SU1143279A1

SU1143279A1 - Ion beam-pumped laser

Info

Publication number: SU1143279A1
Application number: SU833657948A
Authority: SU
Inventors: В.М. Быстрицкий; В.Г. Толмачева
Original assignee: Научно-исследовательский институт ядерной физики при Томском политехническом институте
Priority date: 1983-08-12
Filing date: 1983-08-12
Publication date: 1992-09-23

Abstract

ЛАЗЕР С НАКАЧКОЙ ИОННЫМ ПУЧКОМ, содержащий источник ионного пучка с плоским анодом и катодом, а также с активной средой, при этом катод источника имеет форму охватывающего анод полувитка, в котором по одну сторону от анода выполнены прорези, а кювета с активной средой установлена напротив упом нутых прорезей в катоде, отличающийс тем, что, с целью повышени КПД, на внутренней поверхности катода по другую его сторону от анода нанесены слои галогеносодержащего материала, а в аноде напротив прорезей в катоде выполнены сквозные прорези, закрытые металлической фольгой, толщина которой удовлетвор ет условию ощо 1, где ст-сечение перезар дки , а 7/0 атомна толщина фольги.A LASER WITH A PACKAGING ION BEAM, containing an ion beam source with a flat anode and cathode, as well as an active medium, while the cathode of the source has the shape of a semi-turn covering the anode, in which slots are made on one side of the anode, and In order to increase efficiency, layers of halogen-containing material are deposited on the inner surface of the cathode on the other side of the anode, and in the anode opposite the slots in the cathode are made through slots , covered with a metal foil, the thickness of which satisfies the condition of 1, where the cross-section is recharging, and 7/0 is the atomic thickness of the foil.

Description

Изобретение относитс к лазерной технике и может найти применение дл генерации коротковолнового лазерного излучени с высокой пороговой удельной мощностью энерговклада.The invention relates to laser technology and can be used to generate short-wavelength laser radiation with a high threshold specific power input.

Известен лазер с накачкой ионным пучком , содержащий источник ионного пучка ионную пушку, выполненную на основе отражательного триода, и кювету, наполненную смесью Ar-Na. Кювета установлена за анодом, на пути ионного пучка, который выт гиваетс из анодной плазмы. Анод подключен к генератору высоковольтных импульсов и выполнен из твердотельного диэлектрика со щелевым отверстием, напротив которого установлен катод. Анод и катод помещены в аксиальное магнитное поле, создаваемое магнитными катушками. При поступлении высоковольтного импульса на анод на его поверхности образуетс плазма, заполн ющй щелевые отверсти . Электроны, змиттируемые с катода, много4is кратно проход т (колеблютс между анодом Ы Ю V4 и виртуальным катодом) сквозь плазму и ионизируют ее. Под действием электриче.ского пол анод-виртуальный катод из анодЮ ной плазмы выт гиваетс ионный пучок, который проходит в кювету сквозь пленку, раздел ющую вакуум триода и газ кюветы.Known ion-pumped laser containing an ion beam source ion gun, made on the basis of a reflective triode, and a cell filled with a mixture of Ar-Na. The cuvette is mounted behind the anode, in the path of an ion beam that is drawn out of the anode plasma. The anode is connected to the generator of high-voltage pulses and is made of a solid-state dielectric with a slit hole, opposite which the cathode is mounted. The anode and cathode are placed in an axial magnetic field created by magnetic coils. When a high-voltage pulse arrives at the anode, a plasma is formed on its surface, filling the slotted holes. The electrons emulated from the cathode are multiply passed multiple times (they oscillate between the anode of the Vy V4 and the virtual cathode) through the plasma and ionize it. Under the action of an elec- trical anode-virtual cathode, an ion beam is drawn from the anode plasma, which passes into the cell through a film separating the vacuum of the triode and the gas of the cell.

К недостаткам .этого устройства относ тс сложность, а также низка энерги ионов в пучке.The disadvantages of this device include the complexity as well as the low ion energy in the beam.

