздух.Example 1. A cryogenic pulsed electroionization laser system with a discharge volume of 18 liters and an active medium length of 1.2 m was used. Ionization of the gas mixture was carried out by an electron beam. A direct-heating thermionic cathode was used as an electron source in an electroionization laser installation. The value of the accelerating voltage supplied to the thermal cathode was ~ 120 kV. The vacuum chamber of the electron gun was separated from the laser cell by a separation foil (polyimide film ~ 40 μm thick). A non-self-sustained volume discharge developed between the grid cathode and the solid copper anode spaced 10 cm apart.The pulse duration of the electroionization discharge was determined by the duration of the electron beam current pulse, which could vary in the range from 25 to 1500 μs by changing the parameters of the electron gun. In various experiments, the density of the working gas mixture in the laser cell was from 0.04 to 0.3 Amag. The double walls of the laser cell formed the so-called “nitrogen jacket”, which was filled with liquid nitrogen, which allowed cooling the gas mixture to ~ 100 K. The laser resonator ~ 3.5 m long was external and consisted of a spherical copper mirror (radius of curvature 10 m) and flat output mirror (transmittance ~ 50% in the wavelength range 4.5-6.5 microns). To obtain lasing on the first overtone of CO molecules, we used a cavity of ~ 2.5 m in length from spherical and planar mirrors with a transmittance of ~ 1% in the wavelength range of 2.6-3.0 μm, mounted directly on a laser cell (internal resonator). Various gas mixtures were used, in particular, CO: He: O 2 = 1: 4: X, CO: N 2 : O 2 = 1: 9: X, where X is the oxygen fraction in the mixture ranged from 1 to 4.0, CO : O 2 : Ar = 1: 10: 10, CO: N 2 : Ar = 1: 10: 10, CO: Air.

Пример 2. Криогенный щелевой СО лазер с ВЧ-возбуждением, состоял из двух основных частей: лазерной камеры, внутри которой находились электродная система и лазерный резонатор, и ВЧ-генератора с системой согласования импеданса нагрузки и выходного сопротивления ВЧ-генератора.Example 2. A cryogenic slotted CO laser with RF excitation consisted of two main parts: a laser chamber inside which there was an electrode system and a laser resonator, and an RF generator with a system for matching the load impedance and output impedance of the RF generator.

На боковых стенках лазерной камеры имелись отверстия с фланцами для подсоединения системы вакуумной откачки, системы напуска компонент газовой смеси, патрубков подачи и дренажа жидкого азота (отдельно для каждого из двух электродов), токовводов для подачи ВЧ-напряжения на электроды. На торцевых стенках камеры были расположены оптические окна для вывода лазерного излучения и юстировочные устройства, обеспечивающие дистанционную настройку зеркал резонатора, расположенных внутри камеры.There were openings on the side walls of the laser chamber with flanges for connecting a vacuum pumping system, a gas mixture component inlet system, liquid nitrogen supply and drain pipes (separately for each of the two electrodes), and current leads for supplying RF voltage to the electrodes. Optical windows for outputting laser radiation and alignment devices were located on the end walls of the chamber, providing remote adjustment of the cavity mirrors located inside the chamber.

Электродная система установки состояла из двух охлаждаемых пустотелых латунных электродов, через которые непрерывно прокачивался жидкий азот. Благодаря этому электроды охлаждались до температуры ~120 К. Длина электродов вдоль оси лазерного резонатора составляла 250 мм. Высота разрядного промежутка составляла 30 мм. Рабочие поверхности электродов были отполированы до зеркального блеска. Электроды были зафиксированы на массивном металлическом основании при помощи трех диэлектрических держателей с регулировочными винтами, позволяющими изменять размер разрядной щели между ними от 2 до 4 мм, вследствие чего можно было варьировать параметры накачки (вкладываемую мощность на единицу объема АС).The installation electrode system consisted of two cooled hollow brass electrodes through which liquid nitrogen was continuously pumped. Due to this, the electrodes were cooled to a temperature of ~ 120 K. The length of the electrodes along the axis of the laser cavity was 250 mm. The height of the discharge gap was 30 mm. The working surfaces of the electrodes were polished to a mirror finish. The electrodes were fixed on a massive metal base using three dielectric holders with adjusting screws, which allowed changing the size of the discharge gap between them from 2 to 4 mm, as a result of which it was possible to vary the pump parameters (input power per unit volume of the AC).

Для возбуждения разряда использовался высокочастотный генератор с максимальной выходной мощностью в непрерывном режиме Рmax=500 Вт с несущей частотой F=81.36 МГц. Генератор мог работать в импульсно-периодическом режиме с низкочастотной (FНЧ=0.1-25 кГц) амплитудной модуляцией выходной ВЧ-мощности. Структура импульса, подаваемого генератором на электроды лазера, представлена на фиг.6.To excite the discharge, a high-frequency generator with a maximum output power in the continuous mode P max = 500 W with a carrier frequency F = 81.36 MHz was used. The generator could work in a pulse-periodic mode with low-frequency (F LF = 0.1-25 kHz) amplitude modulation of the output RF power. The structure of the pulse supplied by the generator to the laser electrodes is shown in Fig.6.

Лазерный резонатор длиной 270 мм состоял из "глухого" сферического (радиус кривизны 1.5 м) зеркала и полупрозрачного плоского выходного зеркала с коэффициентом отражения (85±5)% в диапазоне длин волн 5.0-5.5 мкм. Были использованы газовые смеси CO:N22:He:Xe, СО:Не:Хе:Воздух с различными соотношениями компонент. Общее давление в лазерной камере варьировалось от 10 до 100 Торр. При охлаждении электродов жидким азотом СО лазер действовал в отпаянном режиме, т.е. без замены рабочей смеси, в течение 12 часов без снижения средней мощности.The laser cavity with a length of 270 mm consisted of a “blind” spherical (radius of curvature 1.5 m) mirror and a translucent flat output mirror with a reflection coefficient (85 ± 5)% in the wavelength range of 5.0–5.5 μm. Gas mixtures of CO: N 2 : O 2 : He: Xe, CO: He: Xe: Air with different component ratios were used. The total pressure in the laser chamber ranged from 10 to 100 Torr. When the electrodes were cooled with liquid nitrogen, the CO laser operated in a sealed mode, i.e. without changing the working mixture, within 12 hours without reducing the average power.

Предлагаемая активная среда для электроразрядного СО лазера или усилителя и способ ее накачки позволяют повысить коэффициент усиления на рабочих лазерных переходах до величины ~4 м-1, довести КПД лазера до ~50% и создать мощный компактный СО лазер или усилитель ИК-излучения, работающий в отпаянном режиме при криогенных температурах.The proposed active medium for an electric-discharge CO laser or amplifier and its pumping method allow increasing the gain at the working laser transitions to ~ 4 m -1 , bringing the laser efficiency to ~ 50% and creating a powerful compact CO laser or infrared amplifier operating in sealed off mode at cryogenic temperatures.

Список литературыBibliography

1. Bhaumik M.L., Diem D.D., Mann M.M., Room temperature CO laser, US Patent 3761838, 25.09.1973.1. Bhaumik M. L., Diem D. D., Mann M. M., Room temperature CO laser, US Patent 3761838, 09.25.1973.

2. Macken J., Discharge driven precious metal catalyst with application to carbon monoxide lasers, US Patent 4897848, 30.01.1990.2. Macken J., Discharge driven precious metal catalyst with application to carbon monoxide lasers, US Patent 4897848, Jan 30, 1990.

3. Bhaumik M.L., Lacina W.B., Mann M.M. Characteristics of a CO laser, // IEEE. J. Quant. Electron., V. QE-8, №2, p.150, 1972.3. Bhaumik M.L., Lacina W.B., Mann M.M. Characteristics of a CO laser, // IEEE. J. Quant. Electron., V. QE-8, No. 2, p. 150, 1972.

4. Rich J.W., Treanor C.E., Daiber J.W. Electric-discharge exited gaseous laser, US Patent 3811095, 14.05.1974.4. Rich J.W., Treanor C.E., Daiber J.W. Electric-discharge exited gaseous laser, US Patent 3811095, 05/14/1974.

5. Басов Н.Г., Кипшакбаев А.И., Ковш И.Б., Пантелеев В.И. Изменение химического состава активной среды СО лазера при импульсно-периодическом электроионизационном возбуждении // Журнал Тех. Физ., Т.56, №8, с.1573, 1986.5. Basov N.G., Kipshakbaev A.I., Kovsh I.B., Panteleev V.I. Changes in the chemical composition of the active medium of a CO laser under pulsed periodic electroionization excitation // Journal of Tech. Fiz., Vol. 56, No. 8, p. 1573, 1986.