Ближапшим техническим решением к предлагаемому вл етс лазер с накачкой ионным пучком, содержащий источник ионного пучка с плоским анодом и катодом, а также кювету с активной средой, при этом катод источника имеет форму охватываюMi- ro чнод полуниткз, в котором по одну сторону от анода выполнены прорези, а кюпета с активной средой установлена напротив упом нутых прорезей в катоде. Анод известного лазера подключен к генератору нысокойолыных импульсов и выполнен в виде провод щей полоски, покрытой со стороны катодных прорезей плазмообразующим диэлектриком. При поступлении положительного высоковольтного импульса на анод на его поверхности образуетс плазма, из которой электрическим полем в сторону катода выт гиваютс ионы и. проход через катодные щели, формируют ионный пучок. Изолирующее аксиальное магнитное поле в этой пушке создаетс током внешней батареи, протекающим по катоду . Ионный пучок проходит через майларовую пленку в кювету и возбуждает в ней активную среду. Получена генераци на смеси Ar-N2 нз нескольких длинах волн а фиолетовой и ультрафиолетовой области спектра, КПД лазера -0.1%.The closest technical solution proposed is an ion-beam-pumped laser containing a flat-anode and cathode ion-beam source, as well as an active medium cell, the source cathode having the shape covering a min-half-square in which one side of the anode the slot, and the cupt with the active medium are installed opposite the said slots in the cathode. The anode of a known laser is connected to a generator of high-mast pulses and is made in the form of a conductive strip, covered from the side of the cathode slots by a plasma-forming dielectric. When a positive high-voltage pulse arrives at the anode, a plasma is formed on its surface, from which ions and are drawn by an electric field to the cathode. passage through the cathode gap, form an ion beam. The insulating axial magnetic field in this gun is created by the current of an external battery flowing through the cathode. The ion beam passes through the Mylar film in a cuvette and excites the active medium in it. Lasing was obtained on an Ar-N2 mixture in several wavelengths in the violet and ultraviolet spectral regions, with a laser efficiency of -0.1%.

Недостатком известного лазера вл етс низка энерги ионов в пучке, что приводит к значительной потере энергии пучка ионов при прохождении через пленку в кювету .The disadvantage of the known laser is the low ion energy in the beam, which leads to a significant loss of ion beam energy as it passes through the film in the cell.

Целью изобретени вл етс повышение КПД лазера.The aim of the invention is to increase the efficiency of the laser.

Эта цель достигаетс тем, что в известном лазере с накачкой ионным пучком, содержащем источник ионного пучка с плоским анодом и катодом, а также кювету с активной средой, при этом катод источника имеет форму охватывающего анод полувитка , в котором по одну сторону от анода выполнены прорези, а кювета с активной средой установлена напротив упом нутых прорезей в катоде, на внутренней поверхности катода по другую сторону от анода нанесены слои галогеносодержащегр материала , а в аноде напротив прорезей в катоде выполнены сквозные прорези, закрытые металлической фольгой, толщина которой удовлетвор ет условию 1, где а-сечение перезар дки, а о --атомна толщина фольги.This goal is achieved by the fact that in a known laser pumped by an ion beam containing an ion beam source with a flat anode and cathode, as well as a cell with an active medium, the cathode source has the shape of a half-turn covering the anode, in which one side of the anode is slotted and a cuvette with an active medium is installed opposite the said slots in the cathode, layers of halogen-containing material are applied on the inner surface of the cathode on the other side of the anode, and through slots in the anode opposite slots are made in the cathode Covered with a metal foil, the thickness of which satisfies Condition 1, where the a is the cross section of recharging, and o is the atomic thickness of the foil.

Сущность изобретени по сн етс чертежом, на котором показаны; генератор высоковольтных цмпульсов 1. к положительно-у высоковольтному полюсу которого присоединен анод 2. имеющий прорези 3, закрытые тонкими металлическими пленками, катод ,4, выполненный в виде полувитка, охватывающего анод 2. В катоде 4 выполнены прорези 5, расположенные напротив прорез1;1 р аноде 2. а по другую сторону 01 анола на внутренней поверхности катода 4 нанесен слой галогеносодержащего материала 6. Лазер содержит также корпус 7, на котором укреплен катод 4, кювету с активной средой 8. пленку 9.The invention is illustrated in the drawing, which shows; high-voltage tcpuls generator 1. to the positive-high-voltage pole of which is attached anode 2. having slots 3, covered with thin metal films, cathode, 4, made in the form of a half-turn covering anode 2. In cathode 4 slots 5 are made, located opposite slots 1; p anode 2. and on the other side 01 anola on the inner surface of the cathode 4 is applied a layer of halogen-containing material 6. The laser also contains a housing 7, on which the cathode 4 is fixed, to a cell with an active medium 8. film 9.