6. Басиев А.Г., Кузьмин В.Н., Родин А.В. Газоразрядный СО лазер. Патент РФ 2153744, 23.07.1998.6. Basiev A.G., Kuzmin V.N., Rodin A.V. Gas discharge CO laser. RF patent 2153744, 07.23.1998.

7. Головин А.С., Гурашвили В.А., Кочетов И.В., Кузьмин В.Н., Курносов А.К., Напартович А.П., Туркин Н.Г. Непрерывный электроионизационный СО-лазер с дозвуковым потоком рабочей смеси // Квант, электрон. Т. 23, №5, с.405, 1996.7. Golovin A.S., Gurashvili V.A., Kochetov I.V., Kuzmin V.N., Kurnosov A.K., Napartovich A.P., Turkin N.G. Continuous electroionization CO laser with a subsonic flow of the working mixture // Quantum, electron. T. 23, No. 5, p. 405, 1996.

8. Аверин А.П., Басов Н.Г., Глотов Е.П., Данилычев В.А., Керимов О.М., Матвеев И.Н., Сорока A.M., Устинов Н.Д., Югов В.И., Чебуркин Н.В. Универсальный технологический электроионизационный СО2-СО-лазер // Изв. Академии наук. Сер. физ., Т. 47, №8, с.1519, 1983.8. Averin A.P., Basov N.G., Glotov E.P., Danilychev V.A., Kerimov O.M., Matveev I.N., Soroka AM, Ustinov N.D., Yugov V. I., Cheburkin N.V. Universal technological electroionization CO 2 -CO laser // Izv. Academy of Sciences. Ser. Fiz., vol. 47, No. 8, p. 1519, 1983.

9. Peters P.J.M., Witteman W.J.,Zuidema R.J., Carbon monoxide laser, PCT Patent WO 81/02954, 15.10.1981.9. Peters P.J.M., Witteman W.J., Zuidema R.J., Carbon monoxide laser, PCT Patent WO 81/02954, 10.15.1981.

10. Yatsiv Sh., Gabay A., Starman В., Sintov Yo. Performance of CO2 and CO diffusively cooled RF excited strip-line lasers with different electrode materials and gas composition, Proc. SPIE, V.1397, p.319, 1990.10. Yatsiv Sh., Gabay A., Starman B., Sintov Yo. Performance of CO 2 and CO diffusively cooled RF excited strip-line lasers with different electrode materials and gas composition, Proc. SPIE, V.1397, p. 319, 1990.

11. Xin J., Zhang W., Jiao W. Radio frequency discharge excited diffusively cooled kilowatt carbon monoxide slab waveguide laser with a three mirror resonator, Appl. Phys. Lett., V.75, p.1369, 1999.11. Xin J., Zhang W., Jiao W. Radio frequency discharge excited diffusively cooled kilowatt carbon monoxide slab waveguide laser with a three mirror resonator, Appl. Phys. Lett., V.75, p.1369, 1999.

12. Uehara М., Kanazawa H. A room temperature operating pulse RF discharge exited CO laser, Proc. SPIE, V. 3092, p.436, 1999.12. Uehara M., Kanazawa H. A room temperature operating pulse RF discharge exited CO laser, Proc. SPIE, V. 3092, p. 436, 1999.

13. Ионин А.А., Климачев Ю.М., Котков А.А., Кочетов И.В., Напартович А.П., Селезнев Л.В., Синицын Д.В., Хагер Г.Д. "Способ получения синглетного кислорода в плазме несамостоятельного электрического разряда". Патент РФ №2206495, приоритет 10.02.2002. Бюллетень изобретений и полезных моделей, №17, с.658, 2003.13. Ionin A.A., Klimachev Yu.M., Kotkov A.A., Kochetov I.V., Napartovich A.P., Seleznev L.V., Sinitsyn D.V., Hager G.D. "A method for producing singlet oxygen in a plasma of a non-self-sustained electric discharge." RF patent No. 2206495, priority 02/10/2002. Bulletin of inventions and utility models, No. 17, p.658, 2003.

14. Urban W. Physics and spectroscopic applications of carbon monoxide lasers, a review. Infrared Phys. Technol., V.36, p.465, 1995.14. Urban W. Physics and spectroscopic applications of carbon monoxide lasers, a review. Infrared Phys. Technol., V.36, p. 465, 1995.

Claims (9)

1. Активная среда для электроразрядного СО-лазера или усилителя на основе газовых смесей, содержащих рабочий газ СО, буферные газы Не или Ar, а также добавленные двухатомные газы, отличающаяся тем, что молекулы добавленных двухатомных газов имеют энергию колебательного перехода 0→1 основного электронного состояния меньше 1800 см-1, при этом их количество составляет от 0,2 до 80 по отношению к количеству молекул СО.1. An active medium for an electric-discharge CO laser or amplifier based on gas mixtures containing CO working gas, He or Ar buffer gases, and also added diatomic gases, characterized in that the molecules of the added diatomic gases have a vibrational transition energy 0 → 1 of the main electronic states less than 1800 cm -1 , while their number is from 0.2 to 80 relative to the number of CO molecules. 2. Активная среда по п.1, отличающаяся тем, что в качестве добавки использован кислород.2. The active medium according to claim 1, characterized in that oxygen is used as an additive. 3. Активная среда по п.2, отличающаяся тем, что в качестве источника кислорода использован воздух таким образом, что соблюдено соотношение СО:Воздух = 1:Х, где X находится в диапазоне от 1 до 120.3. The active medium according to claim 2, characterized in that air is used as an oxygen source in such a way that the ratio CO: Air = 1: X is observed, where X is in the range from 1 to 120. 4. Способ накачки активной среды с газовой смесью по любому из пп.1-3 импульсным электрическим разрядом, отличающийся тем, что накачка осуществляется при приведенной удельной вкладываемой энергии, находящейся в диапазоне от 0,01 до 1,5 Дж/(см3·Амага) и длительности импульса разряда t, находящейся в диапазоне от 10 до 1000 мкс.4. The method of pumping an active medium with a gas mixture according to any one of claims 1 to 3 by a pulsed electric discharge, characterized in that the pumping is carried out at a reduced specific energy input in the range from 0.01 to 1.5 J / (cm 3 · Amag) and the duration of the discharge pulse t, which is in the range from 10 to 1000 μs. 5. Способ накачки активной среды по п.4, накачка в котором осуществляется высокочастотным (ВЧ) разрядом, отличающийся тем, что ВЧ-разряд модулируется во времени низкой частотой FНЧ, лежащей в диапазоне от 0,1 до 25 кГц.5. The method of pumping the active medium according to claim 4, in which the pump is carried out by a high-frequency (HF) discharge, characterized in that the HF discharge is modulated in time by a low frequency F LF lying in the range from 0.1 to 25 kHz. 6. Способ накачки активной среды по п.5, отличающийся тем, что структура огибающей импульса ВЧ-возбуждения, подаваемого на электроды лазера, такова, что сначала следует предымпульс, длительностью в диапазоне от 0,01 до 0,1 от периода модуляции T0=1/FНЧ, для поджига разряда в рабочей смеси, амплитуда которого по мощности находится в диапазоне от Рподж - мощности, при которой зажигается разряд, до максимальной пиковой мощности ВЧ генератора Рmax, а за ним - основной импульс накачки длительностью t.6. The method of pumping the active medium according to claim 5, characterized in that the envelope structure of the RF excitation pulse supplied to the laser electrodes is such that a prepulse follows, with a duration in the range from 0.01 to 0.1 of the modulation period T 0 = 1 / F LF , for ignition of a discharge in the working mixture, the amplitude of which in power is in the range from P pn - the power at which the discharge is ignited to the maximum peak power of the RF generator P max , and after it the main pump pulse of duration t. 7. Способ накачки активной среды по п.6, отличающийся тем, что средняя ВЧ-мощность, подводимая к разрядному промежутку, варьируется при накачке основными импульсами как их скважностью, т.е. отношением t/T0 от 0,1 до 1,0, так и мгновенной амплитудой ВЧ мощности, составляющей от 0,1 до 1,0 от значения Рmax.7. The method of pumping the active medium according to claim 6, characterized in that the average RF power supplied to the discharge gap varies when pumped by the main pulses as their duty cycle, i.e. the ratio t / T0 from 0.1 to 1.0, and the instantaneous amplitude of the RF power, component from 0.1 to 1.0 of the value of P max . 8. Способ накачки активной среды по любому из пп.5-7, отличающийся тем, что плоскость, перпендикулярная направлению электрического поля высокочастотного разряда, ориентирована вертикально, а сверху и снизу зона разряда ничем не ограничена.8. The method of pumping the active medium according to any one of claims 5 to 7, characterized in that the plane perpendicular to the direction of the electric field of the high-frequency discharge is oriented vertically, and the discharge zone is not limited to above and below. 9. Активная среда для электроразрядного СО-лазера или усилителя на основе газовых смесей, отличающаяся тем, что активная среда выполнена по любому из пп.1-3 и накачивается способом по п.8, при этом она охлаждена до криогенных температур (от 80 до 150 К) и помещена в СО-лазер или усилитель, действующий в отпаянном режиме. 9. The active medium for an electric-discharge CO laser or amplifier based on gas mixtures, characterized in that the active medium is made according to any one of claims 1 to 3 and is pumped by the method of claim 8, while it is cooled to cryogenic temperatures (from 80 to 150 K) and placed in a CO laser or amplifier operating in sealed mode.
RU2007123798/28A 2007-06-26 2007-06-26 Active medium for electric discharge co laser or amplifier and method of its pumping RU2354019C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007123798/28A RU2354019C1 (en) 2007-06-26 2007-06-26 Active medium for electric discharge co laser or amplifier and method of its pumping