отдел ющую объем кюветы 8 от катода 4. Кро.ме того, на чертеже обозначено: траектории электронов 10, силова лини азимутального магнитного 11. электроотрицательные ионы 12, электроположительные ионы 13.separating the volume of the cell 8 from the cathode 4. In addition, in the drawing there are: the trajectories of electrons 10, the azimuth magnetic line of force 11. electronegative ions 12, electropositive ions 13.

Устройство работает следующим образом .The device works as follows.

В расчетный момент времени от генератора 1 на анод 2 поступает высоковольтныйIn the calculated time from the generator 1 to the anode 2 enters the high voltage

импульс положительной пол рности. Подimpulse of positive polarity. Under

действием электрического пол катод 4 начинаетэмиттировать электроны 10. и в цепиthe action of an electric field, the cathode 4 begins to emit electrons 10. and in the circuit

генератор 1 - анод 2 - катод 4 начинаетgenerator 1 - anode 2 - cathode 4 starts

протекать ток, создающий собственное магнитное поле Bi/ азимутального направлени . Под действием скрещенных электрических и магнитных полей электроны 10, эмиттируемые с катода 4. начинают дрейфовать вдоль его поверхности к вершине катодного винта 4, и формируют при достижении определенного уровн тока самоограниченные магнитно-изолированные электронные потоки, срывающиес на анод в области вершины катодного витка 4.leak current, creating its own magnetic field Bi / azimuthal direction. Under the action of crossed electric and magnetic fields, electrons 10 emitted from cathode 4. begin to drift along its surface to the top of the cathode screw 4, and form, when a certain current level is reached, self-limited magnetic-insulated electron flows breaking down on the anode in the top of the cathode coil 4.

В результате взрывной эмиссии на внутренней поверхности катода 4, покрытой диэлектриком , образуетс взрывоэмиссионна плазма. Как известно из р да работ, в водородной плазме содержание электроотрицательных ионов с большой энергией сродства (Н, СГ. F) может составл ть 10 /е, что соответствует плотности на уровне 10 10 -см и может обеспечить амплитуды токов пор дка дес тков ампер-см приAs a result of explosive emission on the inner surface of the cathode 4, covered with a dielectric, an explosive emission plasma is formed. As is known from a number of works, in a hydrogen plasma, the content of electronegative ions with high affinity energy (H, SG. F) can be 10 / e, which corresponds to a density of 10 10 -cm and can provide current amplitudes of about ten amperes -cm at

напр жении на уровне сотен киловольт-единиц МэВ, Дл галогеносодержащей плазмы эти параметры еще выше. Под действием электрического пол анода 2 отрицательные ионы 12 из катодной плазмы ускор ютс поvoltage at the level of hundreds of kilovolts MeV, For halogen-containing plasma, these parameters are even higher. Under the action of the electric field of the anode 2, negative ions 12 from the cathode plasma are accelerated along

направлению к аноду 2 до энергии, соответствующей полной разности потенциалов. Проход через тонкую металлическую фольгу в прорез х 3 (доли-единицы микрон), ускоренные ионы в процессе обдиркиtowards the anode 2 to the energy corresponding to the full potential difference. Passage through a thin metal foil into the slot x 3 (fractions-units of microns), accelerated ions in the stripping process

перезар жаютс в электроположительные 13. Минимальна толщина 6 фольги в прорез х 3, необходима дл высокой эффективности обдирки, может быть определенаrecharged to electropositive 13. The minimum thickness of the 6 foils in the slot x 3 is necessary for high stripping efficiency, can be determined

, 1 ИЗ соотношени о . где /ь атомна , 1 FROM the ratio of where / s is atomic

JjQ (JJjq (j

плотность фольги, а- сечение перезар дки .foil density, a - recharging cross section.