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007123798/28A RU2354019C1 (en) 2007-06-26 2007-06-26 Active medium for electric discharge co laser or amplifier and method of its pumping

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2007123798A RU2007123798A (en) 2009-01-10
RU2354019C1 true RU2354019C1 (en) 2009-04-27

Family

ID=40373599

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2007123798/28A RU2354019C1 (en) 2007-06-26 2007-06-26 Active medium for electric discharge co laser or amplifier and method of its pumping

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2354019C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2450398C1 (en) * 2010-12-30 2012-05-10 Учреждение Российской академии наук Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения РАН (ИФП СО РАН) Method of exciting gas-discharge lasers and apparatus for realising said method
RU2713459C2 (en) * 2018-05-25 2020-02-05 Федеральное государственное унитарное предприятие Центральный научно-исследовательский институт связи (ФГУП ЦНИИС) Satellite communication device

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2450398C1 (en) * 2010-12-30 2012-05-10 Учреждение Российской академии наук Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения РАН (ИФП СО РАН) Method of exciting gas-discharge lasers and apparatus for realising said method
RU2713459C2 (en) * 2018-05-25 2020-02-05 Федеральное государственное унитарное предприятие Центральный научно-исследовательский институт связи (ФГУП ЦНИИС) Satellite communication device

Also Published As

Publication number Publication date
RU2007123798A (en) 2009-01-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Bergman et al. Overtone bands lasing at 2.7–3.1 μm in electrically excited CO
WO1994007286A1 (en) Scalable and stable, cw photolytic atomic iodine laser
Kast et al. Performance comparison of pulsed discharge and E‐beam controlled CO2 lasers
RU2354019C1 (en) Active medium for electric discharge co laser or amplifier and method of its pumping
WO1997012430A1 (en) Supersonic and subsonic laser with rf discharge excitation
US4249143A (en) Xenon fluoride and mercury chloride photodissociation lasers
Palm et al. Electron density and recombination rate measurements in CO-seeded optically pumped plasmas
US4344174A (en) Gas lasers
Mineev et al. Planar Xe laser with cw radio-frequency pumping
JPH09172214A (en) Rectangular emission gas laser
US4796271A (en) High duty factor rare gas halide laser
US3641457A (en) High-performance gas laser
Spalding Electric-discharge pumping
CN113783093B (en) Pumping constraint type DPRGLs system based on dielectric barrier discharge
Dyer et al. Gas lasers for medical applications
Luo et al. High-power room-temperature operating cw CO laser excited by microwave discharge
Skippon et al. Kinetics and operation of the atomic mercury laser
Juang et al. A Comparative Study on HCN and CO2 Gas Lasers
Bokhan et al. Investigation of a He-Eu+ laser excited by short pumping pulses
Grozeva et al. Laser capabilities of CuBr mixture excited by RF discharge
Al-Hawat et al. Construction of a transversely excited slow axial flow radio-frequency CO2 laser at 13.56 MHz
Villarreal et al. Pulsed operation of a 300W RF discharge excited planar waveguide CO laser with room temperature coolant
Eichler et al. Laser Transitions in Neutral Atoms
Quel et al. C02 LASERS: PHYSICS, TECHNOLOGY AND APPLICATIONS
Gielkens et al. The optimization of the multi-atmospheric Ar-Xe laser

Legal Events

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

Effective date: 20150627