Из литературы известно, что эти сечени дл целого р да электроотрицательныхIt is known from the literature that these cross sections for a whole range of electronegative

ионов и различных атомных составов сред лежат в диапазоне 10 -10 см, что соответствует минимально допустимым толщинам фольги в диапазоне сотых-дес тых долей микрон. Толщина коммерчески доступной металлической фольги (к примеру алюминиевой) до микрона заведомо удовлетвор ет приведенное выше условие. Под действием мощного пучка ионов фольга испар етс и образовавща с плазма начинает распростран тьс внутрь диодных зазоров. Однако, как известно из экспериментов , скорость металлической п/1азмы поперек магнитного пол лежит в диапазоне (2-5)10 см/с, что дл наносекундных длительностей импульсов составл ет доли миллиметров . По этой причине металлическа плазма не успевает закоротить анод-катодный промежуток. Ионный ток, выносимый из металлической плазмы, составл ет значение в Ш/гпе меньшее, чем электронный ток. и дл алюмини , к . ЛОЖИions and various atomic compositions of media lie in the range of 10–10 cm, which corresponds to the minimum allowable foil thicknesses in the range of hundredths to tenths of microns. The thickness of a commercially available metal foil (for example, aluminum) up to microns obviously satisfies the above condition. Under the action of a powerful ion beam, the foil evaporates and the plasma that forms with it begins to propagate inside the diode gaps. However, as is known from experiments, the speed of a metallic p / 1 am-gamma across a magnetic field lies in the range (2-5) 10 cm / s, which for nanosecond pulse durations is a fraction of millimeters. For this reason, the metallic plasma does not have time to short the anode-cathode gap. The ion current carried out from the metallic plasma is less than the electron current in W / hp. and for aluminum, as LIES

в диапазоне долей единиц Л/см,in the range of fractions of units L / cm,

Перезар див|иийс пучок отрицательных ионов, прошедших полную разность потенциалов диода, снова ускор етс , уже в качестве пучка положительных ионов, в сторону катода и за счет зтого удваивает свою энергию. Ионный пучок с удвоенной энергией проходит через пленку 9. отдел ющую объем кюветы 8 от катода 4, и попадает в кювету. За счет более высокой энергии ионов энергопотери ионов в пленке 9 будут существенно меньшими, а пробеги их в газе в диапазоне давлений единицы атмосфер состав т пор дка сантиметра. Таким образом , область интенсивной накачки (брегговский пик в конце пробега) оказываетс значительно удаленной от стенок кюветы, что обеспечивает отсутствие охлаждени образованной пучком плазмы за счет теплопотерь стенки. Все это приводит к увеличению КПД накачки и генерации лазерного излучени .Peresar divides the beam of negative ions that have passed the full potential difference of the diode, is again accelerated, already as a beam of positive ions, towards the cathode and due to this doubles its energy. The ion beam with the double energy passes through the film 9. separating the volume of the cell 8 from the cathode 4, and enters the cell. Due to the higher energy of the ions, the energy loss of ions in the film 9 will be significantly lower, and their range in the gas in the pressure range of a unit of atmospheres will be about a centimeter. Thus, the region of intense pumping (the Bragg peak at the end of the run) turns out to be significantly distant from the walls of the cuvette, which ensures the absence of cooling of the plasma produced by the beam due to heat losses of the wall. All this leads to an increase in the pump efficiency and the generation of laser radiation.

3 6 7 ГГ12 Ю 3 6 7 YY12 U

Ь.B.

-I-I

// //

, / { , , / {,

лЧ.,, LC, ,,

ff

Hefei&Hefei &

V 1V 1

ОABOUT

у at

9 139 13

Claims

A laser pumped by an ion beam containing an ion beam source with a flat anode and cathode, as well as a cell with an active medium, the cathode of the source having the form of a half-coil enclosing the anode, in which slots are made on one side of the anode, and the cell with the active medium is opposite said slots in the cathode, characterized in that, in order to increase the efficiency, layers of a halogen-containing material are deposited on the inner surface of the cathode on its other side from the anode, and through holes are made in the anode opposite the slots in the cathode and sealed metal foil, the thickness of which satisfies € ίη _ο> 1. wherein σ-sectional recharge and d ₀ - atomic foil thickness. s ω C ----------